光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置用于近代物理實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)所涉及的物理內(nèi)容豐富，可使學(xué)生直觀的了解到光學(xué)、電磁學(xué)及無線電子學(xué)等方面的知識(shí)，并能定性或定量的了解到原子內(nèi)部的很多信息。它是典型的波譜學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)之一。光磁共振實(shí)驗(yàn)中使用了光泵及光電探測(cè)技術(shù)，其靈敏度比一般磁共振探測(cè)技術(shù)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這一方法在基礎(chǔ)物理學(xué)的研究 、磁場(chǎng)的精確測(cè)量以及原子頻標(biāo)技術(shù)等方面都有廣泛的應(yīng)用。 E,EpzB$_dj  
一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span style="display:none"> NBaXfWh  
1．  掌握光抽運(yùn)和光檢測(cè)的原理和實(shí)驗(yàn)方法，加深對(duì)超精細(xì)結(jié)構(gòu)、光躍遷及磁共振的理解 。 o / i W%  
2．  測(cè)定銣87及銣85 的因子，地磁場(chǎng)垂直和水平分量等，培養(yǎng)分析物理現(xiàn)象和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。 G0^,@jF?b  
二．實(shí)驗(yàn)原理 T:?01?m  
（一）銣(Rb)原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)的能級(jí) Uk0Fo(HY  
    實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象是銣的氣態(tài)自由原子。銣?zhǔn)菈A金屬，它和所有的堿金屬原子Li、Na、K一樣，在緊緊束縛的滿殼層外只有一個(gè)電子。銣的價(jià)電子處于第五殼層，主量子數(shù)n=5。主量子數(shù)為n的電子，其軌道量子數(shù)L=0,1, …,n－1�；鶓B(tài)的L=0，最低激發(fā)態(tài)的L=1。電子還具有自旋，電子自旋量子數(shù)S=1/2。 =E~)svl6g  
由于電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用（即L－S耦合）而發(fā)生能級(jí)分裂，稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)。軌道角動(dòng)量Ps、的合成角動(dòng)量PJ=PL+PS。原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)用總角動(dòng)量量子數(shù)J來標(biāo)記，J=L+S,L+S-1, …,│L-S│。對(duì)于基態(tài)，L=0和S=1/2,因此Rb基態(tài)只有J=1/2。其標(biāo)記為５２S1/2。銣原子最低激發(fā)態(tài)是52P1/2及52P3/2雙重態(tài)。這是由于軌道量子數(shù)L=1，自旋量子數(shù)S=1/2。52P1/2態(tài)的J=1/2, 52P3/2態(tài)的J=3/2。５Ｐ與５Ｓ能級(jí)之間產(chǎn)生的躍遷是銣原子主線系的第１條線，為雙線。它在銣燈光譜中強(qiáng)度是很大的。52P1/2→５２S1/2躍遷產(chǎn)生波長為7947.6?的D1譜線，52P3/2→５２S1/2躍遷產(chǎn)生波長7800?的D2譜線。 J\fu6Ti  
原子的價(jià)電子在LS耦合中，總角動(dòng)量PJ與原子的電子總磁矩μJ的關(guān)系為　　　　　　　　　　 [:Y`^i
R.  
                                                         (1) 1*vt\,G  
　　　　　　　                                 (2)     Y[p  
gJ是朗德因子，J、L和S是量子數(shù)。 ~IIlCmMl,  
核具有自旋和磁矩。核磁矩與上述原子的電子總磁矩之間相互作用造成能級(jí)的附加分裂。這附加分裂稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)。銣元素在自然界中主要有兩種同位素，Rb87占27.85%, Rb85占72.15%。兩種同位素銣核的自旋量子數(shù)I是不同的。核自旋角動(dòng)量PI與電子總角動(dòng)量PJ耦合成PF,有PF＝PI＋PJ。JI耦合形成超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)，由F量子數(shù)標(biāo)記，F(xiàn)=I+J、…, │I-J│。Rb87的I=3/2,它的基態(tài)J=1/2,具有F=2和F=1兩個(gè)狀態(tài)。Rb85的I=5/2，它的基態(tài)J=1/2，具有F=3和F=2兩個(gè)狀態(tài)。 y%NZ(Y,v  
                             \-eDNwJ:#@  
整個(gè)原子的總角動(dòng)量PF 與總磁矩μF之間的關(guān)系可寫為 PZB_6!}2[F  
                                                                (3) uu`G<n  
其中的gF因子可按類似于求gJ因子的方法算出�？紤]到核磁矩比電子磁矩小約3個(gè)數(shù)量級(jí)，μF實(shí)際上為μJ在PF方向的投影，從而得 wz1fl#WU  
                                             (4) Vh o3I[C  
    gF是對(duì)應(yīng)于μF與PF 關(guān)系的朗德因子。以上所述都是沒有外磁場(chǎng)條件下的情況。 !c#~g0H+  
               SGK=WLGM
8  
如果處在外磁場(chǎng)B中，由于總磁矩μF與磁場(chǎng)B的相互作用，超精細(xì)結(jié)構(gòu)中的各能級(jí)進(jìn)一步發(fā)生塞曼分裂形成塞曼子能級(jí)。用磁量子數(shù)MF來表示，則MF=F,F-1,…,-F，即分裂成2F+1個(gè)子能級(jí)，其間距相等。μF與B的相互作用能量為 2Ysl|xRo  
iF!r}fUU6  
                          (5) \Ng|bWR>LQ  
   式中μB為玻爾磁子。Rb87的能級(jí)、Rb85的能級(jí)見圖，為了清楚，所有的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖均未按比例繪制。各相鄰塞曼子能級(jí)的能量差為                                                      (6) `j1(GQt  
   可以看出△E與B成正比。當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)，各塞曼子能級(jí)將重新簡并為原來能級(jí)。 %*Aq%,.={  
             ]%I}hjJ  
（二）增大粒子布居數(shù)之差，以產(chǎn)生粒子數(shù)偏極化 AC& }8w[>u  
氣態(tài)Rb87原子受D1σ╋左旋偏振光照射時(shí)，遵守光躍遷選擇定則 GL-r;  
                  △F=0,±1          △MF=+1 ZlEH3-Zv  
    在由５２S1/2能級(jí)到 52P1/2能級(jí)的激發(fā)躍遷中，由于σ╋光子的角動(dòng)量為+h，只能產(chǎn)生△MF=+1的躍遷�；鶓B(tài)MF=+2子能級(jí)上原子若吸收光子就將躍遷到MF=+3的狀態(tài)，但52P1/2各子能級(jí)最高為MF=+2。因此基態(tài)中MF=+2子能級(jí)上的粒子就不能躍遷，換言之其躍遷幾率為零。見圖。由52P1/2到５２S1/2的向下躍遷（發(fā)射光子）中，△MF=0，+1的各躍遷都是可能的。 eT<T[; m  
經(jīng)過多次上下躍遷，基態(tài)中MF=+2子能級(jí)上的子粒子數(shù)只增不減，這樣就增加了粒子布居數(shù)的差別。這種非平衡分布稱為粒子數(shù)偏極化。類似地，也可以用右旋圓偏振光照射樣品，最后都布局在基態(tài)F=2，且MF=-2的子能級(jí)上。原子受光激發(fā)，在上下躍遷過程中使某個(gè)子能級(jí)上粒子過于密集稱之為光抽運(yùn)。光抽運(yùn)的目的就是要造成基態(tài)能級(jí)中的偏極化，實(shí)現(xiàn)了偏極化就可以在子能級(jí)之間進(jìn)行磁共振躍遷實(shí)驗(yàn)了。 ,{rm<M.)  
                       stcbM  
（三）馳豫時(shí)間 )cUFb:D*"  
在熱平衡條件下，任意兩個(gè)能級(jí)E1和E2上的粒子數(shù)之比都服從波耳茲曼分布N2/N1=e-△E/kT,式中△E= E2-E1是兩個(gè)能級(jí)之差，N1、N2分別是兩個(gè)能級(jí)E1、E2上的原子數(shù)目，k是玻耳茲曼常數(shù)。由于能量差極小，近似地可認(rèn)為個(gè)子能級(jí)上的粒子數(shù)是相等的。光抽運(yùn)增大了粒子布居數(shù)的差別，使系統(tǒng)處于非熱平衡分布狀態(tài)。 ^Ox|q_E w}  
系統(tǒng)由非熱平衡分布狀態(tài)趨向于平衡分布狀態(tài)的過程稱為馳豫過程。促使系統(tǒng)趨向平衡的機(jī)制就是原子之間以及原子與其它物質(zhì)之間的相互作用。在實(shí)驗(yàn)過程中要保持原子分布有較大的偏極化程度，就要盡量減少返回波耳茲曼分布的趨勢(shì)。但銣原子與容器壁的碰撞以及銣原子之間的碰撞都導(dǎo)致銣原子恢復(fù)到熱平衡分布，失去光抽運(yùn)所造成的偏極化，不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。然而銣原子與磁性很弱的氣體如氮（N2）或氖（Ne）碰撞，對(duì)銣原子狀態(tài)的擾動(dòng)極小，不影響原子分布的偏極化。因此在銣樣品泡中充入10托的氮?dú)�，它的密度比銣蒸氣原子的密度�?個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣可減少銣原子與容器以及與其它銣原子的碰撞機(jī)會(huì)，從而保持銣原子分布的高度偏極化。此外，處于52P1/2態(tài)的原子需與緩沖氣體分子碰撞多次才能發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，由于所發(fā)生的過程主要是無輻射躍遷，所以返回到基態(tài)中八個(gè)塞曼子能級(jí)的幾率均等，因此緩沖氣體分子還利于粒子更快的被抽運(yùn)到MF=+2子能級(jí)的過程。 =bDy :yY}  
銣樣品泡溫度升高，氣態(tài)銣原子密度增大，則銣原子與器壁及銣原子之間的碰撞都要增加，使原子分布的偏極化減小。而溫度過低時(shí)銣蒸氣的原子數(shù)不足，也使信號(hào)幅度變小。因此有個(gè)最圍，一般在40o-60oC之間。 o n+:{ad  
（四）塞曼子能級(jí)之間的磁共振 ujH ^