光磁共振实验预习报告
【摘要】
光磁共振是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细和超精细结构塞曼能级间的磁共振。实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上，掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，进而测定铷原子两个同位素Rb 87
或Rb 85
的超精细结构塞曼子能级的朗德因子g 的测量。 【关键字】
光磁共振 精细结构 铷原子 朗德因子 【引言】
光磁共振是“激光之父”卡斯特勒提出并实现。它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman 能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann 分布。然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动，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塞曼能级超精细结构。
由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难以观察。 1950年卡斯特勒(A.Kastler)提出了光抽运方法（又称光泵），使原子能级的粒子数分布产生重大改变，并利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大提高了信号强度和检测灵敏度，成功地观测了气体原子塞曼子能级间的磁共振，由此发展起来的光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和量子频标的发展打下了基础，卡斯特勒也因此荣获1966年度的诺贝尔物理奖。 【正文】 一、实验原理
1. 铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级
铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。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0
6.7947A 的1D 谱线,3/22P 5→1/22
S 5跃迁产生波长0
7800A 的2D 谱线。
原子的价电子在LS 耦合中，其总角动量J P 与电子总磁矩J μ的关系为：
J J
J P m
e
g 2-=μ ( )
1(2)
1()1()1(1++++-++
=J J S S L L J J g J
J g 是郎德因子，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。 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 |。87
Rb 的I=3/2,它的基态J=1/2，具有F=2和F=1两个状态。85
Rb 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
F F
F p m
e
g 2-=μ 其中的F g 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(2)
1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g j
F
F g 是对应于F μ与F P 关系的郎德因子。
以上所述都是没有外磁场的情况。如果原子处在外磁场B 中，由于原子总磁矩μF 与B
的相
互作用，超精细结构的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数M F 表示，则M F = F ，F -1，……，-F ，即分裂成2F ＋1个子能级，其间隔相等。Rb 87和Rb 85能级图见图3和图4。
原子的总磁矩μF 与外磁场B
的相互作用能为：
B M g B P m
e g B E F B F F
F μμ=⋅=⋅-=
2 式中μB 为玻尔磁子。各相邻塞曼子能级的能量差为：
B g E B F μ=∆ 1+=∆F M
可以看出，ΔE 与B 成正比。当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来的能级。
2. 光抽运效应
一定频率的光可引起原子能级之间的跃迁。气态87
Rb 原子受+
δ1D 左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则,0=∆F ±1，1+=∆F M 。在由1/22S 5能级到1/22P 5能级的激
发跃迁中，由于+
δ光子的角动量为π2/h +,只能产生1+=∆F M 的跃迁。基态2+=F M 子
能级上原子若吸收光子就将跃迁到3+=F M 的状态，但1/22P 5各自能级最高为2+=F M 。因此基态中2+=F M 子能级上的粒子就不能跃迁，换言之其跃迁几率为零。由于+
δ1D 的激发而跃迁到激发态1/22P 5的粒子可以通过自发辐射退激回到基态。
由1/22P 5到1/22S 5的向下跃迁（发射光子）中，0=∆F M ，1±的各跃迁都是有可的。 当原子经历无辐射跃迁过程从1/22P 5回到1/22S 5 时，则原子返回基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态2+=F m 子能级上的原子数就会大大增加，即大量原
子被“抽运”到基态的2+=F
m 的子能级上。这就是光抽运效应。
各子能级上原子数的这种不均匀分布叫做“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。
经过多次上下跃迁，基态中的2+=F M 子能级上的原子数只增不减，这样就增大了原子布居数的差别。这种非平衡分布称为原子数偏极化。光抽运的目的就是要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跃迁实验了。
