光泵磁共振实验

实验 光泵磁共振实验在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。

光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。

在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。

由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。

三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。

如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。

此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。

本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。

它是典型的波谱学教学实验之一。

实验原理1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子Li 、Na 、K 一样，在紧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。

n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。

基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。

由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。

轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P+=。

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。

光泵磁共振实验 实验原理、数据记录及数据处理【引言】气体原子中的磁共振信号十分微弱，观测十分困难。

1950年，法国物理学家卡斯特勒（Ａ．Kastler ）提出了光抽运的方法（即Optical Pumping ，故又译作光泵），可使原子能级的粒子数分布产生重大改变（偏极化），并可利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大的提高了信号强度和检测灵敏度。

卡斯特勒因此而荣获1966年诺贝尔物理学奖。

【实验目的】1、加深对原子超精细结构的理解；2、掌握以光抽运为基础的光检测共振方法。

【实验仪器】光磁共振实验仪、示波器、频率计、射频信号发生器。

【实验原理】 ●铷原子基态和激发态能级（1）L S 耦合，,1,||J L S L S L S =++-- 。

铷原子基态0L =，12S =，故12J =；其最低激发态1L =，12S =，故12J =和32；为精细结构。

（2）IJ 耦合，,1,||F I J I J I J =++-- 。

铷原子核自旋不为零，两个同位素核自旋量子数I 也不相同。

87Rb 的3/2I =，85Rb 的5/2I =，故87Rb 的基态的1F =和2，85Rb 的基态的2F =和3。

由F 定标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。

定标这些磁量子数,1,F m F F F =-- ，因而一个超精细结构能级分裂为21F +。

设原子总角动量对应的原子总磁矩为F μ，F μ与外磁场0B 的相互作用能为： 00F F F B E B g m B μμ=-⋅=（其中：2419.2741102B ee J Tm μ--==⨯⋅ ，(1)(1)(1)2(1)F J F F J J I I g g F F +++-+=⋅+（其中： (1)(1)(1)12(1)J J J S S L L g J J +++-+=++）相邻塞曼子能级能量差为： 0F B E g B μ∆= ●光抽运效应由于超精细塞曼子能级间的能量差E ∆很小，这些能级上的粒子数近似相等，不利于观察这些子能级间的共振现象，为此卡斯特勒提出光抽运的方法，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。

实验29 光泵磁共振光泵磁共振是利用光抽运技术来研究原子超精细结构的塞曼子能级间磁共振现象的光磁双共振技术，在五十年代初由A.Kastler 等人提出。

虽然气体原子的塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，但由于运用了光探测技术，光泵磁共振既保存了磁共振信号高分辨率的特点，又提高了探测信号的灵敏度，灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。

因而，在研究原子、分子内部微观结构及弱磁场精密测量等方面具有广泛的应用。

一、 实验目的1.了解光泵磁共振的基本知识，熟悉光抽运-磁共振-光检测的实验方法。

2.测量87Rb 和85Rb 的g F 因子。

二、 实验原理1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂本实验的研究对象是铷(Rb)气态自由原子，天然Rb 由72.15%的85Rb 和27.85%的87Rb 组成。

Rb 原子是一价碱金属原子，原子序数是37，价电子处于第5壳层，主量子数n=5，L=0，1，…，n-1，基态L=0，最低激发态L=1。

由电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S 耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。

对于Rb 原子，基态为52S 1/2，最低激发态是52P 1/2，52P 3/2，5P 与5S 能级之间产生的跃迁是原子主线系的第一条线，对应的两条谱线是7948Å（D 1线）和7800Å（D 2线）。

考虑到原子核有自旋和磁矩，核磁矩与电子总磁矩之间相互作用将造成能级的附加分裂，这种附加分裂称为超精细结构。

87Rb 和85Rb 的核自旋量子数I 分别为3/2和5/2。

核自旋角动量P I 与电子总自旋角动量P J 相互耦合，这种耦合称为I-J 耦合，形成总角动量P F ，P F =P I +P J 。

I-J 耦合形成超精细结构能级，用总量子数F 标记，F=I+J ，…，∣I-J ∣。

对于87Rb ，对应I=3/2，基态J=1/2，F=1，2；对于85Rb ，对应I=5/2，基态J=1/2，F=2，3。

光泵磁共振实验报告光信息31张圳2120905023光泵磁共振实验是指把实验样品（原子，分子等）置于光频和射频电磁场的共同作用下，使之发生光频共振跃迁的一种实验技术。

在探测磁共振时，不直接探测样品对射频量子的发射和吸收，而是采用光探测的方法，级探测样品对光量子的吸收和发射。

由于光量子的能量比射频量子的能量高7~8个量级，所以这种方法即保持了磁共振的高分辨率又提高了探测信号的灵敏度。

近几十年来，用光抽运-磁共振-光探测技术对许多原子，分子能级的精细结构及其它各种参数进行了精密的测量，对研究微观粒子结构起了很大的推动作用。

另外在量子频标、精确测定磁场等方面也有很大的实际应用价值。

本实验研究的对象是碱金属铷的气态自由原子。

实验的物理内容很丰富，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，也将受到一次很好的原子物理实验和综合实验的训练。

一．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、光跃迁及磁共振的理解。

2．掌握光泵磁共振的原理及实验方法。

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二．实验原理1.铷（Rb ）原子基态及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J图B4-1 Rb 原子精细结构的形成为2J J J e e g 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。

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。