文档介绍：一、实验目的
-磁共振-光检测的实验原理及实验方法;
,分子能级的超精细结构;
,测定电磁场的水平分量。
二、实验原理:

铷(Z=37)是一价金属元素,天然铷中含量大的同位素有两种:87Rb, %和85Rb,%。它们的基态都是52S1/2。
图B4-1 Rb原子精细结构的形成
在L—S耦合下,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B4-1所示,。
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为
(B4-1)
式中
(B4-2)
是著名的朗德因子,me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。核角动量和核外电子的角动量耦合成一个更大的角动量,用符号表示,其量子数用F表示,则
(B4-3)
与此角动量相关的原子总磁矩为
(B4-4) 式中
(B4-5)
是对应于与关系的朗德因子。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
(B4-6)
其中称为玻尔磁子,是在外场方向上分量的量子数,共有2F+1个值。可以看到,原子在磁场中的附加能量E随变化,原来对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
(B4-7)
再来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋,85Rb的核自旋,因此,两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例,介绍超精细分裂的情况,可以对照理解85Rb的分裂。

图B4-2 原子能级超精细分裂

原子在磁场中的超精细分裂情况如图B4-2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。

实验中已对铷光源进行了滤光和变换,只让D1σ+光(左旋圆偏振光)通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上,铷蒸气将对D1σ+光产生吸收而发生能级间的跃迁。
需要指出的是
(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
(B4-8)
由52S1/2分裂出的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。
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B4-3所示。
图B4-3 87Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁
可以看到,跃迁选择定则是
;
跃迁见图B4-3的右半部分。当光连续照着,跃迁5S5P5S5P…这样的
过程就会持续下去。这样,5S态中子能级上的原子数就会越积越多,而其余7个子能级上的原子数越来越少,相应地,对D1σ+光的吸收越来越弱,最后,差不多所有的原子都跃