鐘浩鵬 光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、鐘浩鵬 光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告 揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 近代物理實(shí)驗(yàn)論文 實(shí)驗(yàn)名稱：光泵磁共振實(shí)驗(yàn)及地磁場(chǎng)的測(cè)量 班級(jí)：物教1301班 姓名：鐘浩鵬 學(xué)號(hào)：130801131 指導(dǎo)老師：王文秀 光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告 摘要：在本實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)調(diào)節(jié)水平磁場(chǎng)，豎直磁場(chǎng)和掃場(chǎng)觀察了抽運(yùn)信號(hào)和光泵磁共振現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量水平磁場(chǎng)的電流值并計(jì)算得到銣的朗德因子g。同時(shí)通過(guò)地磁場(chǎng)水平分量與總磁場(chǎng)和掃場(chǎng)的關(guān)系，計(jì)算出地磁場(chǎng)的水平分量大小。由于裝置的擺放決定了總場(chǎng)沿水平方向時(shí)共振信號(hào)最強(qiáng)，由此測(cè)量了地磁場(chǎng)豎直分量的大小，從而測(cè)得了地磁場(chǎng)的大小和方向。 in this experiment, we adjust th

2、e horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. by measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. at the same time through the geomagnetic

3、 field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. put the device determines the strongest resonance signal when pld along the horizontal direction, thus to measure the size of the verti

4、cal component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field. 關(guān)鍵詞：光抽運(yùn)；光泵磁共振；地磁場(chǎng) 一、引言 光泵也稱光抽運(yùn)，是借助于光輻射獲得原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)及塞曼子能級(jí)間粒子數(shù)的非平衡分布的實(shí)驗(yàn)方法。光泵磁共振技術(shù)于1955年由法國(guó)科學(xué)家卡斯特勒發(fā)明，它是將光抽運(yùn)技術(shù)和射頻或微波磁共振技術(shù)相結(jié)合的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，這種技術(shù)最早實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。氣體原子塞曼子能級(jí)之間的磁共振信號(hào)非常弱，普通方法很難探測(cè)。本實(shí)驗(yàn)利用光泵磁共振方法克服了磁共振信號(hào)弱的特點(diǎn)，將探測(cè)靈敏

5、度提高了七八個(gè)數(shù)量級(jí)，能在弱磁場(chǎng)下精確檢測(cè)原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)研究rb原子的光泵磁共振現(xiàn)象，天然rb有兩種同位素： 85 rb（豐度為72.15%）、87 rb（豐度為27.85%）。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級(jí) 銣（z=37）是一價(jià)金屬元素，天然銣中含量大的同位素有兩種：87rb，占27.85 %和85rb，占7215%。它們的基態(tài)都是52s1/2。 圖1 rb原子精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成 在ls耦合下，形成雙重態(tài)：52p1/2和52p3/2，這兩個(gè)狀態(tài)的能量不相等，產(chǎn)生精細(xì)分裂。因此，從5p到5s的躍遷產(chǎn)生雙線，分別稱為d1和d2線，如圖1所示，它們的波長(zhǎng)分別是794.76

6、nm和780.0nm。 ?通過(guò)ls耦合形成了電子的總角動(dòng)量pj，與此相聯(lián)系的核外電子的總磁矩j為 e?j?gjpj 2me?式中 ?gj?1? j(j?1)?l(l?1)?s(s?1)2j(j?1) 是朗德因子，me是電子質(zhì)量，e是電子電量。 ?pp原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子數(shù)用i表示。核角動(dòng)量i和核外電子的角動(dòng)量j?p耦合成一個(gè)更大的角動(dòng)量，用符號(hào) f表示，其量子數(shù)用f表示，則 ?pf?pj?pi 與此角動(dòng)量相關(guān)的原子總磁矩為 ?f?gf?e?pf2me gf?gjf(f?1)?j(j?1)?i(i?1)2f(f?1) ?gf是對(duì)應(yīng)于?f與pf關(guān)系的朗德因子。在有外靜磁場(chǎng)b的情況下，總

7、磁矩將與外場(chǎng)相 ?互作用，使原子產(chǎn)生附加的能量 ?e?ee?f?b?gfpf?b?gfmf?b?gfmf?bb2me2me ?b?其中 e?24?12me?9.2741?10jt稱為玻爾磁子，mf是pf在外場(chǎng)方向上分量的量 子數(shù)，共有2f1個(gè)值?？梢钥吹?，原子在磁場(chǎng)中的附加能量e隨 mf變化，原來(lái)對(duì) mf簡(jiǎn) 并的能級(jí)發(fā)生分裂，稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)，一個(gè)f能級(jí)分裂成2f1個(gè)子能級(jí)，相鄰的子能級(jí)的 能量差為 ?e?gf?bb 再來(lái)看一下具體的分裂情況。87rb的核自旋i?3/2，85rb的核自旋i?5/2，因此，兩種原子的超精細(xì)分裂將不同。這里以87rb為例，介紹超精細(xì)分裂的情況，可以對(duì)照理解85rb的

8、分裂。 圖2 錯(cuò)誤！未指定書簽。原子在磁場(chǎng)中的超精細(xì)分裂情況如圖2所示。由于實(shí)驗(yàn)中d2線被濾掉，所涉及的52p3/2態(tài)的耦合分裂也就不用考慮。 2光磁共振躍遷 實(shí)驗(yàn)中已對(duì)銣光源進(jìn)行了濾光和變換，只讓d1+光（左旋圓偏振光）通過(guò)并照射到產(chǎn)生超精細(xì)分裂的銣原子蒸氣上，銣蒸氣將對(duì)d1+光產(chǎn)生吸收而發(fā)生能級(jí)間的躍遷。 需要指出的是 （1）從常溫對(duì)應(yīng)的能量kbt來(lái)衡量，超精細(xì)分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根據(jù)玻爾茲曼分布 87rb原子能級(jí)超精細(xì)分裂 n1?ekbtntotal 由52s1/2分裂出的8條子能級(jí)上的原子數(shù)應(yīng)接近均勻分布；同樣，由52p1/2分裂出的8條子能級(jí)上的原子數(shù)也接近均勻分布

9、。 （2）如果考慮到熱運(yùn)動(dòng)造成的多普勒效應(yīng)，銣光源發(fā)出的d1+光實(shí)際包含了連續(xù)頻率的光，這些光使得d1線有一定的寬度，同時(shí)也為銣蒸氣可能進(jìn)行的各種吸收提供了豐富的譜線。 ?e1處于磁場(chǎng)環(huán)境中的銣原子對(duì)d1+光的吸收遵守如下的選擇定則 ?l?1 ?f?1,0； ?mf?1 根據(jù)這一選擇定則可以畫出吸收躍遷圖，如圖3所示。 圖3 可以看到，躍遷選擇定則是 ?f?1,0； ?mf?1,0 躍遷見圖3的右半部分。當(dāng)光連續(xù)照著，躍遷5s?5p?5s?5p?這樣的過(guò)程就會(huì)持續(xù)下去。這樣，5s態(tài)中mf?2子能級(jí)上的原子數(shù)就會(huì)越積越多，而其余7個(gè)子能級(jí)上的原子數(shù)越來(lái)越少，相應(yīng)地，對(duì)d1+光的吸收越來(lái)越弱，最后

10、，差不多所有的原子都躍遷到了5s態(tài)的mf=+2的子能級(jí)上，其余7個(gè)子能級(jí)上的原子數(shù)少到以至于沒有幾率吸收光，這時(shí)光強(qiáng)測(cè)量值不再發(fā)生變化。 通過(guò)以上的分析可以得出這樣的結(jié)論：在沒有d1+光照射時(shí)，5s態(tài)上的8個(gè)子能級(jí)幾乎均勻分布著原子，而當(dāng)d1+光持續(xù)照著時(shí)，較低的7個(gè)子能級(jí)上的原子逐步被“抽運(yùn)”到mf=+2的子能級(jí)上，出現(xiàn)了“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象（偏極化）。 在“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”后，如果在垂直于靜磁場(chǎng)b和垂直于光傳播方向上加一射頻振蕩的磁場(chǎng)，并且調(diào)整射頻頻率，使之滿足 h?gf?bb 這時(shí)將出現(xiàn)“射頻受激輻射”，光吸收過(guò)程重又開始，光強(qiáng)測(cè)量值又降低。躍遷到5p態(tài)的原子在退激過(guò)程中可以躍遷到5s態(tài)的最下面的3個(gè)子能級(jí)上，所以，用不了多久，5s態(tài)的8個(gè)子能級(jí)上全有了原子。由于此時(shí)mf=+2子能級(jí)上的原子不再能久留，所以，光