1、光泵磁共振实验物理学中研究物质内部结构，最初是利用光谱学的方法，推动了原子和分子物理学的进展。如果要研究原子、分子等微观粒子内部更精细的结构和变化，光谱学的方法受到仪器分辨率和谱线线宽的限制。在此情况下发展的波谱学方法利用物质的微波或射频共振研究原子的精细、超精细结构以及因磁场存在而分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学方法有更高的分辨率。但是，热平衡下磁共振涉及的能级上粒子布居数差别很小，加以磁偶极跃迁几率也较小，因此核磁共振波谱方法也有如何提高信息强度的问题。对于固态和液态物质的波谱学，如核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)，由于样品浓度大，再配合高灵敏度的电子探测技术，能够得到足够强的共
2、振信号。但对气态的自由原子，样品的浓度降低了几个数量级，就得另外想新办法来提高共振信号强度。AKastler 等人在 20 世纪 50 年代提出了光抽运(optical pumping，又称光泵) 技术，并在 1966 年荣获诺贝尔奖。光抽运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。在探测磁共振方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，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七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。
3、使用光抽运磁共振光探测技术对许多原子、离子和分子进行的大量研究，增进了我们对微观粒子结构的了解，推动了结构理论方面的研究。此外，光抽运技术在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要的应用。本实验的物理内容很丰富，实验过程中不仅掌握其方法，也会见到比较复杂的现象。若能根据基本原理给出正确的分析，将受到一次很好的原子物理实验和综合实验的训练。1 实验目的加深对原子超精细结构的理解，测定铷原子（ ）超精细结构塞曼子能级的朗德因Rb子。2 实验原理一、铷(Rb)原子能级结构实验研究的对象是 的气态自由原子。 是碱金属原子，在紧紧束缚的满壳层外只RbRb有一个电子，价电子处于第 5 壳层，主量子数
4、。主量子数为 的电子，其轨道量子5nn数 。基态的 ，最低激发态10,n,L 0L的 。电子还具有自旋，电子自旋量子数 。21S由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即耦合）而发生能级分裂，称为精细结构(见图 3.1)。LS轨道角动量 与自旋角动量 的合成总角动量 。原子能级的精细结构LPs SLJP用总角动量量子数 来标记，J（1）sSL,1,原子的基态， 和 ，因此 基态只有 ，标记为 ；其Rb02/bR2/J2/15S最低激发态是 （ ）及 （ ） 。 与 能级之间产生的跃迁2/15P/J/35P/JP5S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。跃迁产生波长为 7
5、947.6 的 D1 谱线， 跃迁产生波长2/12/SA2/32/17800 的 D2 谱线。A原子的价电子在 耦合中，总角动量 与原子的电子总磁矩 ，的关系为LJPJ(2)JJJ2meg(3)1()S(L)(1gJ 其中 是朗德因子， ， 和 是量子数。JgS核具有自旋和磁矩。核磁矩与上述原子的电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂，这个附加分裂称为超精细结构。铷元素在自然界主要有两种同位素， 占 27.85%，87bR占 72.15。两种同位素铷核的自旋85bR量子数 是不同的。核自旋角动量 与I IP电子总角动量 ，耦合成 ，有JPF（4）IF耦合形成超精细结构能级(见图I32)，由量
6、子数 标记（5）LI,的 ，它的基态 ，具有 和 两个状态。 的87Rb2/32/1J1F285Rb，它的基态 ，具有 和 两个状态。/5I/J3整个原子的总角动量 与总磁矩 之间的关系可写为FPF(6)FPmeg2J其中： 因子可按类似于求 因子的方法算出。考虑到核磁矩比电子磁矩小约 3 个数Fg量级， 实际上为 在 方向的投影，从而得JFP(7)(F)I(J)(gJ12是对应于 与 PF 关系的朗德因子。Fg以上所述都是没有外磁场条件下的情况。如果处在外磁场 中，由于总磁矩 与磁场 的相互作用，超精细结构中的各能级BFB进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数 来表示， ，FMFF,1
7、,即分裂成 个子能级，其间距相等。 与 的相互作用能量为12FF(8)BgmegBPegE FF22式中： 为玻尔磁子。 的能级图见图 3.3， 的能级图见图 3.4。为了清楚，所有B87Rb85Rb的能级结构图均未按比例绘制。各相邻塞曼子能级的能量差为(9)BgEF可以看出 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能级。E二、光抽运气态 原子受 D1 左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则85Rb， 1,0F1MF在由 能级到 能级的激发跃迁中，由于 光子的角动量为 ，只能产生2/15S2/15P的跃迁。基态 子能级上的粒子若吸收光子就将跃迁到 的状FMFM3FM态，但
8、各子能级最高为 。因此基态中 子能级上的粒子就不能跃2/1 22F迁，换言之其跃迁几率为零。见图 3.5。由 到 的向下跃迁( 发射光子)中，2/15P/1S的各跃迁都是可能的。经过多次上下跃迁，基态中 子能级上的粒0,F F子数只增不减，这样就增大了粒子布居数的差别。这种非平衡分布称为粒子数偏极化。类似地，也可以用右旋圆偏振光照射样品，最后原子都布居在基态 ，且 的子22FM能级上。原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于集中称之为光抽运，其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。三、弛豫时间在热平衡条件下，任意两个能级 和 上的粒子数
9、之比都服从玻耳兹曼分布1E2，式中 是两个能级之差， 分别是两个能级 ，E/kTe/N12 221,N1E上的原子数目， 是玻耳兹曼常数。由于能量差极小，近似地可认为各子能级上的粒子数是相等的。光抽运增大了粒子布居数的差别，使系统处于非热平衡分布状态。系统由非热平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程称为弛豫过程。促使系统趋向平衡的机制就是原子之间以及原子与其他物质之间的相互作用。在实验过程中要保持原子分布有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回玻耳兹曼分布的趋势。但铷原子与容器壁的碰撞以及铷原子之间的碰撞都导致铷原子恢复到热平衡分布，失去光抽运所造成的偏极化。铷原子与磁性很弱的原子碰撞，对铷原子状态
10、的扰动极小，不影响原子分布的偏极化。因此在铷样品泡中充人 的氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度大 6 个数量级，这样可aP13减少 原子与容器以及与其他 原子的碰撞机会，从而保持 原子分布的高度偏极化。RbRbRb此外，处于 态的原子须与缓冲气体分子碰撞多次才能发生能量转移，由于所发生的2/15过程主要是无辐射跃迁，所以返回到基态中 8 个塞曼子能级的几率均等，因此缓冲气体分子还有利于粒子更快的被抽运到 子能级的过程。2MF铷样品泡温度升高，气态铷原子密度增大，则铷原子与器壁及铷原子之间的碰撞都要增加，使原子分布的偏极化减小。而温度过低时铷蒸气原子数不足，也使信号幅度变小。因此有个最佳温度范围，
11、一般在 4060之间( 的熔点是 38.89) 。Rb四、塞曼子能级之间的磁共振因光抽运而使 Rb87 原子分布偏极化达到饱和以后， 蒸气不再吸收 D1 光，从而使透过铷样品泡的 D1 光增强。这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场 的方向加一频率B为 的射频磁场，当 和 之间满足磁共振条件B(10)BghF时，在塞曼子能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。跃迁遵守选择定则 1M,0F原子将从 子能级向下跃迁到各子能级上，即大量原子由 的能级跃Rb2FM2FM迁到 (见图 36)，以后又跃迁到 等各子能级上。这样，磁共振1 2,F破坏了原子分布的偏极化，而同时，原子又继续吸收入射的 D1 光而进行新的抽
12、运，透过样品泡的光就变弱了。随着抽运过程的进行，粒子又从 各能级被抽210,MF运到 的子能级上。随着粒子数的偏极化，透射再次变强。光抽运与感应磁共振2FM跃迁达到一个动态平衡。光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，因此光抽运与磁共振的过程就可以连续地进行下去。 也有类似的情况，只是 D1 光将 抽运到基85Rb85Rb态的子能级上，在磁共振时又跳回到 等能级上。3FM3210,-,MF射频(场) 频率 和外磁场( 产生塞曼分裂的) 两者可以固定一个，改变另一个以满足B磁共振条件(10) 。改变频率称为扫频法( 磁场固定)，改变磁场称为扫场法(频率固定) 。五、光探测投射到铷样品泡上的 D1
13、 光，一方面起光抽运作用，另一方面，透射光的强弱变化反映样品物质的光抽运过程和磁共振过程的信息，用 D1 光照射铷样品泡，并探测透过样品泡的光强，就实现了光抽运磁共振光探测。在探测过程中射频(10 6Hz)光子的信息转换成了频率高的光频(10 14 Hz)光子的信息，这就使信号功率提高了 8 个数量级。样品中 和 都存在，都能被 D1 光抽运而产生磁共振。为了分辨是 。85Rb7 85Rb还是 参与磁共振，可以根据它们的与偏极化有关能态的 因子不同加以区分。对于7 Fg，由基态中 F=3 的态的 因子可知 ，对于85 Fg Gs/467MH.0/hB/ Z0，由基态中 F=2 态的 因子可知
14、。7Rb s7.Z4 实验装置实验的总体装置如图 37 的方框图所示。主体装置如图 38 所示。说明如下。1光源为铷原子光谱灯。由高频振荡器(频率约为 5565 MHz)，控温装置(8090) 及铷灯泡组成。铷灯泡在高频电磁场的激励下进行无极放电而发光，产生铷光谱，包括 D1=7948A 及 D2=7800A 光谱线。D 2 光谱线对光抽运过程有害，出光处装一干涉滤光片，其中心波长为 794850A，将 D2 线滤掉。2产生平行的 D1 圆偏振光装置。凸透镜 的焦距为 77mm，是为调准直使用的。偏振片与 40 m 厚的云母制成的 1/4 波片是为使 D1 线成为圆偏振光。3主体中央为铷样品泡
15、及磁场线圈部分。同位素比例为天然成分的铷和缓冲气体充在一直径为 52mm 的玻璃泡内，在铷样品泡的两侧对称放置一对小射频线圈 ，它为铷原子磁共振跃迁提供射频场。铷样品泡和射频线圈都置于圆柱形恒温槽内，称之为吸收池。槽内温度在 4060的范围内连续可调。吸收池安放在两对亥姆霍兹线圈的中心。一对竖直线圈产生的磁场用以抵消地磁场的竖直分量。另一对水平线圈有两套绕组。一组在外，为产生水平直流磁场的线圈。另一组在内，为扫场线圈，扫场是在直流磁场上叠加的一个调制磁场(方波或三角波)。要注意，使铷原子的超精细结构能级发生塞曼分裂的是水平方向的总磁场。4辅助电源。由实验装置方框图可以看到。射频信号是先输入辅助
16、电源，再由 24 芯电缆将辅助电源与主体装置联接起来。射频信号发生器(20k 1MHz)可以指示射频信号的频率值，功率大小可以调节。辅助电源上附有测水平线圈与竖直线圈励磁电流的电表，用以测水平场励磁电流和竖直场励磁电流等值(单位是安培 A)。如图 39 中有关部分所示。除射频小线圈外，所有励磁线圈都有一个极性换向开关和调节励磁电流的旋钮，它们装在辅助电源的前面板上。池温(ON，OFF)开关用于给吸收池加热。当池温和灯温显示灯亮时，说明池温和灯温已到工作温度。方波和三角波开关以及扫场幅度旋钮可用示波器观察它们的功能。水平场、水平扫场以及垂直场换向开关的功能可由指南针检验。把指南针放在线圈中心位置
17、，观察调节换向开关后指南针的偏转，从而判断各磁场方向与地磁场水平和垂直分量方向的关系。辅助电源后面板上有射频信号功率输入插孔和扫场信号输出插孔(已接好)。5聚光元件。凸透镜，焦距为 77mm。6光电接收装置。光电池作为光电接收元件，与放大器一起组成光检测器。然后将光强信号输出接到双线示波器 Y1 通道。5 实验任务和步骤一、仪器的调节实验受磁场影响很大，因此主体装置附近要避开其他铁磁性物质、强电磁场及大功率电源线等。1为了作好实验，应先用磁针确定地磁场方向。主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。2接通 DH807 电源开关，按“池温 ON“键( 加温铷样品泡)。开示波器电源。用指南针确定水平
18、场线圈、竖直场线圈及扫场线圈产生的各磁场方向与地磁场水平和垂直方向的关系，并作详细记录。3主体装置的光学元件应调成等高共轴。调整准直透镜以得到较好的平行光束，通过铷样品泡并射到聚光透镜上。因铷灯不是点光源，不能得到一个完全平行的光束，但仔细调节，再通过聚光透镜即可使铷灯到光电池上的总光量为最大，便可得到良好的信号。4电源接通约 20 分钟后，灯温灯亮，铷光谱灯点燃并发出紫红色光。池温灯亮，吸收池正常工作。5调节偏振片及 1/4 波片，使 1/4 波片的光轴与偏振光偏振方向的夹角为 以获得4/圆偏振光。 左旋圆偏振光把原子抽运到 的能级， 右旋圆偏振光把原子抽2MF运到 的能级。前面已述及。 光
19、没有抽运作用。它是线偏振光，可视为强度相等2MF的 与 的合成，两种相反的抽运作用全部抵消，没有抽运效应。当入射光为圆偏振光时，抽运的效应最强。当入射光是椭圆偏振光时，两种相反的抽运作用不会全部抵消，这时对入射光有吸收，也有抽运效应。因此在调光中一定要将 D1 光调成圆偏振光。写出调节步骤和观察到的现象。二、光抽运信号的观察铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。因此这一瞬间有总粒子数 7/8 的粒子在吸收 D1 光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到 子能级上，能吸收 的光粒子数减少，2MF透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到
20、子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。当磁场扫过零(指水平方向的总磁场为零) 然后反向时，各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。能级简并时铷原子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对 D1 光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号，如图 3.10。使用不同的扫场，加入或不加入竖直线圈磁场及水平线圈磁场，以及改变它们的励磁电流大小和方向都将影响光抽运信号。在记录光抽运信号时要将信号幅度调至最大，因此实验中要求首先调出图 3.10 中(b)所对应的信号，然后研究光抽运信号强度 (峰峰值)与垂直线圈产生的磁场(
21、大小和方向 )的关系，作出它们之间的关系曲线。把光抽运信号强度最大处对应的垂直线圈产生的磁场固定(后面的实验也要求这么做) ，研究光抽运信号强度与水平线圈产生的磁场(大小和方向 )的关系，作出它们之问的关系曲线。对上述两条曲线作出解释，并计算地磁场的垂直分量和估算地磁场的水平分量。最后调出图 3.10 中所有信号，并且详细记录其条件和分析各光抽运信号的产生原因。三、磁共振信号的观察光抽运信号反映两个能带(分别由 52S1/2 和 52P1./2 分裂而形成 )间的光学跃迁，磁共振信号则反映塞曼子能级之间的射频跃迁。磁共振破坏了粒子分布的偏极化，从而引起新的光抽运。这两种信号都是由透过样品泡的光
22、强变化来探测的。所以，从探测到的光强变化如何鉴别所发生的是单纯光抽运过程，还是磁共振过程引起的，实验时要根据它们的产生条件设法区分。观察磁共振信号时用三角波扫场(扫场法) 。每当磁场 值与射频频率 满足共振条件B(10)时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的光抽运。因此，对于确定的频率，改变磁场值可以获得 或 的磁共振磁共振信号的图像可以与图 310(e)、(f) 、(g) 相同。85Rb7对于确定的磁场值(例如三角波中的某一场值 )，改变频率同样可以获得 与 的磁共87Rb5振信号。实验中要求在选择适当频率(600kHz)及场强的条件下，观察铷原子两种同位素的共振信号并详细记录所有参量。四、
23、测量 gF 因子为了研究原子的超精细结构，测准 gF 因子是很有用的。我们用的亥姆霍兹线圈轴线中心处的磁感强度为(11)72310516)(N/rI/(B式中：N 为线圈匝数，r 为线圈有效半径(m)，I 为直流电流(A)。B 为磁感强度(T) ，(37)式中，普朗克常数 ，玻尔磁子 。利用(37)sJ.h3402 J/T.24109和(38)两式可以测出 因子值。要注意，引起塞曼能级分裂的磁场是水平方向的总磁场Fg(地磁场的竖向分量已抵消)，可视为 ，而 B 底 和 B 扫 的直流部分和可地地B能还有的其他杂散磁场，所有这些都难以测定。这样还能直接测出 因子来吗?可以的。Fg只要参考在霍尔效应实验中用过的换向方法，就不难解决了。测量 因子实验的步骤自己拟定。由实验测量的结果计算出 Rb87 和 Rb85 的 因子值。计算理论值并与测量值进行比Fg较。
