近代物理实验实验报告

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1、中国石油大t近代物理实验实脸报告成绩:___________________班级：材物二班姓名:焦方宇同组者：杜圣教师：周丽霞光泵磁共振【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徳因子。3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场【实验原理】1.Kb原子基态及最低激发态的能级在第一激发能级5P与基态5S之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。52P2221/2到5S1/2的跃迁产生的谱线为D1线，波长是794mn;5P1/2到5S1/2的跃迁产生的谱线为D2线，波长是780nni。在核自旋I=0时，原子

2、的价电子L-S耦合后总角动量PJ与原子总磁矩的关系pJ=-gJe2(1)iJ(J+1)-L(L+1)+S(S+1)gj=+2J(J+1)(2)I8785矣0时，对尺/?，1=3/2；对心，1=5/2。总角动量F=I+J，…，

3、T-J

4、o幻Rb基态F有两个值：F=2及F=1;基态有F=3及F=2。由FU子数表征的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁矩之间的关系为：pF=-gFe2mPF(3)F(F+1)+J(J+1)—1(1+1)=gj2F(F+1)在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁呈子数mF=F，F-1,…，-F,裂成2F+1个能量间隔基本相等的塞曼子能级。在弱磁场条件下，通

5、过解Rb原子定态薛定锷方程可得能量本征值为rxhE=Eo+丁[F(F+1)-J(J+1)-1(1+1)]+gFmF/zBB(5)由(5)式可得基态52Sl/2的两个超精细能级之间的能W:差为=—[F'(F+1)-F(F+1)](6)相邻塞曼子能级之间(△mFzii)的能量差为AEm/=gF//BB()(7)2.圆偏振光对Kb原子的激发与光抽运效应电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光可引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒）。而当入射光是左旋圆偏振光（角动量为）时，量子力学给出的跃迁定则为AL=±1，AF=O，±1，AmF=+1（角动量守恒）。87Rb的52

6、S21/2态及5P1Z2态的磁fi子数mF最大值都是+2,当入射光是光时，由于只能产生AmF=+1的跃迁，基态mF=+2子能级的粒子不能跃迁，当原子经历无辐射跃迁过程从52P2l/2回到5Sl/2时，粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态mF=+2的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态mF=+2的子能级上，这就是光抽运效应。3.弛豫过程在热平衡状态下，基态各了能级上的粒了数遵从玻尔兹曼分布N(8)由于各子能级能量差极小，可近似认为各能级上的粒子数相等。光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态。系统巾偏离热平衡分布状态趋M热平

7、衡分布状态的过程称为弛豫过程。本实验涉及的几个主要弛豫过程有以下几种：1、铷原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布。2、铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，失去偏极化。3、铷原子与缓冲气体的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小，对原子的偏极化基本没影响。4.塞曼子能级间的磁共振垂直于Bf）的方向所加一•圆频率力叫的射频场或=AdCOS（69,Z）+?ysin^z）），当h满足共振条件——叫（9）时，塞曼子能级之间将发生磁共振。抽运到基态mF=+2子能级上的大量粒子，由于射频场&的作用产生感应跃迁，即由mF=+2跃迁到mF=+l同时由于光抽运的存在，处于mF矣+2子能

8、级上的粒子又将被抽运到o1mF=+2子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的平衡。在发生磁共振时，由于mF*+2子能级上的粒子数比米共振吋多，因此对光的吸收增大。5.光探测射到样品泡上Di线的光67+—方面起到光抽运作用，另一方面透过样品的光又可以兼作探测光。测量透过样品的0,(7+光强的变化即可得到磁共振的信号，实现了磁共振的光探测，巧妙地将一个低频射频光子(1-lOMHz)转换为一个光频光子(108MHz)，使信号功率提高了7-8个数量级。【实验仪器】本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分纟II成，见图1.射频信兮____________发生器_____詠辅助

9、源--------------►主体单元------------►示波器主电源-------------------图2主体单元示意图主体如图2所示。光源采用高频无极放电Rb灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于D2线的存在不利于02线的光抽运，故用透过率大于60%，带宽小于15mn的干涉滤光片就能很好地滤去D2线。用高碘硫酸奎宁偏振片和40微米左右的云母1/4波片可产生左旋偏振光6+，透镜L1可将光源发