光泵磁共振实验.pdf

光泵磁共振 一 . 实验目的 （1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共 振的理解。 （2 ）测定铷同位素 85Rb 和 87Rb 的 gF 因子、地磁场垂直和水平分量。 二、实验原理 光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或 超精细结构之间， 而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态， 由于光子能量是射频量 6 7 子能量的 10 ~10 倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。 1、铷原子基态和最低激发态的能级 天然铷中含量大的同位素有两种： 85Rb 占 72.15% ，87 Rb 占 27.85% 。 由于电子轨道总角动量 PL 与自旋总角动量 PS 的 LS 耦合，使原子能级具有精细结构， 用电子的总角动量量子数 J 表示： J=L+S ，…， |L— S|。铷的基态，轨道量子数 L=0 ，自旋 量子数 S=1/2 ，只有 J=1/2 一个态 52S1/2 。铷原子的最低激发态，轨道量子数 L=1 ，自旋量子 数 S=1/2 ，则有双重态 52 P 态 J=3/2 和 52P 态 J=1/2 。 3/2 1/2 已知核自旋 I=0 的原子的价电子 LS 耦合后，总角动量 P 与原子总磁矩 μ 的关系为： J J μ = –g eP / （2m ） （13-1 ） J J J e （ ）— （ ） （ ） J J+1 L L+1 +S S+1 gJ=1+ ─────────────── （13-2 ） （ ） 2J J+1 但铷原子的核自旋 I≠ 0。所以核自旋角动量 P 与电子总角动量 P 耦合成原子总角动量 I J P ，有 P =P +P ，耦合后的总量子数是 F=I+J，…， |I— J|。87Rb 的基态 J=1/2 、I=3/2 ，有 F=2 F F J I 和 F=1 两个状态。 85Rb 的基态 J=1/2， I=5/2 ，则有 F=3 和 F=2 两个态。把 F 量子数表征的 能级称为超精细结构能级。原子总角动量 P 与总磁矩 μ 之间的关系（见本实验附录）为： F F （ ） μF= –gFePF/ 2me （ ） （ ）— （ ） F F+1 +J J+1 I I+1 g =g ─────────────── （13-3 ） F J （ ） 2F F+1