铷原子的光泵磁共振 实验报告

一、实验概述光泵磁共振实验是一种重要的物理实验，通过观察原子在特定磁场和光场作用下的能级跃迁，研究原子能级结构、磁共振现象以及光抽运效应等。

本次实验采用DH807型光泵磁共振实验装置，通过观察铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号，加深对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，并测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。

二、实验目的1. 观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。

2. 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。

3. 学会利用光磁共振的原理和实验方法，提高实验技能。

三、实验原理光泵磁共振实验基于以下原理：1. 光抽运效应：当原子处于激发态时，吸收特定频率的光子，原子会跃迁到更高能级。

通过调节光场强度，可以使原子处于高能级状态的粒子数增加。

2. 磁共振：当原子处于特定磁场中，能级发生塞曼分裂。

通过调节磁场强度，可以使原子能级发生跃迁，产生磁共振现象。

3. 光泵磁共振：光泵磁共振实验中，利用光抽运效应和磁共振原理，观察原子能级跃迁和磁共振信号。

四、实验结果与分析1. 光抽运信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的光抽运信号。

通过调节光场强度和频率，可以观察到不同能级跃迁的光抽运信号。

这表明光抽运效应在实验中得到了充分体现。

2. 磁共振信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的磁共振信号。

通过调节磁场强度，可以观察到不同能级跃迁的磁共振信号。

这表明磁共振现象在实验中得到了充分体现。

3. 塞曼子能级朗德因子测定根据实验数据，我们计算了铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。

实验结果显示，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合。

五、实验结论1. 通过本次实验，我们成功地观察到了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，验证了光泵磁共振实验的原理。

2. 实验结果表明，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合，表明实验具有较高的准确性。

3. 通过本次实验，我们加深了对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，提高了实验技能。

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：实验B4 光泵磁共振【实验目的】1．观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。

2．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。

3．学会利用光磁共振的方法测量地磁场。

【实验原理】一．铷原子基态和最低激发态的能级铷（Z =37）是一价金属元素，基态轨道量子数L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数J =1/2，因而它们的基态都是52S 1/2。

通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩J μ为 2J JJ eeg P m μ=- （B4-1） 式中)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J （B4-2）是著名的朗德因子，m e 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I P 和核外电子的角动量J P 耦合成一个更大的角动量，用符号 F P 表示，其量子数用F 表示，则I J F P P P+= （B4-3）与此角动量相关的原子总磁矩为2F FF eeg P m μ=- （B4-4） 式中图B4-1 Rb 原子精细结构的形成)1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF （B4-5）F g 是对应于F μ与F P 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22F FF F F F F B e ee e E B g P B g M B g M B m m μμ=-⋅=⋅== （B4-6） 其中2B eem μ=124102741.9--⨯=JT 称为玻尔磁子，F M 是F P 在外场方向上分量的量子数，F M ＝－F ，－F ＋１，…F －１，F ，共有2F ＋1个值。

可以看到，原子在磁场中的附加能量E 随F M 变化，原来对F M 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B g E B F μ=∆ （B4-7） 再来看一下具体的分裂情况。

光泵磁共振实验报告姓名：学号：专业：光电子一、实验背景光磁共振是光抽运和射频磁共振相结合的一种双共振过程，是用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。

双共振技术是由诺贝尔物理学奖获得者A.Kastlor于20世纪50年代提出的。

该技术既保存了磁共振高分辨的特点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级，是研究原子、分子高激发态的精密测量的有力工具，因此在激光物理、量子频标、弱磁场探测等方面都有重要应用价值。

二、实验目的1通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识；2掌握光磁共振的实验技术；3测定铷原子的g因子和测定地磁场。

三、实验原理1铷原子的能级分裂1.1精细结构的形成铷（Rb）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合）发生能级分裂铷原子基态与最低激发态的形成：用J表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,…,|L-S|对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为 ；对于最低激发态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为 ，如右图所示，形成两条谱线。

1.2原子超精细结构的形成核的自旋量子数表示为 ，铷原子的两种同位素的自旋量子数分别为：核的自旋角动量表示为，得原子总角动量：其中F 用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。

由核角动量作用（P I 与P J 耦合），而产生的由F 标志的分裂叫做铷原子光谱的超精细结构。

1.3塞曼子能级的形成原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。

这些能级用磁量子数来表示， ，能级间距相同。

和 相互作用能表示如下：相邻能级间距为： 其中 为玻尔磁子。

右图为塞曼能级形成示意图2/122/325,5P P 2/125S 5P5S21/25S 21/25P 23/25P 1D 2D 794.76nm780.0nmFig.1 铷原子精细结构的形成2/5%),15.72(2/3%),85.27(8587==I RbI Rb I JI F P P P +=I PFig.2 铷原子超精细结构的形成23/25P 21/25P 21/25S 2F =1F =1F =2F =……)(,...,1,F F F m F --=F u Bm g Bu E B F F F μ=⋅-=BBg EB F μ=∆B μFig.3 铷原子塞曼子能级的形成23/25P 21/25P 21/25S 1F =2F =……2F =1F =FM +2+10-1-2-10+1+2+10-1-2-10+12光抽运效应光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩班级： 材物11-2 姓名： 闫霞 同组者： 王佳宁 教师 周丽霞光泵核磁共振实验【实验目的】1、观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。

2、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。

【实验原理】1．铷原子基态和最低激发态的能级Rb 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（即L-S 耦合）而发生能级分裂，称为精细结构，如图7-3-1所示。

原子的价电子在L-S 耦合中，其总角动量J P 与电子总磁矩J μ的关系为：J JJ P meg 2-=μ (7-3-1) )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g JJ g 是朗德因子，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。

Rb 的两种同位素的自旋量子数I 是不同的，核自旋角动量I P 与电子总角动量J P 耦合成原子的总角动量F P , 有I J F P P P +=。

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-1，…，|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，如图7-3-2所示。

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F P 与总磁矩F μ之间的关系可写为2F FF eg P mμ=- (7-3-3)F g 是对应于F μ与F P 关系的朗德因子，可按类似于求J g 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，F μ实际上为J μ在F P 方向上的投影，从而得(1)(1)(1)2(1)F JF F J J I I g g F F +++-+=+ (7-3-4)以上所述都是没有外磁场条件下的情况。

实验五 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52S 1/2， 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：52P 1/2和52P 3/2，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D 1和D 2线，它们的波长分别是794.8nm 和780.0nm （见图1）。

通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩μJ 为：J J J P m e g2-=μ 其中)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 就是著名的Longde 因子，m 是电子质量，e 是电子电量。

铷原子的光泵磁共振实验【摘要】利用光抽运效应研究铷原子超精细结构塞曼子能级的磁共振，测定金属铷原子的朗德因子F g 、地磁场强度及其倾角。

关键词：光泵、光抽运、超精细结构、塞曼子能级、朗德因子、磁共振一、引言光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。

气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，利用磁共振的方法难于观察。

本实验利用光泵磁共振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七八个数量级，能在弱磁场下(0.1-1mT)精确检测气体原子能级的超精细结构。

二、实验原理1、铷原子基态及最低激发态的能级铷原子基态为2/12S 5，即电子的轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量J= 1/2。

最低激发态2/12P 5 及2/32P 5是由L-S 耦合产生的双重态，轨道量子数L=1,自旋量子S=1/2。

2/12P 5态J=1/2；2/32P 5 态J=3/2。

在能级5P 与5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条线，为双线。

2/12P 5到2/12S 5的跃迁产生的谱线为D1 线，波长是7948Å；2/32P 5 到2/12S 5的跃迁产生的谱线为D2 线，波长是7800Å。

核自旋 I = 0 的原子的价电子L-S 耦合后总角动量JP与原子总磁矩J μ 的关系为：J JJ eg P 2mμ=- （1） J J(J 1)L(L 1)S(S 1)g 12J(J 1)+-+++=++ （2）I ≠0时，Rb 87I = 3/2，Rb 85I = 5/2。

设核自旋角动量为I P ，核磁矩为I μ，I P 与J P耦合成F P ，有F P =I P +J P。

耦合后的总量子数F= I+J,…,| I-J |。

Rb 87基态F 有两个值，F = 2 及F = 1；Rb 85基态有F = 3 及F = 2。

由F 量子数表征的能级称为超精细结构能级。

嘉应学院物理学院近代物理实验实验报告实验项目：光泵磁共振实验地点：班级：姓名：座号：实验时间：年月日一、实验目的：1. 了解原子的能级、精细结构、超精细结构、塞曼能级分裂2. 了解光抽运现象的原理和应用3. 学会利用光抽运现象来研究原子超精细结构塞曼子能级的磁共振二、实验仪器和用具：TDS2002示波器，光磁共振实验装置，DH807型光磁共振实验装置电源及辅助源，YB1631功率函数信号发生器。

三、实验原理：本实验的研究对象为铷原子。

天然铷原子有两种同位素：85Rb（72.15%）和87Rb（27.85%）。

选用天然铷作样品，可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号。

铷原子基态和最低激发态的能级结构如图1所示。

铷是一价碱金属原子，其基态为5 2S 1/2；最低激发态为5 2P 1/2和5 2P 3/2双重态，是电子的轨道角动量与自旋角动量耦合而产生的精细结构。

由于是LS 耦合，电子总角动量的量子数J = L+S ，L ＋S －1，…，S L -。

对于铷原子的基态， L = 0，S = 1/2，故J = 1/2；其最低激发态，L = 1， S = 1/2，故J = 1/2和3/2，这就是双重态的由来。

铷原子核自旋不为零，两个同位素的核自旋量子数I 也不相同。

87 Rb 的I = 3/2，85 Rb 的I = 5/2。

核自旋角动量与电子总动量耦合，得到原子的总角动量。

由于I J 耦合，原子的总角动量的量子数F = I ＋J ，I ＋J －1，…，J I -。

故87 Rb 基态的F = 1和2；85 Rb 的基态的F = 2和3。

这些由F 量子数标定的能级称为超精细结构。

在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂。

标定这些分裂能级的磁量子数m F = F ，F －1，…，－F ，因而一个超精细能级分裂为2F ＋1个塞曼子能级。

设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF ，μF 与外磁场B 0 相互作用的能量为 E = － μF ·B 0 = g F m F μB B 0 (-1) 这正是超精细塞曼子能级的能量。

实验名称：光泵磁共振 实验目的1、观察光抽运、磁共振信号,加深对原子超精细结构、光跃迁、磁共振的理解；2、掌握光泵磁的原理及实验方法；3、利用光泵磁共振测量Rb 87、Rb 85超精细结构F g 因子及地磁场水平分量地B。

实验原理光泵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。

本实验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。

所研究的对象是铷（Rb）的气态自由原子。

1、铷原子基态及最低激发态能级铷（Z=37）是一价碱金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种，Rb 85占72。

15%，Rb 87占27。

85%。

其原子基态都是2/125S ，即价电子的主量子数n=5,轨道量子数L=0,自旋量子数S=1/2。

由于是LS耦合，J=L+S，…,L-S，所以铷的基态J=1/2。

铷原子的最低光激发态是2/125P 及2/325P 双重态，他们是由LS耦合产生的双重结构，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。

2/125P 态J=1/2；2/325P 态J=3/2。

在5P与5S能级之间产生的跃迁是铷原子光谱主线系的第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特别大。

2/125P 到2/125S 的跃迁产生的谱线为1D 线，波长是7948A ；2/325P 到2/125S 的跃迁产生的谱线为D2线，波长是7800A 。

原子总磁矩F 与外磁场B 相互作用能量为B M g B h M m e g B P m e g B E B F F F F F FF 222 （2）式中124102741.94T J m ehB 。

称为玻尔磁子。

相邻塞曼子能级之间（1 F M ）的能量差为Bg E B F M F （3）由此式可以看出塞曼子能级间距与B 成正比。

2、光泵的物理过程热平衡状态下，粒子服从玻尔兹曼分布)exp(12KT EN N12E E E ，当C T 50 时，2/125P 与2/125S 相比较，KT E ，所以21N N ，即铷原子基本处在基态2/125S 上。

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级： 姓名： 同组者： 教师：光泵磁共振【实验目的】1．观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。

2．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。

3．学会利用光磁共振的方法测量地磁场。

【实验原理】一．铷原子基态和最低激发态的能级铷（Z =37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb ，占27.85 %和85Rb ，占72．15%。

它们的基态都是52S 1/2。

通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩J μ为2J JJ eeg P m μ=- （B4-1） 式中)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J （B4-2）是著名的朗德因子，m e 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I P 和核外电子的角动量J P 耦合成一个更大的角动量，用符号 F P 表示，其量子数用F 表示，则I J F P P P+= （B4-3）与此角动量相关的原子总磁矩为图B4-1 Rb 原子精细结构的形成2F FF eeg P m μ=- （B4-4）式中)1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF （B4-5）F g 是对应于F μ与F P 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22F FF F F F F B e ee e E B g P B g M B g M B m m μμ=-⋅=⋅== （B4-6） 其中2B eem μ=124102741.9--⨯=JT 称为玻尔磁子，F M 是F P 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F M 变化，原来对F M 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B g E B F μ=∆ （B4-7） 再来看一下具体的分裂情况。

光泵磁共振实验——朗德因子的测量摘要：本实验主要研究铷原子的光抽运和磁共振现象，通过观察方波、三角波下的光抽运信号及共振信号，分析光泵磁共振的原理及信号出现条件。

分别计算了Rb85和Rb87基态下的朗德因子g F。

并在此基础上，测量了地磁场的水平分量。

关键词：光抽运；磁共振；塞曼子能级；朗德因子1. 引言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。

本实验应用光抽运、光探测的方法，利用光抽运（Optical Pumping）效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振，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。

目前，光泵磁共振方法基础研究中有广泛用。

因为它使弱信号的检测方便易行，还大大促进了相关计量技术（如弱磁场的测量等）的发展。

2. 实验2.1实验原理由于电子的自旋和轨道的相互作用（即L-S耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。

同时原子核也存在自旋，因此也就存在核磁矩与电子自旋及轨道磁矩的相互作用，是能级进一步分裂，也就产生了超精细结构。

本实验研究的对象为碱金属Rb的气态自由原子。

天然铷含量较大的有两种同位素：85Rb 占72.15%，87Rb占27.85%，基态都为52S1/2，而最低激发态为52P1/2及52P3/2双重态，从5P到5S的跃迁就能观察到精细结构。

现设核量子数为I，则耦合后的总量子数为F=I+J , I+J-1 , … , |I-J|。

又87Rb的I=3/2，85Rb的I=5/2，所以87Rb的基态F有两个值F=2及F=1；85Rb的基态F有两个值F=3及F=2。

原子总角动量与总磁矩的关系为：其中：，在外磁场B中超精细结构进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级。

磁量子数M F=F，F-1，……，-F，即分裂成2F+1个间距相等的塞曼子能级。

相邻子能级能量差为原子受激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于密集称之为光抽运。

光抽运的目的就是造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振实验了。

铷原子的光泵磁共振实验报告摘要：本实验利用光泵磁共振技术实现了对Rb 原子能级结构的探测。

用光探测的方法在示波器上观察并记录核磁共振时光抽运信号，从而计算出了87b R 和85b R 的朗德g 因子，并对地磁场进行了测量。

关键词：光泵磁共振 Rb 原子 光探测 一，引言光泵，也成光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级或塞曼能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。

光泵次共振技术是由法国物理学家卡斯特勒在1950年首创的。

它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态塞曼能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的波尔兹曼分布。

然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进行扰动，使光的抽运速率变化。

通过对抽运速率变化的探测来研究原子的能级结构。

光泵磁共振技术巧妙地利用了光探测的高灵敏度和磁共振的高分辨率，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探测灵敏度提高了七八个数量级。

由于光磁共振在基础物理研究、量子频标技术和弱磁场测定等方面都有着重要的应用价值，因此卡斯特勒获得了1966年的诺贝尔奖。

二，实验原理1， Rb 原子基态及最低激发态能级Rb 是碱金属原子，其基态为215S 。

离5s 能级最近的激发态是5p ，此激发态是双重态：2125P 和2325P 。

电子由5p 跃迁到5s 所产生的光辐射是Rb 原子主线系的第一条线，为双线，其强度在Rb 灯光谱中特别高，其中2125P 到2125S 跃迁产生的谱线称为D1线，波长是794.8nm ，而2325P 到2125S 跃迁产生的谱线称为D1线，波长为780.nm 。

在核自旋I=0时，原子的价电子经L-S 耦合后总角动量J P 与原子总磁矩J μ的关系为eeg 2m J JJ P μ=- (1)(1)(1)g 12(1)J J J L L S S J J +-+++=++ (1)但当I ≠0时，原子总角动量还要考虑核的贡献。

设核自旋角动量为I P ，核磁矩为I μ，I P 和J P 耦合成F P ，于是有F I J P P P =+，耦合后总量子数,,F I J I J =+- 。

铷原子的光泵磁共振实验【摘要】通过光抽运技术和磁共振技术相结合，研究了铷原子的光泵磁共振现象。

实验中，通过示波器显示波形，采用扫场法测量磁共振信号，测量了Rb 的朗德因子g F 以及地磁场的强度和磁倾角。

【关键词】超精细结构 塞曼子能级 光抽运 磁共振 朗德因子一、引言光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。

气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，利用磁共振的方法难于观察。

实验中使用的光泵磁共振技术，一方面光抽运改变了磁能级上粒子数的分布，另一方面采用光探测的方法克服了磁共振信号弱的缺点，所以光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约七八个量级，能在弱磁场下(0.1-1mT)精确检测气体原子能级的超精细结构。

二、 实验原理2.1铷原子基态和最低激发态的能级铷Rb 是碱金属原子，其最外层有一个价电子，位于5S 能级上。

天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb 和85Rb 。

它们的基态都是52S 1/2。

在L —S 耦合下，形成双重态：52P 1/2和52P 3/2，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D 1和D 2线，它们的波长分别是794.76nm 和780.0nm 。

通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，考虑原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。

耦合后的总量子数为F 。

角动量相关的原子总磁矩为2F FF eeg P m μ=- （1） )1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF （2）其中，F g 是对应于F μ与F P 关系的朗德因子。

在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，当磁场较弱时为反常塞曼分裂，磁量子数m F =F ，F-1，…，-F ，所以会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级。

如图1所示。

学生实验报告内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得一、实验目的：1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解；2.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；3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场。

二、实验使用仪器与材料：数字示波器、光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、频率计、DHg07A型光磁共振实验装置电源。

（核磁共振仪器连线图）三、实验步骤：1．仪器调整（1）揿进预热键，加热样品吸收泡约5０℃并控温，同时也加热铷灯约９０℃并控温，约3０分钟温度稳定，揿进工作键，此时铷灯应发出玫瑰紫色光。

（2）将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量最大。

（３）调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。

2．观测光抽运信号（1）先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方向。

当判断某一场时应将另两个场置于零，判断水平场和垂直场时，应记下数字电压表对应电压的符号。

（2）不开射频振荡器，扫场选择“方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反，特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。

同时旋转１／４波片，可获得最佳光抽运信号（图３．2-４）。

扫场是一交流调制场。

当它过零并反向时，分裂的塞曼子能级将发生简并及再分裂；当能级简并时，铷原子的碰撞使之失去偏极化；当能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子布居数又近于相等，因此光抽运信号将再次出现。

扫场的作用就是要反复出现光抽运信号。

当地磁场的垂直分量被垂直场抵消时将出现最佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。

３．测量基态的值由磁共振表达式得 (4)υ可由频率计给出，因此如知便可求出。

此处是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可以测知的水平场外还包括地磁水平分量和扫场直流分量。