光磁共振1

实验9.3 光磁共振实验引言为了研究物质内部不同层次的结构和性质，利用电磁波与物质的相互作用作为研究手段，最早使用的是光谱学方法，取得有关原子、分子结构的大量数据，促进了原子、分子物理学的发展，但由于仪器分辨率和谱线线宽的限制，对原子、分子等微观粒子内部更加细致的结构和性质得不到满意的结果，后来发展了波谱学的方法，直接观测在外磁场中原子精细结构能级、超精细结构能级和塞曼子能级间的微波或射频共振（通常称为磁共振）。

分辨率提高了，但是跟微波或射频共振相联系的能级间的能量差很小，由玻尔兹曼分布所造成的粒子在能级上的布居数之差也很小，而且磁偶极跃迁几率比电偶极跃迁几率小几个数量级，磁共振信号很弱，难于探测，迫切需要提高共振信号的强度。

凝聚态物质的波谱学如核磁共振、电子顺磁共振，实验样品浓度较大，加上高灵敏度的电子技术探测方法，可以获得很好的共振信号，在很多领域得到应用。

然而对于研究自由原子的气态波谱学来说，由于样品浓度低几个数量级，共振信号极弱，必须设法提高共振信号强度，才能进行实验观测。

实验目的1.掌握“光抽运—磁共振—光探测”的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的射频磁共振。

2.测定铷原子Rb 87和Rb 85的参数：基态朗德因子g F 和原子核的自选量子数I 。

3.测定地磁场B 地和垂直分量B 地垂直、水平分量B 地水平及其倾角θ。

实验原理光磁共振是根据角动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间微波或射频磁共振现象的双共振技术。

特点是兼有波谱学方法的高分辨率和光谱学方法的高探测灵敏度。

这里就光磁共振技术对气态铷原子样品探测的实验原理逐一进行介绍。

1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子，有一个价电子，处于第5壳层，主量子数n =5，电子轨道量子数L =0，1，···，n −1=4，电子自旋S =12。

铷原子中价电子的轨道角动量P L 和自旋角动量P S 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量P J ，其数值P J = J J +1 ħ，J =L +S ，L +S −1，···，|L −S|。

光磁共振1. 实验目的1.1. 掌握光抽运、磁共振、光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能 级间的磁共振。

1.2. 测定铷同位素Rb 87和Rb 85的ｇF 因子，测定地磁场。

2. 实验仪器实验仪器包括：光（泵）磁共振实验仪、射频信号发生器、数字频率计、二通道型数字存储示波器、直流数字电压表等。

其中，光（泵）磁共振实验仪由主体单元和辅助源两部分组成。

主体单元是实验的核心部分，基本结构如图6-1所示。

图6-1 光（泵）磁共振实验仪主题单元示意图3. 实验原理3.1. 铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子、天然铷中含有两种同位素： Rb 87和Rb 85。

根据LS 耦合产生精细结构，它们的基态是52S 1/2，最低激发态是52P 1/2和52P 3/2的双重态。

对Rb 87,52P 1/2--52S 1/2跃迁为D 1线(7948Åλ=)，52P 3/2-52S 1/2为D 2线(7200Åλ=)。

铷原子具有核自旋I ，相应的核自旋角动量为PI ，核磁矩为μI 。

在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即PI 和PJ 耦合成总角动量PF ，F 为总量子数：F=I ＋J ．…，|I-J|。

对Rb87，I=3/2，因此Rb87的基态有两个值：F=2和F=1。

对Rb85，I=5/2，因此85Rb 的基态有F ＝3和F ＝2。

由量子数F 标定的能级称为超精细结构能级。

原子总角动量F P 与总磁矩F μ之间的关系2F FF eg P mcμ=- (6-1) 其中()()()()F F 1J J 1I I 1g =g 2F F 1F J+++-++ (6-2)当非磁性物质铷原子处于弱的外磁场B 中时，铷原子获得附加的能量F m F F F B E m g B μ=-⋅=μB (6-3)其中B μ为玻尔磁子，F m 为磁量子数，共有21F +个数值,1,...,F m F F F =--因此，对应于总量子数F 的超精细结构能级分裂成21F +个塞曼子能级。

一、实验目的1．掌握光抽运-磁共振-光检测的实验原理及实验方法； 2．研究原子，分子能级的超精细结构；3．测定铷原子同位素87Rb 和85Rb 的郎德因子g ，测定电磁场的水平分量。

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。

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，如图B4-1所示，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 ，与此相联系的核外电子的总磁矩Jμ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，则图B4-1 Rb 原子精细结构的形成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 )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。

一、实验目的1、熟悉光磁共振原理及仪器使用；2、观察光抽运现象，测量朗德因子值；3、培养实验报告规范与处理能力，作图作表与数据处理能力；4、基本实验的测试能力。

二、实验原理1、铷原子基态和最低激发态能级．本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素； 85Rb（占72．15%）和87Rb（占27．85%）．选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又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9．4．1所示．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．87Rb的I＝3 ⁄ 2，85Rb的I＝5 ⁄ 2．核自旋角动量与电子总角动量耦合，得到原子的总角动量.由于I J耦合，原子总角动量的量子数F＝I＋J，I＋J－1，……，|I－J|．故87Rb基态的F＝1和2；85Rb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．设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场B0相互作用的能量为E＝－μF·B0＝gF mF μF B0 （9.4.1）这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μB＝9．2741×10－24J·T －1 ，朗德因子gF= gF [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ⁄ 2F（F＋1）（9.4.2）其中gJ= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ⁄ 2J（J＋1）（9.4.3）上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式（9.4.1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差ΔE＝gF μB B0 ，（9.4.4）式中ΔE与B0成正比关系，在弱磁场B0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级．2．光抽运效应．在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式(9．0.12)表示．由于超精细塞曼子能级间的能量差ΔE很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的．这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子．使原子能级的粒子数分布产生重大改变．现在以铷灯作光源．由图9.4.1可见，铷原子由5 2P1⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D1线，波长为0．7948μm；由5 2P3⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D2线，波长为o．7800μm．这两条谱线在铷灯光谱中特别强，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．由理论推导可得跃迁的选择定则为ΔL＝±1 ΔF＝0，±1 ΔmF＝±1 （9.4.5）所以，当入射光为D1σ﹢光，作用87Rb时，由于87Rb的5 2S1⁄2态和5 2P1⁄2态的磁量子数mF的最大值均为±2，而σ﹢光角动量为ħ只能引起ΔmF ＝＋1的跃迁，故D1σ﹢光只能把基态中除mF＝＋2以外各子能级上的原子激发到5 2P1⁄2的相应子能级上，如图9．4．2(a)所示．图9．4．2(b)表示跃迁到5 2P1⁄2上的原子经过大约10－8s后，通过自发辐射以及无辐射跃迁两种过程，以相等概率回到基态5 2S1⁄2各个子能级上．这样，经过多次循环之后，基态mF＝＋2子能级上的粒子数就会大大增加，即基态其他能级上大量的粒子被“抽运”到基态mF＝＋2子能级上．这就是光抽运效应．同理，如果用D1σ－光照射，则大量粒子将被“抽运”到mF＝－2子能级上．但是，π光照射是不可能发生光抽运效应的．对于铷85Rb，若用D1σ＋光照射，粒子将会“抽运”到mF＝＋3子能级上．3．弛豫过程．光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度．但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上．由实验得知．样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为10－2s数量级．在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级．不过得注意的是，温度高低对铷原子系统的弛豫过程有很大的影响．温度升高则铷蒸气的原子密度增加，铷原子与容器壁之间以及铷原子相互之间的碰撞都增加，将导致铷原子能级分布的偏极化减少；而温度过低时铷蒸气的原子数目太少，则抽运信号的幅度必然很小．因此，实验时把样品泡的温度要控制在40～50℃之间．1．磁共振与光检测．式（9.4.4）给出了铷原子在弱磁场B0作用下相邻塞曼子能级的能量差．要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于恒定磁场B0的方向上施加一射频场B1作用于样品．当射频场的频率ν满足共振条件 h ν＝ΔE ＝ gF μB B0 ． (9．4．6)时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象．若作用在样品上的是D1σ＋光，对于87Rb来说．是由mF＝＋2跃迁到mF＝＋1子能级．接着也相继有mF＝＋1的原子跃迁到mF＝0，……．与此同时，光抽运又把基态中非mF＝＋2的原子抽运引mF＝＋2子能级上．因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡．发生磁共振时，处于基态mF＝＋2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数．也就是说，发生磁共振时．能级分布布的偏极化程度降低了，从而必然会增大对D1σ＋光的吸收，如图9．４．3所示．三、实验仪器以及实验内容实验装置的方框图如图9．4．4所示，由光泵磁振实验装置的主体单元及其辅助设备（包括辅助源，射频信号发生器，频率计和示波器等）组成．1、观察光抽运信号。

光磁共振实验报告光磁共振实验报告引言：光磁共振是一种先进的科学技术，它利用光和磁场之间的相互作用，实现了对物质微观结构的研究。

本实验旨在探索光磁共振的原理和应用，通过实验数据的收集和分析，进一步了解光磁共振在材料科学和生物医学领域的潜在应用。

实验方法：本实验使用了一台先进的光磁共振仪器，结合光学和磁学的原理，对样品进行了测试。

首先，我们选择了一种具有特定光学性质的材料作为样品，然后将样品放置在仪器中心，通过调节仪器的磁场强度和频率，观察样品的光学响应。

在实验过程中，我们记录下了不同磁场强度和频率下的光学响应数据，并进行了分析。

实验结果：通过对实验数据的分析，我们发现样品在特定磁场强度和频率下，会出现明显的光学响应。

在这些条件下，样品的透射光谱会发生明显的变化，出现新的吸收峰或波谷。

这种现象表明样品的光学性质受到了磁场的调控。

进一步的实验结果显示，当磁场强度和频率达到一定值时，样品的光学响应会发生剧烈变化，出现明显的共振现象。

这种光磁共振现象是由于磁场和光场之间的相互作用导致的。

实验讨论：光磁共振的发现和研究对材料科学和生物医学领域具有重要意义。

首先，在材料科学领域，光磁共振可以用来研究材料的微观结构和性质。

通过调节磁场的强度和频率，可以实现对材料的精确控制和调控。

这对于开发新型材料和改良材料性能具有重要意义。

其次，在生物医学领域，光磁共振可以用来研究生物分子的结构和功能。

通过将生物分子与磁性纳米粒子结合，可以实现对生物分子的高灵敏度检测和精确控制，为生物医学研究和临床诊断提供了新的手段。

实验结论：本实验通过光磁共振仪器的使用，成功地观察到了样品的光学响应和光磁共振现象。

实验结果表明，光磁共振是一种重要的科学技术，具有广泛的应用前景。

光磁共振可以用来研究材料的微观结构和性质，为材料科学的发展提供新的思路和方法。

同时，光磁共振还可以用来研究生物分子的结构和功能，为生物医学研究和临床诊断提供新的手段和工具。

光磁共振实验报告BYCQ
我参加了一次光磁共振实验，这是一项非常有趣和重要的实验，可以帮助人们更深入
地了解人体和物质的工作原理。

在实验中，我们使用了一个称为核磁共振的技术。

这种技术利用磁场和射频信号来观
察样品中的原子核的运动。

在这个实验中，我们使用的样品是一个小塑料盒子里的水分子。

通过这个实验，我们能够看到水分子中的原子核如何在磁场中定向运动。

我们可以调
整磁场强度的大小来改变水分子中原子核的运动情况。

我们还使用了一些射频信号来激发
原子核的运动，并观察他们如何反映出来。

这个实验还帮助我们了解了一些有关核磁共振成像（MRI）的原理。

MRI利用核磁共
振技术来生产人体的内部结构。

MRI是一种无创的检查方法，可以提供医生详细的图像，
并帮助医生诊断和治疗很多疾病。

总的来说，这个实验让我更深入地理解了原子核如何在磁场中的运动，也让我更好地
理解了MRI技术的原理。

我相信这个实验对于我的化学和生物学学习都将非常有用。

102实验二十四 光 磁 共 振光抽运（Optical Pumping ，也称光泵）由克斯特勒（A. Kastler ）等人于本世纪五十年代初提出。

光磁共振是指通过“光抽运一磁共振一光探测”来研究原子细微结构的一种实验方法，它解诀了光谱方法及核磁共振、电子顺磁共振方法不能满意解决的微观粒子内部细微结构和变化的许多问题。

光磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段，在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。

【实验目的】1．了解光磁共振的基本原理和实验方法。

2．观察铷原于基态塞曼光抽运信号和磁共振信号，测定g 因子值。

3．运用光磁共振方法测量地磁场。

【实验原理】1．铷原子能级的超精细结构及塞曼分裂原子的核磁矩与电子磁矩的相互作用会产生原子能级的超精细结构。

而原子的总磁矩与磁场的相互作用, 使超精细结构进一步分裂（塞曼效应）。

我们知道，在磁场中，原子总磁矩与磁场B 的相互作用能为B m g B E B F F F μμ=⨯-=→→(1)式中F m 一原子总角动量J 在磁场方向的投影，称为磁量子数。

共有2F ＋1个值，F 为原子总量子数：μB 一玻尔磁子，为一物理常数；B 一磁场的磁通密度，F g 一朗德因子，其值在理论上为)1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J（S 一电子自旋量了数：L 一电子轨道量子数；I 一原子核自旋量了数；J 一L 与S 的合成量子数，从（1）式可知，相邻两塞曼了能级间的能量差为B g E B F μ=∆ (2)铷（Rb ）属碱金属，天然铷同位素有两种， 85Rb 占72．15％， 87Rb 占27.85％，原子能级基态是2/125S (，对应L ＝0，S ＝1／2,J=1/2)，最低激发态2/125P 与2/325P 是的双重态（对应L=1，S ＝1／2,J=1/2,3/2），基态2/125S 跃迁到最低激发态2/125P 与2/325P 的D 1 线波长是794.8nm ，D 2 线波长是780.0nm ，以87Rb 为例，图1表示它在磁场中的精细结构及塞曼分裂。

近代物理实验实验报告班级学号姓名上课时间联系电话实验I 光磁共振一、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。

二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1. 思考题解答1）什么是光抽运效应？产生光抽运信号的实验条件是什么？怎样用光抽运信号检测来检测磁共振现象？2）如何确定水平磁场、扫场直流分量方向与地磁场水平分量方向的关系及垂直磁场与地磁场垂直分量的关系？3）扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？4）利用光抽运探测磁共振比直接探测磁能级之间的磁共振跃迁的信号灵敏度可提高多少倍？2. 创意实验J 铁磁共振一、实验目的1．了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象；2．测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；3．测量微波铁氧体的g因数二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1. 思考题解答1）本实验是怎样测量磁损耗的？实验中磁损耗又是通过什么来体现的？2）为什么在传输式谐振腔中有磁性样品时，腔的谐振频率会随外加稳恒磁场的改变而发生变化，并且在空腔的谐振频率上下波动，即产生所谓频散效应？3）如何精确消除频散效应？实验中是如何处理频散效应的？2. 创意实验K 核磁共振一、实验目的1.掌握ＮＭＲ的基本原理及观测方法；2.用磁场扫描法（扫场法）观察核磁共振现象；3.由共振条件测定氟核（１９Ｆ）的g因子。

二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1．思考题解答1）简述核磁共振的原理并回答什么是扫场法和扫频法？2）NMR实验中共用了几种磁场？各起什么作用？3）试想象如何调节出共振信号。

4)不加扫场电压能否观察到共振信号？2. 创意实验L 电子顺磁共振一、实验目的1．了解电子顺磁共振的原理；2．掌握FD-TX-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法；3．利用电子顺磁共振谱仪测量 DPPH的g因子。

1光磁共振试验[定稿]光磁共振(光泵磁共振)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。

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：85Rb 占72．15％，87Rb 占27．85％。

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，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都有很大的实际应用价值。

[实验目的]1． 加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。

2． 测定铷原子超精细结构塞曼子能级的郎德因子。

[实验原理]1.铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级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L P 与其自旋角动量S P 的合成电子的总角动量S L J P P P +=。

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5²1/2S 。

铷原子最低激发态是3/22P 5及1/22P 5。

1/22P 5态的J=1/2， 3/22P 5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。

1/22P 5→1/22S 5跃迁产生波长为06.7947A 的1D 谱线,3/22P 5→1/22S 5跃迁产生波长07800A 的2D 谱线。

一、实验目的 之樊仲川亿创作1．掌握光抽运-磁共振-光检测的实验原理及实验方法； 2．研究原子，分子能级的超精细结构；3．测定铷原子同位素87Rb 和85Rb 的郎德因子g ，测定电磁场的水平分量。

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52S1/2。

在L —S 耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，发生精细分裂。

因此，从5P 到5S 的跃迁发生双线，分别称为D1和D2线，如图B4-1所示，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PJ ，与此相联系的核外电子的总磁矩J μ为2J JJeeg 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）图B4-1 Rb 原子精细结构的形成是著名的朗德因子，me 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 暗示。

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 暗示，其量子数用F 暗示，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 )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，使原子发生附加的能量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。

光磁共振实验报告引言：光磁共振是一种基于光与磁场相互作用的实验方法，可以用于研究物质的光学性质和磁学性质。

本实验旨在通过光磁共振实验，探究光与磁场的相互作用效应，以及基于这种相互作用的应用。

一、实验原理1. 光磁共振现象光磁共振是指当光束通过磁场作用区域内的气体或固体样品时，光束的传播速度和偏振状态会发生变化，这种现象被称为光磁共振。

光磁共振的产生是由于光的电磁性质和物质的磁学性质之间的相互作用引起的。

2. 原子的光磁共振原子的光磁共振是指当原子在外加磁场的作用下，吸收或发射特定频率的光线时产生的光磁共振现象。

这种现象是由于原子的能级结构和外加磁场的相互作用导致的。

二、实验步骤1. 准备实验所需材料和设备：光源、光栅、磁场产生装置、光电探测器等。

2. 搭建实验装置：将光源置于适当位置，使光束通过光栅产生多条平行的光束，再通过磁场产生装置，最后经过光电探测器检测光强度。

3. 调节实验参数：调节磁场强度和光束频率等参数，使光磁共振现象得以观察到，并记录各种参数数值。

4. 测量数据：通过改变磁场强度和光束频率，记录光电探测器的输出信号变化，得到光磁共振曲线。

5. 数据分析：根据实验数据，分析光磁共振曲线的特征，探究光磁共振现象的原理和规律。

三、实验结果与讨论通过实验观察和数据分析，我们得到了光磁共振曲线，发现在特定的磁场强度和光束频率下，光电探测器的输出信号会发生明显的变化。

这表明在这些条件下，光与磁场的相互作用达到了最大值，产生了光磁共振现象。

根据实验结果，我们可以得出以下结论：1. 光磁共振现象是由光与磁场的相互作用引起的，当光束通过磁场作用区域内的物质时，光的传播速度和偏振状态会发生变化。

2. 光磁共振现象的产生与原子的能级结构和外加磁场的相互作用密切相关，只有在特定的磁场强度和光束频率下才能观察到光磁共振现象。

3. 光磁共振现象具有很高的灵敏度和分辨率，可以用于研究物质的光学性质和磁学性质，以及制备高性能光学和磁学材料。

一.实验目的光抽运或称光泵技术巧妙地将光抽运，磁共振和光探测技术综合起来，用以研究汽态原子的精 细和超精细结构。

克服了用普通的方法对气态样品观测时，共振信号非常微弱的困难。

用这个方法 可以使磁共振分辨率提高到 10 11T 。

实验是以天然37号元素铷(87Rb 和85Rb )为样品，核外电子状态为1s 22s 22 P 63S 23 p 63d 104s 24卩65€,研究碱金属铷原子的基态52S 1/2磁共振。

加外磁场使原子能级分裂，光照使原子从基态跃迁激发态，特别是从52S 1/2态向52P 1/2态跃迁,跃迁过程吸收光子因而检测到的光信号微弱，当偏极化饱和时跃迁吸收停止，检测到的光信号又增 强到光源的光强。

B 可以分解为水平磁场 B//和垂直磁场B 丄，水平磁场B//包括地磁场B E 、水平磁场 B s 、垂直磁场 B v , 即卩B4B V +B E 丄，B//=Bh+B S +B E // ,如果选择垂直场电流方向和电流大小，使外加垂直磁场正好抵消地磁场垂直分量，即- 则铷原子感受到的外磁场只有水平分量 B /=B h +B s +B E /,由于磁场存在形成的相邻 (最小可取△ m F =1):E= △ m F g F B B = △ m F g F B (B h +B S +B E //)(3)原子状态可用2S+1X J 表示，而且，当L={0,1,2,3…}时，X={S,P,D,F …}.铷原子的基态为 52$/2, 即 L=0 , S=1/2,J=1/2。

87Rb 的 F=2 和 1, m F =2,1,0,-1,-2。

85Rb 的 F=3 和 2, m F =3,2,1,0,-1,-2,-3。

最低激发态为 52p 1/2 和 52P 3/2双重态。

考虑 52P 1/2,即 L=1 , S=1/2 , J=1/2。

87Rb 的 52P 1/2 到 52S 1/2 的跃迁产生794.8nm 的D1线(能量差为 0.2486eV ), 52P 3/2到52S 1/2的跃迁产生780nm 的D2线(能 量差为 0.2533 eV)。

光泵磁共振蒲阳文161120097一、实验目的（1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。

（2）测定铷同位素85Rb和87Rb的g F因子、地磁场垂直和水平分量。

实验重点：实验装置中磁场的作用。

实验难点：光磁共振的应用—地磁场的测量二、实验原理光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。

这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。

1、铷原子基态和最低激发态的能级天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。

由于电子轨道总角动量P L与自旋总角动量P S的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，|L—S|。

铷的基态，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，只有J=1/2一个态52S1/2。

铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。

已知核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量P J与原子总磁矩μJ的关系为：μJ=–g J eP J/（2m e）（1）J（J+1）—L（L+1）+S（S+1）g J=1+ ───────────────（2）2J（J+1）但铷原子的核自旋I≠0。

所以核自旋角动量P I与电子总角动量P J耦合成原子总角动量P F，有P F=P J+P I，耦合后的总量子数是F=I+J，…，|I—J|。

87Rb的基态J=1/2、I=3/2，有F=2和F=1两个状态。

85Rb的基态J=1/2，I=5/2，则有F=3和F=2两个态。

把F量子数表征的能级称为超精细结构能级。

原子总角动量P F与总磁矩μF之间的关系（见本实验附录）为：μF=–g F eP F/（2m e）F（F+1）+J（J+1）—I（I+1）g F=g J───────────────（3）2F（F+1）铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼分裂，可用磁量子数m F标定。

实验十九 光磁共振一般的磁共振技术，无法进行气态样品的观测，因为气态样品浓度比固态或液态样品低几个数量级，共振信号非常微弱。

光泵磁共振是把光抽运，磁共振和光探测技术有机的结合起来，以研究汽态原子精细和超精细结构的一种实验技术。

光抽运（Optical Pumping ）又称光泵是二十世纪五十年代初由法国物理学家A.Kastler 等人提出的，由于他在光抽运技术上的杰出贡献而获1966年诺贝尔物理学奖。

光磁共振(光泵磁共振)是利用光抽运（Optical Pumping ）效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。

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：85Rb 占72．15％，87Rb 占27．85％。

光抽运就是用圆偏振光激发汽态原子，以打破原子在所研究能级间的热平衡的玻耳兹曼分布，造成能级间所需要的粒子数差，以便在低浓度条件下提高磁共振信号强度。

光磁共振采用光探测方法，即探测原子对光量子的吸收而不是采用一般磁共振的探测方法：即直接探测原子对射频量子的吸收。

因为光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高了探测灵敏度。

光泵磁共振进一步加深人们对原子磁矩、g 因子、能级结构、能级寿命、塞曼分裂、原子间相互作用等的认识，是研究原子结构的有力工具，而光抽运技术在激光、原子频标和弱磁场测量等方面也有重要应用。

【实验目的】1.了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术。

2.测量汽态铷原子85Rb 和87Rb 的F g 因子。

3.学习测量地磁场的方法。

【实验仪器】光磁共振实验仪、信号发生器、示波器、频率极和指南针等。

【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 ）的汽态自由原子。

1.铷（Rb ）原子能级的超精细结构和塞曼分裂铷（Rb ）是一价碱金属原子，原子序数为37，天然铷有两种同位素：铷85Rb （72.15%）和87Rb （27.85%）。