光泵磁共振的相关测量 - 复旦大学物理教学实验中心Fudan .DOC

光泵磁共振的相关测量 孙梦超 06301010188 摘要：本实验在不同实验条件下测量了不同的光抽运信号与磁共振信号，并对其产生原因进行了讨论。本实验还用换向法测量了87Rb、85Rb的朗德因子gF以及地磁场水平分量Be||，并测量了两种同位素的共振线宽。 关键词：光抽运、核磁共振、铷、共振线宽 1 实验原理 实验研究的对象是铷的气态自由原子。铷是碱金属原子，在紧束缚的满壳层外只有一个电子。铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。主量子数为n的电子，其轨道量子数L=0，1，……，n-1。基态的L=0， 最低激发态的L=1。电子还具有自旋，电子自旋量子数S=1/2。 由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（既L—S耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。电子轨道角动量PL与其自旋角动量PS的合成电子的总角动量PJ=PL+PS。原子能级的精细结构用总角动量量子数J来标记，J=L+S，L+S-1，…，|L-S|。对于基态， L=O和S=1/2，因此Rb基态只有J=1/2。其标记为52S1/2。铷原子最低激发态是52P3/2及52P1/2。52P1/2态的J=1/2，52P1/2态的J=3/2。5P于5S能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第1条线，为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。52P1/2→52S1/2跃迁产生波长为06.7947A的1D谱线， 5252S1/2跃迁产生波长07800A的2D谱线。 原子的价电子在LS耦合中，其总角动量JP与电子总磁矩Jμ的关系为： μJ =-gJ PJ gJ =1+ gJ是郎德因子，J是电子总角动量量子数，L是电子的轨道量子数，S是电子自旋量子数。 核具有自旋和磁矩。核磁矩与上述电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。这附加分裂称为超精细结构。铷的两种同位素的自旋量子数I是不同的。核自旋角动量PI与电子总角动量PJ耦合成原子的总角动量PF，有PI=PJ+PI。J—I耦合形成超精细结构能级，由F量子数标记，F=I+J、…，|I-J|。87Rb的I=3/2，它的基态J=1/2，具有F=2和F=1两个状态。85Rb的I=5/2，它的基态J=1/2，具有F=3和F=2两个状态。 整个原子的总角动量FP与总磁矩Fμ之间的关系可写为 μF =-gF PF 其中的Fg因子可按类似于求Jg因子的方法算出。 考虑到核磁矩比电子磁矩小约3个数量级，Fμ实际上为Jμ在FP方向上的投影，从而得 gF =gJ gF是对应于μF与PF关系的郎德因子。以上所述都是没有外磁场条件下的情况。 如果处在外磁场B中，由于总磁矩PF与磁场B的相互作用，超精细结构中的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数MF来表示，则MF=F， F-1，…，-F， 2F+1个子能级，其间距相等。μF与B的相互作用能量为： E=-μFB=gFMFμBB 式中Bμ为玻耳磁子。各相邻塞曼子能级的能量差为： ΔE= gF μBB 可以看出ΔE与B成正比。当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来能级。 当用偏振光照射样品时，由于光跃选择定则（ΔF=0，+1，-1；ΔMF=+1，-1），可以使得某个子能级的密度非常密集。实验中，用σ+照射87RB，可使原子集中在F=2，MF=-2的子能级上，即光抽运效应。 在热平衡条件下，任意两个能级E1和E2上的粒子数之比都服从玻耳兹曼分布，式中ΔE=E1? E2是两个能级之差，N1N2分别是两个能级E1、E2上的原子数目，k是玻耳兹曼常数。由于能量差极小，近似地可以认为各子能级上的粒子数是相等的。光抽运增大了粒子布居数的差别，使系统处于非热平衡分布状态。 系统由非热平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程称为驰豫过程。促使系统趋向平衡的机制是原子之间以及原子与其它物质之间的相互作用。在实验过程中要保持原子分布有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回玻耳兹曼分布的趋势。但铷原子与容器壁的碰撞以及铷原子之间的碰撞都导致铷原子恢复到热平衡分布，失去光抽运所造成的碰撞（偏极化）。铷原子与磁性很弱的原子碰撞，对铷原子状态的扰动极小，不影响原子分布的偏极化。因此在铷样品泡中冲入10托的氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度大6个数量级，这样可减少铷原子与容器以及与其它铷原子的碰撞机会，从而保持铷原子分布的高度偏极化。此外，处于52P1/2的原子须与缓冲气体分子碰撞多次才能发生能量转移，由于所发生的过程主要是无辐射跃迁，所以返回到基态中八个塞曼子能级的几率均等，因此缓冲气体分子还有利于粒子更快的被抽运到MF=+2子能级的过程。 在样品上加一射频，当 hv=gFμBB 时可以产生磁共振，并破坏光抽运的其中作用。由此，可以将抽运光作为探测信号，研究磁共振和原子结构。 2 实验内容 1.光抽运波形观察与分析 实验开始时，打开电源开关，并等待样品泡池