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:87Rb占 2785%,85Rb占72.15% 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。 实验目的: 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g因子及地磁场的大小 二.实验原理: 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,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=1/2(LS耦合 在L一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=l/2,电子的总角动量JL+S和L-S,即J=3/2 和/2,形成双重态:5Pm和5P,这两个状态的能量不相等,产生精细 分裂。因此,从5P到5的跃迁产生双线,分别称为D1和D2线,它们的 波长分别是7948m和7800nm(见图77-1) 通过L—S耦合形成了电子的总角动量P,与此相联系的核外电子的 总磁矩山为: gJ 2m 其中 8=/×J(J+1)-L(L+1)+S(S+1) 2J(J+1) 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P1和核 外电子的角动量P耦合成一个更大的角动量,用符号Pp表示,其量子数
1 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：87Rb 占 27.85 %，85Rb 占 72．15%。 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。 一．实验目的： 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 F g 因子及地磁场的大小。 二．实验原理： 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 5 2S1/2， 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：5 2 P1/2 和 5 2 P3/2，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，它们的 波长分别是 794.8nm 和 780.0nm（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J为： J J PJ m e g 2 = − 其中 2 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) 1 + + − + + + = + J J J J L L S S gJ 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 P =P,+ 与此角动量相关的原子总磁矩为 其中 F-g F(F+)+J(+1)-(+1) 2F(F+1) 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 E=-HFB=8FP.b=gFoMehb=gFMeuBB 2m 其中山B=如=92741×10-24/7-称为玻尔磁子,M是P的第三分量 的量子数,Mp=-F,一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M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 △E=gFHB 我们来看一下具体的分裂情况。8Rb的核自旋=3/2,85Rb的核自 璇Ⅰ=5/2,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8Rb的分裂(如图7-7-1所示)
2 用 F 表示，则 PF PJ PI = + 与此角动量相关的原子总磁矩为 F F PF m e g 2 = − 其中 2 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) + + + + − + = F F F F J J I I g F gJ 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 M B g M B m e P B g m e E F B g F F = F F = F F B = − • = • 2 2 其中 m e B 2 = 24 1 9.2741 10− − = JT 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 E = gF B B 我们来看一下具体的分裂情况。87Rb 的核自旋 I = 3/ 2 ，85Rb 的核自 璇 I = 5/ 2 ，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）
M F=3/2 5P32 F=2 52p -1 F=1 F=2 +1 0 F=1 0 精细结构 超精细结构 在弱磁场下 LS耦合 JI耦合 塞曼分秘 图7-7-1"Rb原子能级超精细分裂 对于电子态52S12,角动量P与角动量P1耦合成的角动量P有两个量 子数:F=+J和,即F=2和l 同样,对于电子态5P,耦合成的角动量P也有两个量子数:F= 2和1。对于电子态52P,耦合后的角动量PF有四个量子数:F=3,2 我们可以画出原子在磁场中的超精细分裂情况,如图77-1所示。由 于实验中D2线被滤掉,所涉及的52Pn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Dσ(左旋圆偏振光) 光通过并照射到铷原子蒸气上,观察铷蒸气D1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52S2分列出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布;同样,由52P1n2 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Dσ光实际
3 图 7-7-1 87Rb 原子能级超精细分裂 对于电子态 5 2S1/2，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 5 2P1/2，耦合成的角动量 PＦ也有两个量子数：Ｆ＝ ２和１。对于电子态５２ P3/2，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 5 2P3/2 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： k T E total B e N N 1 1 − = 由 5 2S1/2 分列出的 8 条子能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由 5 2P1/2 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Do光的吸收遵守如下的选择定则 △L=±1 △F=±1,0:△MF=+1 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图,如图7-7-2所示。 F=2 sPin 0 F=1 图7-7-28Rb原子对D/o·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M=+2的子能级外,都可以 吸收D1σ光而跃迁到5P的有关子能级,M=+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 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 △F=±1.0 △MF=±1,0 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M=+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。当光连续照着,跃迁5S→>5P→5S→>5P→…这样的过 程就会持续下去。这样,5S态中MF=+2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
4 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 L = 1 F = 1,0 ； MF = +1 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： F = 1,0 ； MF = 1,0 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。当光连续照着，跃迁 5S → 5P → 5S → 5P →…这样的过 程就会持续下去。这样，5S 态中 MF = +2 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迁到了5S态的M=+2的子能级上, 其余7个子能级上的原子数少到如此程度,以至于没有几率吸收光,光强 测量值不再发生变化 通过以上的考察可以得出这样的结论:在没有Dσ光照射时,5S态 上的8个子能级几乎均匀分布着原子,而当Dd光持续照着时,较低的7 个子能级上的原子逐步被“抽运”到M=+2的子能级上,出现了“粒子 数反转”的现象 在“粒子数反转”后,如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向 上加一射频振荡的磁场,并且调整射频频率ν,使之满足 hv=gRuBB 这时将出现“射频受激辐射”,在射频场的扰动下,处于MF=+2子能级上 的原子会放出一个频率为v、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而 跃迁到M=+1的子能级,M=+2上的原子数就会减少;同样,M=+1子 能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到Ms=0的子能级上……如此 下去,5S态的上面5个子能级很快就都有了原子,于是光吸收过程重又开 始,光强测量值又降低:跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S 态的最下面的3个子能级上,所以,用不了多久,5S态的8个子能级上全 有了原子。由于此时M=+2子能级上的原子不再能久留,所以,光跃迁 不会造成新的“粒子数反转”。 通过以上的分析得到了如下的结论 处于静磁场中的铷原子对偏振光D1σ'的吸收过程能够受到一个射频 信号的控制,当没有射频信号时,铷原子对D1o光的吸收很快趋于零,而 当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号(即公式(1)成立) 时又引起强烈吸收。根据这一事实,如果能让公式(1)周期性成立,则可 以观察到铷原子对D1σ光的周期性吸收的现象。实验中是固定频率ν而采 用周期性的磁场B来实现这一要求的,称为“扫场法”。 、光磁共振的观察 扫场法”采用的周期性信号一般有两种:方波信号和三角波信号 方波信号用于观察“光抽运”过程,三角波信号用于测量有关参数。在加 入了周期性的“扫描场”以后,总磁场为: Brotal=Bpc+Bs+Bey 其中BDc是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场,方向 在水平方向,B是地球磁场的水平分量,这两部分在实验中不变;Bs是周 期性的扫描场,也是水平方向的。地球磁场的垂直分量被一对线圈的磁场 所抵消
5 来越弱，最后，差不多所有的原子都跃迁到了 5S 态的 MF=+2 的子能级上， 其余 7 个子能级上的原子数少到如此程度，以至于没有几率吸收光，光强 测量值不再发生变化。 通过以上的考察可以得出这样的结论：在没有 D1σ +光照射时，5S 态 上的 8 个子能级几乎均匀分布着原子，而当 D1σ +光持续照着时，较低的 7 个子能级上的原子逐步被“抽运”到 MF=+2 的子能级上，出现了“粒子 数反转”的现象。 在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场 B 和垂直于光传播方向 上加一射频振荡的磁场，并且调整射频频率 ν，使之满足 h = gF B B （1） 这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于 MF=+2 子能级上 的原子会放出一个频率为 ν、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而 跃迁到 MF=+1 的子能级，MF=+2 上的原子数就会减少；同样，MF=+1 子 能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到 MF=0 的子能级上……如此 下去，5S 态的上面 5 个子能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开 始，光强测量值又降低；跃迁到 5P 态的原子在退激过程中可以跃迁到 5S 态的最下面的 3 个子能级上，所以，用不了多久，5S 态的 8 个子能级上全 有了原子。由于此时 MF=+2 子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁 不会造成新的“粒子数反转”。 通过以上的分析得到了如下的结论： 处于静磁场中的铷原子对偏振光 D1σ +的吸收过程能够受到一个射频 信号的控制，当没有射频信号时，铷原子对 D1σ +光的吸收很快趋于零，而 当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号（即公式（1）成立） 时又引起强烈吸收。根据这一事实，如果能让公式（1）周期性成立，则可 以观察到铷原子对 D1σ +光的周期性吸收的现象。实验中是固定频率 ν 而采 用周期性的磁场 B 来实现这一要求的，称为“扫场法”。 3、光磁共振的观察 “扫场法”采用的周期性信号一般有两种：方波信号和三角波信号。 方波信号用于观察“光抽运”过程，三角波信号用于测量有关参数。在加 入了周期性的“扫描场”以后，总磁场为： Btotal=BDC+BS+Be∕∕ 其中 BDC 是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场，方向 在水平方向，Be∕∕是地球磁场的水平分量，这两部分在实验中不变；BS 是周 期性的扫描场，也是水平方向的。地球磁场的垂直分量被一对线圈的磁场 所抵消
1)用方波观察“光抽运” 将直流磁场BDc调到零,加上方波扫场信号,其波形见图7-7-3,它 是关于零点对称的。 光抽运 扫场↑ 「 图7-7-3“光抽运”的形成和波形 在方波刚加上的瞬间,样品泡内铷原子5S态的8个子能级上的原子数 近似相等,即每个子能级上的原子数各占总原子数的18,因此,将有78 的原子能够吸收Dσ光,此时对光的吸收最强,探测器上接受的光信号最 弱。随着原子逐步被“抽运”到M=+2的子能级上,能够吸收Dσ光的 原子数逐渐减少,透过样品泡的光逐渐增强。当“抽运”到MF=+2子能 级上的原子数达到饱和,透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化。当 “扫场”过零并反向时,各子能级简并,原来是M=+2的原子,通过碰 撞,自旋方向混杂而使各个自旋方向上的原子数又接近相等,当“扫场” 反向、铷原子各子能级重新分裂以后,对Dσ光的吸收又达到了最大。 2、三角波观察光磁共振 调节直流磁场Bc至某个值,加上三角波“扫场”信号和射频信号, 通过调节“扫场”幅度和射频信号的频率,可以观察到如图7-7-4所示的 光磁共振信号 6
6 1）用方波观察“光抽运” 将直流磁场 BDC调到零，加上方波扫场信号，其波形见图 7-7-3，它 是关于零点对称的。 图 7-7-3 “光抽运”的形成和波形 在方波刚加上的瞬间，样品泡内铷原子 5S 态的 8 个子能级上的原子数 近似相等，即每个子能级上的原子数各占总原子数的 1/8，因此，将有 7/8 的原子能够吸收 D1σ +光，此时对光的吸收最强，探测器上接受的光信号最 弱。随着原子逐步被“抽运”到 MF=+2 的子能级上，能够吸收 D1σ +光的 原子数逐渐减少，透过样品泡的光逐渐增强。当“抽运”到 MF=+2 子能 级上的原子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化。当 “扫场”过零并反向时，各子能级简并，原来是 MF=+2 的原子，通过碰 撞，自旋方向混杂而使各个自旋方向上的原子数又接近相等，当“扫场” 反向、铷原子各子能级重新分裂以后，对 D1σ +光的吸收又达到了最大。 2、三角波观察光磁共振 调节直流磁场 BDC至某个值，加上三角波“扫场”信号和射频信号， 通过调节“扫场”幅度和射频信号的频率，可以观察到如图 7-7-4 所示的 光磁共振信号
芸振 图7-7-4光磁共振的信号图像I 在光磁共振实验中,一个重要的任务是测量gF因子,为此提出如 下方法: 在某个射频v下调出光磁共振信号(类似于图7-7-4),通过交替 调节BDc和“扫场”信号,使共振信号的谷点对应“扫场”信号的峰点或 谷点,如图7-7-5所示。 报 图7-7-5光磁共振的信号图像Ⅱ 当光磁共振发生时,满足量子条件 hv=geo(Boc +Bs+bo) 通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转,此时可能观察不到共 振信号。调节射频的频率,又可以看到共振信号,并调到如图7-7-6所示 的状态,记下射频的频率v2,则有如下的量子条件成立 -hv2=gFAB(Boc +Bs+b of) (3)
7 图 7-7-4 光磁共振的信号图像Ⅰ 在光磁共振实验中，一个重要的任务是测量 gF 因子，为此提出如 下方法： 在某个射频 ν1 下调出光磁共振信号（类似于图 7-7-4），通过交替 调节 BDC和“扫场”信号，使共振信号的谷点对应“扫场”信号的峰点或 谷点 ，如图 7-7-5 所示。 图 7-7-5 光磁共振的信号图像Ⅱ 当光磁共振发生时，满足量子条件： h 1 = gF B (BDC + BS + B e∕∕) (2) 通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可能观察不到共 振信号。调节射频的频率，又可以看到共振信号，并调到如图 7-7-6 所示 的状态，记下射频的频率 ν2，则有如下的量子条件成立： − h 2 = g F B (−BDC + BS + B e∕∕) (3)
光磁甚振 图7-7-6光磁共振信号图像Ⅲ 由(2)、(3)式得 h (v, +v,) 2u. B 直流磁场BDc可以通过读出两个并联线圈的电流之和Ⅰ来计算(亥姆霍兹 线圈公式) B 16I 式中N和r是两个水平线圈的匝数和有效半径,因为两个线圈是并联的, 数字表显示的I值是流过两个线圈的电流之和。 以上介绍的是针对样品只存在一种原子的情况,事实上,样品中同时 存在87Rb和85Rb,所以,一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁 共振信号,当改变射频信号频率时二者是交替出现的。对每一种原子造成 的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其gF因子。我们要注意,gF因子 的值不仅与原子有关,而且还与量子数F的值有关。不难看出,我们测量 的是87Rb的5态中F=2的g因子,而对于8Rb来讲,我们测量的是F=3 的gF因子。我们能依据gF因子的值来判断共振信号是哪一种原子引起的, 因为两种原子的gF因子之比为 2(2+)+(1+)-1(1+)/33+1)+(1 8F( 2×3×(3+1) 在光磁共振实验中,我们还能测量到地球磁场的水平分量B的值,这为光 磁共振提供了另一个应用,方法如下:在测量出gF因子之后,在(2)式 的基础上,同时将BDc和Bs倒向,调节射频的频率至v3,出现如图7-7-7 所示的信号,则有如下量子条件成立
8 图 7-7-6 光磁共振信号图像Ⅲ 由（２）、（3）式得： B DC F B h g 2 ( ) 1 + 2 = （4） 直流磁场 BDC可以通过读出两个并联线圈的电流之和 I 来计算（亥姆霍兹 线圈公式） 7 3 / 2 10 5 16 − = r NI BDC （T） 式中 N 和ｒ是两个水平线圈的匝数和有效半径，因为两个线圈是并联的， 数字表显示的Ｉ值是流过两个线圈的电流之和。 以上介绍的是针对样品只存在一种原子的情况，事实上，样品中同时 存在 87Rb 和 85Rb，所以，一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁 共振信号，当改变射频信号频率时二者是交替出现的。对每一种原子造成 的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其 gF 因子。我们要注意，gF 因子 的值不仅与原子有关，而且还与量子数 F 的值有关。不难看出，我们测量 的是 87Rb 的 5S 态中 F=2 的 gF 因子，而对于 85Rb 来讲，我们测量的是 F=3 的 gF 因子。我们能依据 gF 因子的值来判断共振信号是哪一种原子引起的， 因为两种原子的 gF 因子之比为： 2 3 2 3 (3 1) ) 2 5 (1 2 5 ) 2 1 (1 2 1 3(3 1) 2 2 (2 1) ) 2 3 (1 2 3 ) 2 1 (1 2 1 2(2 1) ( ) ( ) 85 87 = + + + + − + + + + + − + = g Rb g Rb F F 在光磁共振实验中，我们还能测量到地球磁场的水平分量 Be∕∕的值，这为光 磁共振提供了另一个应用，方法如下：在测量出 gF 因子之后，在（2）式 的基础上，同时将 BDC和 BS 倒向，调节射频的频率至 ν3，出现如图 7-7-7 所示的信号，则有如下量子条件成立
hva=gelo(Boc-bs+bo) 图7-7-7测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像 由(2)式加(6)式得 h(v1-v3) BoF2gFpg (7) 三.实验装置 本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器 五部分组成。见图7-7-8: 鼾偕号 辅助源 士单元 不鼓瑟 士电源 图7-7-8光磁共振实验装置方框图 其中射频信号发生器提供频率和幅度可调的射频(功率)信号;主电 源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励磁电源:辅助源提供水平磁场调 制信号(10Hz方波和20Hz三角波,调制电流的方向可颠倒)以及对样品 室的温度进行控制等;主体单元的各组成部分装在一光具座上,包括铷光 源、光学变换器件、光探测器、样品室和水平及垂直磁场线圈等。样品室 是一个封装了铷原子饱和气体的玻璃泡,其中还混有浓度比铷蒸气浓度高 几个数量级的所谓“缓冲气体”,例如N2或Ne等无分子磁矩的气体,以 减缓极化的铷的退极化过程。现只将主体单元画在图7-7-9中
9 − h 3 = gF B (−BDC − BS + B e∕∕) (6) 图 7-7-7 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像 由（2）式加（6）式得： Be∕∕= g F B h 2 ( ) 1 − 3 （7） 三．实验装置： 本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器 五部分组成。见图 7-7-8： 图 7-7-8 光磁共振实验装置方框图 其中射频信号发生器提供频率和幅度可调的射频（功率）信号；主电 源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励磁电源；辅助源提供水平磁场调 制信号（10HZ 方波和 20HZ 三角波，调制电流的方向可颠倒）以及对样品 室的温度进行控制等；主体单元的各组成部分装在一光具座上，包括铷光 源、光学变换器件、光探测器、样品室和水平及垂直磁场线圈等。样品室 是一个封装了铷原子饱和气体的玻璃泡，其中还混有浓度比铷蒸气浓度高 几个数量级的所谓“缓冲气体”，例如 N2 或 Ne 等无分子磁矩的气体，以 减缓极化的铷的退极化过程。现只将主体单元画在图 7-7-9 中
水平磁场线圈 射频图 干沙语光镜 偏振片 至示被器 1/4被片 垂直磁场就图 图7-7-9主体单元示意图 四.实验内容与方法: 1、观测光抽运信号: 1)将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小,接通主电源 开关和池温开关,约30分钟后,灯温、池温指示灯点亮,实验装置进入工 作状态 2)扫场方式选择“方波”,调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上 边,改变扫场的方向,设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反,然后将 指南针拿开。 3)预置垂直场电流为0.07A左右,用来抵消地磁场垂直分量,然后调 节扫场幅度、垂直场大小和方向,使光抽运信号幅度最大。记下垂直场电 流的数值 2、观测光磁共振信号 1)扫场方式选择“三角波”,将水平场电流预置为0.16A,并使水平 磁场方向、地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针来判断),垂直场的 大小和方向保持(一)状态。调节射频信号发生器频率,可观察到共振信号 读出频率w及对应的水平场电流I 2)按动水平场方向开关,使水平场方向、与地磁场水平分量和扫场 方向相反。仍用上述方法,可得到v,则利用公式(4)可求出gF因子 3、测量地磁场 1)同测gF因子方法类似,先使扫场和水平场与地磁场水平分量方 向相同,测得v: 2)再按动扫场及水平场方向开关,使扫场、水平场方向与地磁场水 平分量方向相反,又得到v。这样由(7)式可得地磁场水平分量Bn,并 根据B=(B22+B412)“2可得到地磁场的大小 3)垂直磁场由下式计算 327NI B 5/r×10(T)
10 图 7-7-9 主体单元示意图 四．实验内容与方法： 1、观测光抽运信号： 1）将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，接通主电源 开关和池温开关，约 30 分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工 作状态。 2）扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上 边，改变扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将 指南针拿开。 3）预置垂直场电流为 0.07A 左右，用来抵消地磁场垂直分量，然后调 节扫场幅度、垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。记下垂直场电 流的数值。 2、观测光磁共振信号 1）扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为 0.16A，并使水平 磁场方向、地磁场水平分量和扫场方向相同（由指南针来判断），垂直场的 大小和方向保持(一)状态。调节射频信号发生器频率，可观察到共振信号， 读出频率 ν1 及对应的水平场电流 I。 2）按动水平场方向开关，使水平场方向、与地磁场水平分量和扫场 方向相反。仍用上述方法，可得到 ν2，则利用公式（4）可求出 gF 因子。 3、测量地磁场 1）同测 gF 因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方 向相同，测得 ν1； 2）再按动扫场及水平场方向开关，使扫场、水平场方向与地磁场水 平分量方向相反，又得到 ν3。这样由（7）式可得地磁场水平分量 Be // ，并 根据 Be =（ Be // 2 + Be⊥ 2） 1/2 可得到地磁场的大小。 3）垂直磁场由下式计算 7 3 / 2 10 5 32 − = r NI BDC （T）
