光磁共振试验.doc

近代物理实验补充讲义A（三） 光磁共振 实验目的 掌握光抽运磁共振光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振； 铷同位素87Rb和85Rb的因子测定； 地磁场测定。 实验原理 20世纪50年代初期，法国科学家卡斯特莱（A.Kastler）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成能级上粒子集聚差数，使得在低浓度下有较高的共振强度。这时再以相应频率的射频场激励原子磁共振，并采用光探测法，使探测信号灵敏度有很大提高。这个方法的出现不仅使微观粒子结构的研究前进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。1966年, A.Kastler由于发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。 铷原子的超精细结构及塞曼分裂 铷是一价碱金属原子，天然铷中含有两种同位素：87Rb和85Rb。根据LS耦合产生精细结构，它们的基态是5，最低激发态是5和5的双重态。对87Rb，跃迁为D1线（λ1=794.8nm）;为D2线（λ2=720.0nm）。 铷原子具有核自旋I，相应的核自旋角动量为，核磁距为。在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即和耦合成总角动量, F为总量子数：F=I+J,...|I-J|。对87Rb，I=3/2，因此87Rb的基态有两个值：F=2和F=1。对85Rb，I=5/2，因此85Rb的基态有两个值：F=3和F=2。由量子数F标定的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁矩之间的关系为： (1) (2) 其中 。在磁场H中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。对某一个F值，磁量子数MF=F,…,-F,即分裂为2F+1个能量间距相等(, 为玻尔磁子) 的塞曼子能级（见图1）。 在热平衡条件下，原子在各能级的布居数遵循玻尔兹曼分布()，由于基态各塞曼子能级的能量差极小，故可认为原子均衡地布居在基态各子能级上。 ( a) 87Rb (b) 85Rb 图1 铷原子D1线能级图 2. 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应 对塞曼效应原子能级跃迁，MF通常的选择规则是，根据角动量守恒原理如果具有角动量的偏振光与原子相互作用，原子吸收光子能量的同时，也吸收了它的角动量。对于左旋圆偏振的σ+光子与原子相互作用，因它具有一个角动量+h，原子吸收了它就增加了一个角动量+h值，则只有△MF=+1的跃迁87Rb的52S1/2和52P1/2态的MF最大值都是+2，当入射光为σ+时，由于只能产生△MF=+1的跃迁，基态中MF=+2子能级的粒子跃迁概率为0，而粒子从返回的过程，由于是自发跃迁，按选择定则△MF=0，±1布居，从而使得MF=+2粒子数增加（见图2）。这样经过若干循环后，基态MF=+2子能级上粒子布居数大大增加，即MF≠+2的较低子能级上的大量粒子被“抽运”到MF=+2上，造成粒子数反转，这就是光抽运效应（亦称光泵）。光抽运造成粒子非平衡分布，Rb原子对光的吸收减弱，直至饱和不吸收。同时，每一MF表示粒子在磁场中的一种取向，光抽运的结果使得所有原子由各个方向的均匀取向变成只有MF=+2的取向，即样品获得净磁化，这叫做“偏极化”。外加恒磁场下的光抽运就是要造成偏极化。光有同样作用，不过它是将大量粒子抽运到MF=-2子能级上。当为π光时，由于△MF=0，则无光抽运效应，此时Rb原子对光有强的吸收。 (a) (b) 图2 87Rb光泵过程 吸收D1光跃迁，基态MF=+2的粒子不能跃迁; (b) 自发辐射回到基态所有分支能级，MF=+2能级粒子数增加 3. 弛豫过程 原子系统由非热平衡的偏极化状态趋向于热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。它主要是由于铷原子与容器壁碰撞，以及原子之间的碰撞使系统返回到热平衡的玻尔兹曼分布。系统的偏极化程度取决于光抽运和弛豫过程相互竞争的结果。为使偏极化程度高，可采用加大光强以提高抽运效率，选择合适的温度以合理控制原子密度，充适量的惰性气体（抗磁气体）以减少弛豫过程的影响。 4. 射频诱导跃迁——光磁共振 光抽运造成偏极化，光吸收停止。这时若加一频率为ν1的右旋圆偏振射频场H1，并使hν1等于相邻塞曼子能级差： （3） 则塞曼子能级之间将产生磁共振，使得被抽运到MF=+2能级的粒子产生感应诱导跃迁，从MF=+2依次跳到MF=+1,0,-1,-2等子能级，结果使粒子趋于原来的均衡分布而破坏了偏极化。但是由于抽运光的存在，光抽运过程也随之出现。这样，感应