文档介绍:光泵磁共振实验
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光泵磁共振实验又称光磁共振实验。光泵磁共振的基本思想是法国物理学家卡斯特勒()在50年代提出,它利用光抽运(Optical Pumping)效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。本实验通过观察光抽运信号和磁共振信号, 测量g因子,加深对原子态、光抽运、磁共振、布居数差、圆偏振光、超精细结构等物理概念和物理规律的理解。光抽运磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段,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应用。卡斯特勒也因此荣获1966年诺贝尔物理学奖。
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本实验目的是:了解光泵磁共振的实验原理,通过实验加深对铷原子(Rb)超精细结构、光抽运及磁共振的理解。测量铷(Rb)原子的gF因子及地磁场的大小。
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实验原理
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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。
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,, 如图所示。
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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:
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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:
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:
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我们来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋,87Rb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:
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精细结构 超精细结构 塞曼分裂
87Rb原子能级超精细分裂
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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,如图所示。
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