玉要南容 一、 实验介绍 二、实验目的 三实验原理 (一)— 铷原子基态和最低激发 态的能级及在磁场中的分裂 四、实验原理 (二) —圆偏振光对铷原子的激发 与光抽运效应 五、实验仪器 十园油大学
主要内容 一、实验介绍 二、实验目的 三、实验原理（一）——铷原子基态和最低激发 态的能级及在磁场中的分裂 四、实验原理（二）——圆偏振光对铷原子的激发 与光抽运效应 五、实验仪器
玉要南容 六、实验原理 (三) 光抽运与磁共振相结合的光 泵磁共振过程 七、实验内容 八、注意事项 九、思考题 中因方油大学
六、实验原理（三）——光抽运与磁共振相结合的光 泵磁共振过程 七、实验内容 八、注意事项 九、思考题 主要内容
一、 实验介绍 光泵磁共振是用光来检测磁共振的一种方法。一般是用射频磁场对 原子或分子加以扰动，观察此时原子或分子对光的吸收（或辐射)及光 的偏振态的变化，从而探查原子和分子结构和运动的详尽情况。 m 偏振光激发 磁共振荧光 +1/2 32P1n -1/2 MM- 0+ +1/2 - 32S1 12 汞原子32P12和32S12能级之间的光泵磁共振跃迁 中网万油大学 HINA LINIVERSITY OP PETROLEOMM
一、实验介绍 光泵磁共振是用光来检测磁共振的一种方法。一般是用射频磁场对 原子或分子加以扰动，观察此时原子或分子对光的吸收（或辐射）及光 的偏振态的变化，从而探查原子和分子结构和运动的详尽情况。 3 2P1/2 3 2S1/2 m +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 p s+ 偏振光激发 磁共振荧光 汞原子3 2P1/2和3 2S1/2能级之间的光泵磁共振跃迁
1925年，E.Ferm等人发现，对水银蒸气施加一时变磁场时，改变磁场 的频率，可以观察到共振荧光的偏振态发生变化，从这些实验中可以得 到激发态的g因子和寿命。 ·1940年以后，射频和微波波谱学领域大发展。 1950年，法国物理学家Alfred Kastler提出了用光泵方法来 研究基态和激发态能级的塞曼和超精细结构，获1966年度 诺贝尔物理学奖。 Alfred Kastler ·1961年，Maiman用光泵的方法实现了粒子数反转，发明了红宝石激光器。 光泵磁共振可以用来测量原子分子超精细结构、超精细塞曼分裂、核磁 矩、核自旋、激发态结构、自旋-晶格弛豫等等，已经成为原子分子物理学 的一种重要的实验技术手段
• 1940年以后，射频和微波波谱学领域大发展。 • 1950年，法国物理学家Alfred Kastler提出了用光泵方法来 研究基态和激发态能级的塞曼和超精细结构，获1966年度 诺贝尔物理学奖。 Alfred Kastler • 1961年，Maiman 用光泵的方法实现了粒子数反转，发明了红宝石激光器。 光泵磁共振可以用来测量原子分子超精细结构、超精细塞曼分裂、核磁 矩、核自旋、激发态结构、自旋-晶格弛豫等等，已经成为原子分子物理学 的一种重要的实验技术手段。 • 1925年，E. Fermi等人发现，对水银蒸气施加一时变磁场时，改变磁场 的频率，可以观察到共振荧光的偏振态发生变化，从这些实验中可以得 到激发态的g因子和寿命
二、实验目的 本实验观测的是铷原子的光泵磁共振现象。天然铷的同位素有两种： 87Rb,占27.85%；5Rb,占72.15%。本实验研究激发态52P12与基态52S1n 之间的光泵磁共振现象。 【实验目的】 1.理解光抽运的基本原理，观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构 的理解。 2.理解光泵磁共振的基本原理，掌握测量光泵磁共振信号的实验方法和技术。 3.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。 4.学会测量地磁场的光泵磁共振方法。 中网方油大学 HINA LNIVERSITY OP PETROLEOM
本实验观测的是铷原子的光泵磁共振现象。天然铷的同位素有两种： 87Rb，占27.85 %；85Rb，占72.15%。本实验研究激发态5 2P1/2与基态5 2S1/2 之间的光泵磁共振现象。 二、实验目的 1．理解光抽运的基本原理，观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构 的理解。 2．理解光泵磁共振的基本原理，掌握测量光泵磁共振信号的实验方法和技术。 3．观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。 4．学会测量地磁场的光泵磁共振方法。 【实验目的】
【预习要求】 1.铷原子的能级结构如何？ 2.什么是光抽运？入射到铷原子上的光是什么偏振光？ 如何获得这种偏振光？ 3.什么是光泵磁共振？光泵磁共振满足什么条件？ 4.如何测定洳原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子？ 5.如何测量地磁场的大小？ 中网万油大学 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEDM
1．铷原子的能级结构如何？ 2．什么是光抽运?入射到铷原子上的光是什么偏振光？ 如何获得这种偏振光？ 3．什么是光泵磁共振？光泵磁共振满足什么条件？ 4．如何测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子？ 5．如何测量地磁场的大小？ 【预习要求】
三、实验原理 (一)一铷原子基态和最低激发态 的能级及在磁场中的分裂 ①原子的总磁矩 ·电子轨道运动与自旋运动的耦合(LS耦合) 磁矩：4=8，P、4=8 8,=1+☑+)-L(L+1)+SS+1) 2jU+1) 玻尔磁子：= he 4πm =9.274009682×10-24JT-1 电子轨道运动与自 旋运动的耦合 油大学 CSIY OF PETROLEO
①原子的总磁矩 • 电子轨道运动与自旋运动的耦合（LS耦合） 电子轨道运动与自 旋运动的耦合 磁矩： ( 1) ( 1) ( 1) 1 2 ( 1) j j j L L S S g j j + − + + + = + + = 4 B he m p =9.274009682×10−24J·T −1 玻尔磁子： 三、实验原理（一）——铷原子基态和最低激发态 的能级及在磁场中的分裂 , 2 B j j j j j e g g j m = − = h P
·电子运动与核自旋运动的耦合（耦合） 对于核自旋量子数0的原子核，核自旋角动量P和核外电子的角动 量P将耦合成一个更大的角动量PF。 Pr=P+P 原子总磁矩为：4，=一82 e Pe:Hg=-EF2m eF F(F+1)+J(J+1)-I(I+1) 8F=8J 2F(F+1) F为原子总角动量量子数，F=+J,I+J一1，.，业一。由F量子数表征 的能级称为超精细结构能级。 中网石油大学 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEDM
• 电子运动与核自旋运动的耦合(JI耦合） 对于核自旋量子数I≠0的原子核，核自旋角动量PI和核外电子的角动 量PJ 将耦合成一个更大的角动量PF。 P P P F J I = + 原子总磁矩为： , 2 2 F F F F F e e e e g g F m m = − = − P 2 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) + + + + − + = F F F F J J I I g F gJ F为原子总角动量量子数，F=I+J，I+J－1，.，|I－J|。由F量子数表征 的能级称为超精细结构能级
②铷原子的超精细结构能级在磁场中的塞曼分裂 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=-4e·B=8F2 ePe·B=8r2m e MghB=grMFHpB M是P在外磁场方向上分量的量子数，共有2F+1个值： ME=-F,-F+1,.,F-1,F 每一个超精细结构能级都将会产生塞曼分裂。 相邻塞曼子能级间的能量差为 △EM=8FsB 中网万油大学 HINA LNIVERSITY OP PETROLEOM
②铷原子的超精细结构能级在磁场中的塞曼分裂 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： 2 2 F F F F F F F B e e e e E g g M B g M B m m = − = = = B P B h MF 是PF在外磁场方向上分量的量子数，共有2F＋1个值： MF ＝－F，－F＋１，.，F－１，F 每一个超精细结构能级都将会产生塞曼分裂。 EM gF B B F 相邻塞曼子能级间的能量差为 =
1=3/2 MF /=5/2 Me 52p32 52p32 5P F=2 5P F=3 52P12 52P12 F-2 0 -1 D +2 F=2 D F-3 5S12 5S 5S12 8210.23210128210123210.2 F-1 F=2 -1 精细结构 超精细 塞曼分裂 精细结构 超精细 塞曼分裂 LS耦合 结构 LS耦合 结构 J耦合 J耦合 (a)87Rb (b)85Rb 铷原子能级示意图 中网万油大学 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEDM
铷原子能级示意图