光泵磁共振完整版.doc

实验报告 课程名称：近代物理实验I 实验项目名称：光泵磁共振 专业： 学号： 姓名： 联系方式： 实验地点： 实验日期： 上交日期： 指导教师： 1.前言和实验目的 前言： 光泵磁共振实验在实现观测气体中原子超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号上有突破，使用探测磁共振信号的光探测方法，大大提高了灵敏度。这是在1950年，法国物理学家卡斯特勒(A.Kasslte 1902～1984)提出了光抽运方法。光抽运过程是原子系统吸收某种特定的光而造成能级原子数的分布偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。光泵磁共振是光抽运过程和射频磁共振相结合的一种双共振过程。用射频电磁场作用使之发生磁共振，用光探测原子对入射光的吸收，从而获得光泵磁共振信号，此技术应用了光探测方法，既具有了磁共振高分辨率的优点，又将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。卡斯特勒因此荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。目前此方法，一方面可用于基础研究，例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，对原子、分子间各种相互作用进行实验研究，另一方面在量子频标，精确测定磁场等问题上都有实际应用价值，近年来，发展出两种精密仪器，原子频率标准仪(原子钟)和原子磁强计。 本实验是以天然铷(Rb )为样品研究铷原子基态的光泵磁共振。 实验目的： 1．加深对超精细结构原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。 2．掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法。 3．测定铷()原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子和地磁场强度。 2.实验原理 2.1 铷原子基态及最低激发态能级的塞曼分裂 核自旋I=0时，原子的价电子LS耦合后总角动量与原子总磁矩的关系： 其中式中为铷原子精细结构朗德因子。 当I≠0时，的I=3/2，的I=5/2。设核自旋角动量为，核磁矩为，与耦合成，有。耦合后的总量子数F=I+J，··· ，∣I-J∣。的基态F有两个值F=2及F=1；的基态F有两个值F=3及F=2。由F量子数表征的能级称为超精细结构能级，这是由于核磁矩与电子自旋，轨道磁矩的相互作用，使能级发生分裂而形成的。原子总角动量与总磁矩之间关系： 其中式中为铷原子超精细结构的朗德因子。 在磁场中原子的超精细能级产生塞曼分裂(弱磁场时为反常塞曼效应)，磁量子数=F，(F-1)，……，(-F)，即分裂成2F+1个能量间距基本相等的塞曼子能级，如图4- 1所示。 原子各能级能量可由薛定谔方程确定的能量本征值给出。在弱磁场中铷原子的能量算符是： 式中为只考虑了耦合作用的哈密顿量，为微扰项，它包括I与J耦合作用能及弱磁场对总磁矩的作用能。当取的方向为坐标轴的Z方向时，由量子理论导出式(4-5)各能级的能量本征值为： 玻尔磁子，为普朗克常数，为磁偶极相互作用常数，在中忽略了四极矩及更高极矩的作用能。 图（4-1 ）铷原子能级示意图 当外场=0时，则塞曼子能级简并为超精细结构能级，其基态(J=1/2,L=0)的两个(即和)超精细结构能级之间的能量差为： 的态的=3417.342MHZ, =2, =1，则=2·=6834.684MHZ·。的态的=1011.911MHZ, =3, =2, 则=3035.733MHZ·。 当外磁场0（即弱磁场中）时，相邻的塞曼子能级之间(=±1)的能量差可由式(4-6)得： 光抽运： 在热平衡状态下，各能级的粒子数遵守玻耳兹曼分布，其分布规律为 由于超精细塞曼子能级间的能量差很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的，这样很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象。为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子，造成能级原子数分布偏离热平衡下的玻耳兹曼分布，即使原子能级的粒子数分布产生重大改变，使粒子数在某一能级偏极化。 光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的的作用，当一定频率为的入射光是圆偏振光(如)时，起作用的电场部分，根据光跃迁的选择定则，当入射光为左旋圆偏振时，选择定则为: =±1;=±1,0;= ± 图（4-2） (a)基态粒子吸收的受激跃迁，=+2的粒子跃迁概率为零 (b)激发态粒子通过自发辐射退激回到基态各子能级 当入射光为(的角动量为+h)时，只能产生=+1的跃迁，故光只能把基态中除=+2以外各子能级上的原子激发到的相应子能级上，如图4- 2(a)所示。当原子经历无辐射跃迁过程从回到时，则粒子返回基态各子能级的概率相等。如图4- 2(b)所示,这样经过若干循环之后，基态=+2能级上粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态的=+2的子能级上，这就是光抽运效应。 同理，用光照射，将大量粒子“抽运”到基态的=-2的子能级上。和对光