文档介绍：7-7 光泵磁共振实验

光磁共振,是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程, 是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。所研究的对象是碱金属原子铷Rb。天然铷中含量大的同位素有两种: %,%。
气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱,用磁共振的方法难于观察。本实验中应用了光探测的方法,既保持了磁共振分辨率高的优点,同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法一方面可用于基础物理研究,另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价值。通过实验可加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。
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1、了解光泵磁共振的原理,观察光磁共振现象。
2、测量铷(Rb)原子的因子及地磁场的大小。
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1、铷原子基态和最低激发态的能级
铷(Z=37)是一价金属元素,天然铷有两种稳定的同位素: 85Rb和87Rb,二者的比例接近2比1。它们的激态都是52S1/2, 即电子的主量子数n=5,轨道量子数L=0,自旋量子数S=1/2,总角动量量子数J=1/2(L—S 耦合)。
在L—S耦合下,铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成,其轨道量子数L=1,自旋量子数S=1/2,电子的总角动量J=L+S和L-S,即J=3/2和1/2,形成双重态:52P1/2和52P3/2,这两个状态的能量不相等,产生精细分裂。因此,从5P到5S的跃迁产生双线,分别称为D1和D2线,(见图7-7-1)。
通过L—S耦合形成了电子的总角动量PJ,与此相联系的核外电子的总磁矩mJ为:

其中
就是著名的Longde因子,m是电子质量,e是电子电量。
原子核也有自旋和磁矩,核自旋量子数用I表示。核角动量PI和核外电子的角动量PJ耦合成一个更大的角动量,用符号 PF表示,其量子数用F表示,则
与此角动量相关的原子总磁矩为
其中

在有外静磁场B的情况下,总磁矩将与外场相互作用,使原子产生附加的能量

其中称为玻尔磁子,MF是PF的第三分量的量子数,MF=-F,-F+1,…F-1,F,共有2F+1个值。我们看到,原子在磁场中的附加能量E随MF变化,原来对MF简并的能级发生分裂,称为超精细结构,一个F能级分裂成2F+1个子能级,相邻的子能级的能量差为

我们来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋,85Rb的核自璇,因此,两种原子的超精细分裂将不同。我们以87Rb为例,介绍超精细分裂的情况,可以对照理解85Rb的分裂(如图7-7-1所示)。
图7-7-1 87Rb原子能级超精细分裂
对于电子态52S1/2,角动量PJ与角动量PI耦合成的角动量PF有两个量子数:F=I+J和I-J,即F=2和1。
同样,对于电子态52P1/2,耦合成的角动量PF也有两个量子数:F=2和1。对于电子态52P3/2,耦合后的角动量PF有四个量子数:F=3,2,1,0。
我们可以画出原子在磁场中的超精细分裂情况,如图7-7-1所示。由于实验中D2线被滤掉,所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。
实验中,我们要对铷光源进行滤光和变换,只让D1σ+(左旋圆偏振光)光通过并照射到铷原子蒸气上,观察铷蒸气D1σ+对光的吸收情况。
我们要指出的是:
1)从常温对应的能量kBT来衡量,超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的,根据玻尔兹曼分布:

由52S1/2分列出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布;同样,由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。
2)如果考虑到热运动造成的多普勒效应,铷光源发出的D1σ+光实际包含了连续频率的光,这些光使得
D1线有一定的宽度,同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。
2、光磁共振跃迁
处于磁场环境中的铷原子对D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则
;
根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图,如图7-7-2所示。
图7-7-2 87Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁
我们看到,5S能级中的8条子能级除了MF=+2的子能级外,都可以吸收D1σ+光而跃迁到5P的有关子能级,MF=+2的子能级上的原子既不能往高能级跃迁也没有条件往低能级跃迁,所以这些原子数是不变的;另一方面,跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S低能级,发出自然光,跃迁选择定则是:
;
相应的跃迁见图7-7-2的右半部分。我们注意到,退激跃迁中有一部分的状态变成了5S能级中的MF=+2的状态,而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P去的,那些回到其它7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P能级。当光连