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光泵磁实验

学中研究物质结构,最初是利用光谱学的方法,推动了原子和分子学的进

展。如果要研究原子、分子等微观粒子更精细的结构和变化,光谱学的方法受到仪器分

辨率和谱线线宽的限制。在此情况下发展的波谱学方法利用物质的微波或射频研究原子

的精细、超精细结构以及因磁场存在而形成的塞曼子能级,这比光谱学方法有更高的分

辨率。但是,热平衡下磁涉及的能级上粒子布居数差别很小,加以磁偶极跃迁几率也较

小,因此核磁波谱方法也有如何提高信息强度的问题。对于固态和液态物质的波谱学,

如核磁(NMR)和电子顺磁(EPR),由于样品浓度大,再配合高灵敏度的电子探测技

术,能够得到足够强的信号。但对气态的自由原子,样品的浓度降低了几个数量级,就

得另外想新办法来提高信号强度。A.Kastler等人在20世纪50年代提出了光抽运(optical

pumping,又称光泵)技术,并在1966年荣获奖。光抽运是用圆偏振光束激发气态原

子的方法以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布,造成所需的布居数差,从而

在低浓度的条件下提高了强度。这时再用相应频率的射频场激励原子的磁。在探测

磁方面,不直接探测原子对射频量子的或吸收,而是采用光探测的方法,探测原子

对光量子的或吸收。由于光量子的能量比射频量子高七八个数量级,所以探测信号的灵

敏度得以提高。使用光抽运——磁——光探测技术对许多原子、离子和分子进行的大量

研究,增进了我们对微观粒子结构的了解,推动了结构理论方面的研究。此外,光抽运技术

在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要的应用。

本实验的内容很丰富,实验过程中不仅掌握其方法,也会见到比较复杂的现象。

若能根据基本原理给出正确的分析,将受到一次很好的原子实验和综合实验的训练。

1实验目的

加深对原子超精细结构的理解,测定铷原子()超精细结构塞曼子能级的朗德因子。

Rb

2实验原理

一、铷(Rb)原子能级结构

实验研究的对象是的气态自由原子。是碱金属原子,在紧紧束缚的满壳层外只

RbRb

有一个电子,价电子处于第5壳层,主量子数n5。

主量子数为的电子,其轨道量子数

n

L01,,,n1。基态的L0,最低激发态的

1

L1。电子还具有自旋,电子自旋量子数S。

2

由于电子的自旋与轨道的相互作用(即LS

耦合)而发生能级,称为精细结构(见图3.1)。

P

轨道角动量与自旋角动量的合成总角动量

P

Ls

PPPJ

JLS。原子能级的精细结构用总角动量量子数来标记,

JLSL,S1,Ls(1)

R2

Rb原子的基态,L0和S1/2,因此基态只有bJ1/2,标记为5S;其最

1/2

低激发态是2

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