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近代物理实验报告
光磁共振实验

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时 间 2014年3月22日

光磁共振实验 实验报告

【摘要】：
本实验以光抽运的方法来研究气态原子基态及激发态的精细结构和超精细结构塞曼能级间的磁共振。在加深对原子超精细结构的理解的基础上，使用DH807A型光磁共振实验装置观察光抽运信号，以此来测定铷原子(85Rb，87Rb)的超精细结构塞曼子能级的朗德因子（g）。
【关键词】：光抽运、光磁共振、铷原子、超精细结构、朗德因子
【引言】：
波谱学方法利用物质的微波或射频共振，来研究原子的精细、超精细结构以及在外
加磁场中分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学有更高的分辨率。1950年法国物理学家
A.Kastler等人提出光抽运技术，提高了探测信号的灵敏度。这种光轴运——磁共振——光
探测技术，其灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。这种方法很快就发展成为研究
原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、
能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质
间相互作用的了解。为此，Kastler荣获了1966年度的诺贝物理奖。
【正文】：
一、实验原理
1、能级分裂
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。它们的基态都是52S1/2， 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：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，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm。
   原子的价电子在LS耦合中，总角动量PJ与总磁矩μJ的关系为

其中,称为郎德因子，m是电子质量，e是电子电量。核具有自旋和磁矩，核磁矩与上述电子的总磁矩相互作用会造成能级的进一步分裂，称为超精细结构。
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

与此角动量相关的原子总磁矩为
其中

在有外磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，由于总磁矩与磁场B的相互作用，超精细结构中的各能级会进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级，使原子产生附加的能量：

其中称为玻尔磁子，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，
在磁场中，铷原子的超精细结构会产生塞曼分裂。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：
2、光的抽运
气态原子87Rb受具有角动量的左旋圆偏振光照射时，处于磁场环境中的铷原子对光的吸收遵从跃迁选择定则
；
在由能级到能级的激发跃迁中，由于光子的角动量为只能产生的跃迁。因此，基态中子能级上的粒子就不能向上跃迁，
在由到的向下跃迁中（发射光子），，各子能级上的跃迁都是允许的。经过多次上下跃迁，基态中子能级上的粒子数只增不减，这样就增大了粒子布居数的差别。这种非平衡分布称为粒子数偏极化。类似地，也可以用右旋圆偏振光照射样品，最后粒子都分布在基态的子能级上。原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子数增多，称为光抽运。光抽运的目的是要造成基态能级中粒子数的偏极化，实现了粒子数的偏极化后就可以在子能级间进行磁共振跃迁实验了。
3、磁共振和光检测
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

这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于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的子能级，上的原子数就会减少；同样，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”。
粒子产生共振跃迁必然造成偏激化状态被破坏，从而会增大对光的吸收，透过样品泡的光必然减弱，只要检测透射光的强弱变化即保检测到共振信号，光一方面起到光抽运作用，同时又起到检测共振信号的作用。光信号检测的方法巧妙地把一个频率很低的射频率量子转换为一个频率很高的光频量子的变化，使信号的功率提高了7-8个数量级，大大提高了信号的强度。
二、 实验装置
主体示意图如下所示

三、 实验内容
0. 准备
在实验正式开始前应先认真熟悉仪器，并检查各连线是否正确
预热：将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下池温开关。然后接通电源线，按下电源开关。约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。
1. 观察光抽运信号
扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。预置垂直场电场电流为0.07A左右，用来抵消地磁场垂直分量，调节扫场幅度垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大，如下所示。

2.观测g因子（本实验用扫场法）
扫场方式选择“三角波”，将水平电流预置0.2A左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同（也可不判断方向，一垂直一水平平均后即可消掉，对结果无影响）。
保持扫场幅度不变，调节水平场（垂直场）电流I，直到观察到4个共振信号（两个大两个小为一周期变化）方为合适的，同时大的信号应与光抽运信号差不多，而小的信号为大的三分之一左右（由自然界铷原子数量决定）。
读出前一个大的与小的信号并记录当时频率（6/7百频率为宜），根据算出g因子（代入数据后为）。
与理论g因子比较并算出误差，分析原因。（理论85Rb：1/3，87Rb：1/2）

四、 实验数据
1.观察光抽运信号结果如下图所示：

2. 测量g因子数据

频率v
电流I（A）
铷原子
87Rb（大信号）
85Rb（小信号）
v=0.79281MHz
按下
0.216
按下
0.336
0.308
0.429
弹起
0.174
弹起
0.299
0.262
0.385
平均值
0.195
平均值
0.3175
v=0.760MHz
按下
0.134
按下
0.263
0.241
0.360
弹起
0.215
弹起
0.340
0.326
0.437
平均值
0.1745
平均值
0.3015
注：表格中平均值均取第一次信号。按下、弹起只表示垂直于平行地磁场分量（由于仪器原因方向要看实际测量）
计算g因子：
v=0.79281MHz时，代入后得出：85Rb：0.626，87Rb：0.3845
v=0.760MHz时，代入后得出：85Rb：0.67，87Rb：0.388
注：由于实际条件及时间原因，我们小组只做了两组数据。
3. 误差分析
根据理论85Rb：1/3，87Rb：1/2，分别计算实验误差如下：
；
；
从以上数据分析我们不难发现实验误差很大，那么是什么原因造成的呢？
个人认为主要有以下几个原因：
1. 调节电流时读数误差；
2. 水平场与扫场间的磁场未完全抵消；
3. 实验使用的信号发生源不稳定；
4. 外界磁性等物质的干扰；
5. 实验本身误差。
五、 分析总结
光磁共振实验利用光探测方法有效提高了磁共振的探测灵敏度，本实验的利用光泵抽运的方法探究了气态原子基态的磁共振。通过实验，对于气态原子的塞曼效应有了一种有效的测量观察方法。在实验中如何仔细调节电流观察示波器波形等基础知识显得尤为重要，这告诫我们一定要牢固掌握基础知识。同时，该实验消除地磁场影响的方法与思路也值得我们学习。