南京大学近代物理实验-光磁共振
光磁共振实验
摘要：本实验依据塞曼效应、光抽运效应、基态塞曼子能级间的光磁共振等原理，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。
关键词：光磁共振，光抽运，塞曼效应
一、引言
二、实验原理
三、实验仪器
四、实验步骤：
五、数据处理及误差分析
亥姆霍兹线圈轴中心处磁感应强度B 的计算公式为
732
16B 105
N
I T r
π-=
∙
⨯
其中r 为线圈有效半径（m ），I 为线圈电流强度（A ）。本实验中线圈的相关参数见下表
1．地磁垂直分量测量
实验测得垂直磁场与地磁场垂直分量完全抵消时，垂直线圈电流为0.062A ，代入磁感应强度计算式中，得地磁场垂直分量
5B =1.8210T -⨯地垂直.
2.铷原子基态朗德因子F g 和核自旋量子数I 测量
水平线圈电流0.280A ，代入磁感应强度计算式中，对应的磁感应强度为
4B =1.3110T -⨯水平
（1）85
Rb 原子： 实验测得
1ν=979.4kHz 2ν=265.3kHz
与B 水平对应的频率
ν=622.35kHz
由此可以算出85
Rb 原子的
F g =0.34
I=2.45
F g 的理论值为F g 理论=1
3
，因此F g 的测量误差为
F F F g F g -g =
100%g ∆⨯理论
理论
=1.83%
I 的理论值为I 理论=2.5，因此I 的测量误差为
I I-I
=100%I ∆⨯理论
理论
=2.16%
（2）87Rb 原子：
实验测得
1ν=1460.6kHz
2ν=392.8kHz
与B 水平对应的频率
ν=926.7kHz
由此可以算出87Rb 原子的
F g =0.51
I=1.48
F g 的理论值为F g 理论=0.5，因此F g 的测量误差为
F F F g F g -g =100%g ∆⨯理论
理论
=1.08%
I 的理论值为I 理论=1.5，因此I 的测量误差为
I I-I
=100%I ∆⨯理论
理论
=1.43%
3.地磁场的水平分量B 地水平和倾角θ的测量
水平线圈电流0.280A ，对应的磁感应强度为4B =1.3110T
-⨯水平
（1）85Rb ：
3ν=485.9kHz
与B 地水平对应的频率为
ν=246.75kHz
计算得
5B =5.2910T -⨯地水平
（2）87Rb ：
3ν=725.9kHz
与B 地水平对应的频率为
ν=367.35kHz
计算得
5B =7.8710T -⨯地水平
两者取平均值，得
5B =6.5810T -⨯地水平
前面已经测得
5B =1.8210T -⨯地垂直
所以
B 地=5
6.8310T -⨯ 倾角为B tan =B θ地垂直
地水平
=0.277
本实验误差的主要来源：
1. 本实验测量过程中，实验室内还在进行塞曼效应的实验，其使用的强磁场对本实验中磁共振频
率的测量产生了干扰；
2. 示波器信号飘忽不定，使磁共振频率的测量存在读数误差；
3. 遮光布遮光不充分，外界光透入对测量产生干扰。
六、思考题
1.为什么实验要在抵消地磁场垂直分量状态下进行？
用垂直磁场线圈抵消地磁场的垂直分量是为了消除地磁场在垂直方向上对实验的影响，如 不抵消，实验效果将不明显，导致误差较大，甚至观察不到信号。
2.扫场在实验中的作用是什么？
扫场起到中介的作用，使得在求F g 时消除地磁场水平分量的影响。
3.测量F g 值时，将水平场换向得到的频率为12
=2ννν+，为什么不是12
=2ν
νν-？
因为水平磁场和扫场的方向相同，在推得 F g 的表达式时，相加消去扫场与地水平磁场 得到的是12
=2ννν+。
参考文献
[1]黄润生，沙振舜，唐涛等，近代物理实验（第二版），南京大学出版社，2008.
9.2近代物理实验核磁共振
实验9.1 核磁共振 熊波 121120148 （南京大学物理学院2012级） 引言：在基本实验的基础上，得到三种不同样品的核磁共振谱，并具体计算他们的化学位移与自旋耦合效应。其次，对自旋耦合效应的相互作用与等间距特点进行了一定的调研， 可以从理论上直接证明这些特点。 关键词：核磁共振；化学位移；自旋耦合； §1.引言 1946 年，美国斯坦福大学的 Bloch 等人和哈佛大学的 Purcell 等人独立地采用原子核感应法，即同时将一个恒定磁场和沿垂直于恒定磁场方向上的一个交变磁场同时作用于原子核系统上，然后测定由原子核磁矩进动所感应的电动势，发现了核磁共振现象。后来.Bloch 和 Purcell 因为这一发现而获得了 1952 年度的诺贝尔物理学奖。今天，核磁共振已成为研究物质结构和原子核的磁性、进行各种化合物的分析租鉴定、精密测定各种原子核磁矩以及作为核磁共振成像仪的重要原理和组成部分在医学上进行诊断的有力工具。 §2.实验原理 §2.1 .原子核的基本特性 原子由原子核和核外运动的电子所组成。原子核的电荷、质量、成分、大小、角动量 和磁矩构成了它的基本性质。众所周知，原子核带正电，所带电量和核外电子的总电量相等，数值上等于最小电量单位e( C)的整倍数，称为电荷数。原子核的质量一般用质量数表示，接近于原子质量单位 u( kg)的整数倍。原子核由质子和中 子所组成。质子和中子的质量大致相等，但每个质子带正电量e，而中子则不带电。因此，元素周期表中的原子序数 z 在数值上等于相应原子核外的电子数、核内质子数和核的电荷数。原子核的半径为m的数量级。 原子核具有本征角动量，通常称为原子核的自旋，等于核内所有轨道和自旋运动的角 动量的总和。核自旋可用自旋量子数I来表征。核内的中子和质子都是的粒子。实验证 明，如将原子核按其自旋特性来分类，则可分为三类: (1) 电荷数(即原子序数)与质量数都为偶数的核，如，等，它们的自旋量子数为零; (2) 质量数为单数的核，如，，等，它们的自旋量子数为半整数(，，…) ; (3) 质量数为双数，但电荷数(原子序数)为单数的核，如，等，它们的自旋量子数为整数(1，2，3，…)。 依量子力学，自旋量子数的孤立原子核具有本征自旋角动量和本征自旋磁矩μ： ℏμμ
南京大学物理系本科近代物理教学大纲（最终定稿）
南京大学物理系本科近代物理教学大纲（最终定稿） 第一篇：南京大学物理系本科近代物理教学大纲 《近代物理实验》教学大纲 一、实验教学目标与基本要求 近代物理实验是继普通物理实验和无线电电子学实验后的一门重要的基础实验课程，具有较强的综合性和技术性。 本课程的主要目的是：通过近代物理实验丰富和活跃学生的物理思想，培养他们对物理现象的观察能力和分析能力，引导他们了解实验物理在物理概念的产生、形成和发展过程的作用，学习了近代物理中的一些常用方法、技术、仪器和知识，进一步培养正确的和良好的实验习惯以及严谨的科学作风，使学生获得一定程度的实验方法和技术研究物理现象和规律的独立工作能力。 １．学习如何用实验方法和技术研究物理现象与规律，培养学生实验过程中发现问题，分析问题和解决问题的能力，以及创新能力。 ２．学习了近代物理某些主要领域中的一些基本实验方法和技术，掌握有关的仪器的性能和使用。 ３．通过实验加深对近代物理的基本现象及其规律的理解。４．巩固和加强有关实验数据处理及误差分析方面的训练。 ５．培养实事求是，踏实细致，严肃认真的科学态度和克服困难，坚韧不拔的工作作风以及良好的实验素养。 本课程的教学方式是在教师指导下，学生独立进行实验，教学中提倡学生之间的讨论和交流。教学过程分为预习、操作和撰写实验报告三个教学环节。 本课程的考核方法是以平时成绩为主，期终采取笔试或口试或操作考核，最后综合评定成绩，按百分制给成绩。 二、实验课程内容与学时分配 本课程为一学年。其中第一学期和第二学期各8个实验，共要求学生完成16个实验。 114
三、实验题目及其目的和实验内容 原子、分子与量子物理：钠原子的发射光谱，CCl4分子振动拉曼散射光谱，黑体辐射，塞曼效应； 核物理与相对论：核磁共振，NaI(TI)闭烁谱仪和γ射线在物质中的吸收，相对论效应；真空物理与致装冷技术：高真空的获得与测量，真空镀膜及铜膜的霍尔效应和电阻率的测量，汽液两相致冷机； 微波与光学：反射速调管工作特性，Properties of Klystrons and wave-guides 速调管和波导管特性，Optical Properties of microwaves 微波的光特性，光拍法测量光速； 固体物理：微波段电子自旋共振，电子衍射，用椭圆偏振仪测定薄膜的厚度和折射率，铁磁共振，热电子发射规律研究，红外分光计应用，紫外分光计应用，Dielectric properties of microwaves 微波介质介电常数测量，光磁共振，穆斯堡尔谱仪，扫描隧道显微镜； 先进测量技术：锁相放大器应用－PN结电容的测量，工业CT，计算机自动测量，Virtual Instruments 虚拟仪器，光纤光栅传感实验。 一、原子、分子与量子物理 实验 一、钠原子的发射光谱实验目的： 对钠原子光谱的观察与拍摄，分析测量计算其谱线的波长、量子亏损及光谱线的固定项，绘制能级图。实验内容： 1、钠原子光谱的拍摄； 2、辨认和测量钠原子光谱； 3、数据处理 实验 二、CCl4分子振动拉曼散射光谱实验目的： 通过对一些典型分子的常规喇曼谱进行测量，达到对这方面的基本原理和基本实验技术有一定的了解。实验内容： (1)基本实验：记录CCl4 分子的振动喇曼谱；(2)选做实验：测CCl4 分子的偏振喇曼谱并求其退偏比；识别某些化学样品。 115
光泵磁共振实验
光泵磁共振实验探讨 无锡高等师范学校毛宏伟 摘要光泵磁共振实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼能级间的磁共振。它是近代物理实验中一个基本而重要的实验。本文主要从光抽运信号观察、磁共振信号观察、测量g F 因子、测量扬州地区地磁场等几个方面展开探讨。 关键词光抽运, ,磁共振，g F因子，地磁场 一、光泵磁共振的实验原理 1．铷原子的能级 光泵磁共振实验研究的对象是铷的气态自由电子。由原子物理可知,铷是一价碱金属,其价电子处于带5壳层,主量子数n=5,对于同一主量子数n,有L=0,1,…,(n-1)个不同的轨道状态,L=0对应于基态,L=1是最低激发态。电子还具有自旋,电子自旋量子数S=1/2。由于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。轨道角动量 P L 与自旋角动量P S 合成总角动量P L =P L +P S 。原子能级的精细结构用电子的总角动量量子数J来 标记：J=L+S,L+S-1,…,|L-S|。对于基态,L=0,S=1/2,其标记为52S 1/2 ;对第一激发态,L=1,S=1/2, 是双重态52P 1/2及52P 3/2 ,分别对应于J=1/2和J=3/2。5P与5S能级之间的跃迁是铷原子的第一 条线,为双线,在铷光谱中强度最大。其中52P 1/2到52S 1/2 的跃迁称D1线,波长为7948A , 52P 3/2 到52S 1/2的跃迁为D2线,波长为7800A。.铷核具有自旋和磁矩。由于核自旋角动量P I 与电子 的总角动量P J 相互作用,即IJ耦合,形成P F ,有P F =P I +P J 。IJ耦合形成超精细结构能级,用量子 数F标记,F=I+J,…,|I-J|。铷有两种同位素87Rb和85Rb, 87Rb的I=3/2,基态J=1/2,具有F=2和F=1两个状态, 85Rb的I=5/2,基态J=1/2,具有F=3和F=2两个状态。以上所述是没有外磁场的情况。如果处在外磁场B 中,由于原子的总磁矩μ F 与磁场B 的相互作用,超精细结构中的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼能级。用磁量子数mF来描述塞曼能级状态,mF=F,F-1,…,-F,即分裂成2F+1个能量间距相等的塞曼能级。以上所述的有关铷原子能级情况如图1所示。
光磁共振
光磁共振 物理学院07级 071120025 戴赟赟 【引言】 光磁共振技术是２０世纪５０年代法国物理学家卡斯特勒（Ａ．Ｋａｓｔｌｅｒ）提出的。他于１９９６年获诺贝尔物理学奖。该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测，采用光探测原子对入射光的吸收，获得了磁共振信号。因此光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约十个量级，因而特别适用于研究原子、分子的细微结构及其有关参量的精密测量，以及对原子、分子间各种相互作用进行研究。近年来出现的激光射频双共振技术为原子、分子高激发态的精密测量开辟了广阔的前景。利用光磁共振原理在量子频标和精密测定磁场上已经开发了精密仪器，即原子频率标准（原子钟）和原子磁强计，更重要的是光磁共振原理为激光的发现奠定了基础。 【实验目的】 1、掌握光抽－运磁共振－光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。 2、测定铷同位素Ｒｂ８７和Ｒｂ８５的ｇF因子，测定地磁场。 【实验原理】 光磁共振是根据角动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。由于应用了光探测方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的优点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级。它对原子、分子等内部的微观结构的研究，在量子频标、弱磁场的精确测量等方面都有很大的应用价值。 1．铷原子的超精细结构及其塞曼分裂 铷是一价碱金属原子，天然铷中含有两种同位素：Ｒb87和Ｒb85。根据ＬＳ耦合产生精细结构，它们的基态是52Ｓ1／2，最低激发态是52Ｐ1／2和52Ｐ3／2的双重态。对Ｒb87，52Ｐ1 ／2—52Ｓ 1／2跃迁为Ｄ1线（λ1＝7９４8 A）；52Ｐ 3／2—5 2Ｓ 1／2为Ｄ2线（λ2＝7200 A）。 铷原子具有核自旋I，相应的核自旋角动量为ＰI，核磁矩为μI。在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即ＰI和ＰJ耦合成总角动量ＰF，F为总量子数：F＝I＋Ｊ，…，｜I －Ｊ｜。对Ｒb87，I＝3／2，因此Ｒb87的基态有两个值：F＝2和F＝1。对Ｒb85，I＝5／2，因此ＲB85的基态有F＝3和F＝2。由量子数F标定的能级称为超精细结构能级。原子总角动量ＰF与总磁矩μF之间的关系为： μF＝-g F P F（3．2-1） ｇF＝g J (3．2-2）在磁场Ｈ中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。对某－F值，磁量子数ＭF＝F，…，－F，即分裂为2F＋1个能量间距相等（ΔＥ＝ｇFμBＨ，μB为玻尔磁子）的塞曼子能级（见图3．2-1）。
光磁共振
102 实验二十四 光 磁 共 振 光抽运（Optical Pumping ，也称光泵）由克斯特勒（A. Kastler ）等 人于本世纪五十年代初提出。光磁共振是指通过“光抽运一磁共振一光探测”来研究原子细微结构的一种实验方法，它解诀了光谱方法及核磁共振、电子顺磁共振方法不能满意解决的微观粒子内部细微结构和变化的许多问题。光磁共 振光探测技术是原子结构研究的重要手段，在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。 【实验目的】 1．了解光磁共振的基本原理和实验方法。 2．观察铷原于基态塞曼光抽运信号和磁共振信号，测定g 因子值。 3．运用光磁共振方法测量地磁场。 【实验原理】 1．铷原子能级的超精细结构及塞曼分裂 原子的核磁矩与电子磁矩的相互作用会产生原子能级的超精细结构。而原子的总磁矩与磁场的相互作用, 使超精细结构进一步分裂（塞曼效应）。我们知道，在磁场中，原子总磁矩与磁场B 的相互作用能为 B m g B E B F F F μμ=?-=→ → (1) 式中F m 一原子总角动量J 在磁场方向的投影，称为磁量子数。共有2F ＋1个值，F 为原子总量子数：μB 一玻尔磁子，为一物理常数；B 一磁场的磁通密度，F g 一朗德因子，其值在理论上为 ) 1(2) 1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g J F ) 1(2) 1()1()1(1++++-++ =J J S S L L J J g J （S 一电子自旋量了数：L 一电子轨道量子数；I 一原子核自旋量了数；J 一L 与S 的合成量子数，从（1）式可知，相邻两塞曼了能级间的能量差为 B g E B F μ=? (2) 铷（Rb ）属碱金属，天然铷同位素有两种， 85 Rb 占72．15％， 87 Rb 占27.85％，原子 能级基态是2/125S (，对应L ＝0，S ＝1／2,J=1/2)，最低激发态2/125P 与2/32 5P 是的双重态（对应L=1，S ＝1／2,J=1/2,3/2），基态2/125S 跃迁到最低激发态2/125P 与2/325P 的D 1 线波长是 794.8nm ，D 2 线波长是780.0nm ，以87 Rb 为例，图1表示它在磁场中的精细结构及塞曼分裂。
光磁共振
光磁共振 物理041班04180132 吕永平 摘要: 掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解， 掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，进而测定铷原子超精细结构塞曼能级的朗德 因子。 引言: 光磁共振由法国物理学家Kastler在1950年首创的。它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann分布。 然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动，使光的抽运速率变化。通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级超精细结构。 把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来，由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验中应用了光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法可用于基础物理研究，在量子频标、精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价值。由于光磁共振的应用价值，Kastler获得了1966年的诺贝尔奖。 实验方案: 实验仪器： 本实验总体系统由光泵磁共振实验仪主体单元、辅助源、射频信号发生器及示波器四部分组成。 下此图为实验装置示意图：
实验原理： 光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。 采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、 因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。 铷原子的能级分裂（精细结构的形成） 由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S 耦合）发生能级分裂,用J 表示电子总角动量量子数，对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为 ；对于最低激发态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为 ，如右图所示，形成两条谱线。 电子轨道角动量L P 和自旋角动量S P 的合成角动量 J L S P P P =+ ，电子总磁矩J u ，两者关系为2J J J e u g P m =，其 中(1)(1)(1)12(1) J J J L L S S g J J +-+++=++ 原子超精细结构由核磁矩与电子磁矩的相互作用形成。核的 自旋量子数表示为I ，铷原子的两种同位素的自旋量子数分别 为：8785(27.85%),3/2 (72.15%),5/2Rb I Rb I ==，核的自旋角动量表示为I P ，得原子总角动量：F I J P P P =+ ，其中F 用来表示 原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。 87851/2,2,1 ,3/2,3/2,3,2,1,01/2,2,1 ,5/2,3/2,...... J F Rb I J F J F Rb I J ==?=?==?==?=?=?基态基态 2F F F e u g P m =,其中 (1)(1)(1)2(1) F I F F J J I I g g F F +++-+=+ 塞曼子能级的形成：原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。这些能级用磁量子数来表示，,1,...,F M F F F =--，能级间距相同。F u 和B 相互作用能表示如下： F F F B E u B g M B μ=-?= 能级间距为：F B E g B μ?=,其中B μ为玻尔磁子。 将角动量为+ 的左旋圆偏振光照射到气态原子87Rb 后，根据光跃迁选择定则，基态中 2F M =+能级上的粒子数会越来越多，形成粒子数偏极化。高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利条件。 本实验中，在样品泡中加入少量分子磁矩较小的缓冲气体（如氮、氖等）避免铷原子与容器壁碰撞而使粒子失去偏极化。另外将温度保持在50到60摄氏度之间， 尽量减
[南京大学08级近代物理实验二(大四上学期)]9.3光磁共振
光磁共振 1. 实验目的 1.1. 掌握光抽运、磁共振、光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能 级 间的磁共振。 1.2. 测定铷同位素Rb 87和Rb 85 的ｇF 因子，测定地磁场。 2. 实验仪器 实验仪器包括：光（泵）磁共振实验仪、射频信号发生器、数字频率计、二通道型数字存储示波器、直流数字电压表等。其中，光（泵）磁共振实验仪由主体单元和辅助源两部分组成。主体单元是实验的核心部分，基本结构如图6-1所示。 图6-1 光（泵）磁共振实验仪主题单元示意图 3. 实验原理 3.1. 铷原子的超精细结构及其塞曼分裂 铷是一价碱金属原子、天然铷中含有两种同位素： Rb 87和Rb 85。根据LS 耦合产生精细结构，它们的基态是52S 1/2，最低激发态是52P 1/2和52P 3/2的双重态。对Rb 87,52P 1/2--52S 1/2跃迁为D 1线(7948?λ=)，52P 3/2-52S 1/2为D 2线(7200?λ=)。 铷原子具有核自旋I ，相应的核自旋角动量为PI ，核磁矩为μI 。在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即PI 和PJ 耦合成总角动量PF ，F 为总量子数：F=I ＋J ．…，|I-J|。对Rb87，I=3/2，因此Rb87的基态有两个值：F=2和F=1。对Rb85，I=5/2，因此85R b 的基态有F ＝3和F ＝2。由量子数F 标定的能级称为超精细结构能级。原子总角动量F P 与总磁矩F μ之间的关系 2F F F e g P m c μ=- (6-1) 其中 ()()() () F F 1J J 1I I 1g =g 2F F 1F J +++-++ (6-2) 当非磁性物质铷原子处于弱的外磁场B 中时，铷原子获得附加的能量 F m F F F B E m g B μ=-?=μB (6-3)
光磁共振
1 光磁共振试验[定稿] 光磁共振(光泵磁共振)利用光抽运（Optical PumPing ）效应来研究原子超精细结构塞曼子能 级间的磁共振。研究的对象是碱金属原子铷（Rb ），天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb 占72．15％， 87Rb 占27．85％。 气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验应用光抽运、光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有很大的实际应用价值。 [实验目的] 1． 加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。 2． 测定铷原子超精细结构塞曼子能级的郎德因子。 [实验原理] 1.铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级 实验研究的对象是铷的气态自由原子。铷是碱金属原子，在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。主量子数为n 的电子，其轨道量子数L=0,1,……,n-1。基态的L=0, 最低激发态的L=1。电子还具有自旋，电子自旋量子数S=1/2。 由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（既L —S 耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。电子轨道角动量L P 与其自旋角动量S P 的合成电子的总角动量S L J P P P +=。原子能级的精细结构用总角动量量子数J 来标记，J=L+S ，L+S-1，…，|L-S |.对于基态， L=O 和S=1/2,因此Rb 基态只有J=1/2。其标记为521/2S 。铷原子最低激发态是3/22P 5及1/22P 5。1/22P 5态的J=1/2， 3/22P 5态的J=3/2。5P 于5S 能级之间产生的跃迁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。1/22P 5→1/22S 5跃迁产生波长为06.7947A 的1D 谱线,3/22P 5→1/22S 5跃迁产生波长0 7800A 的2D 谱线。 原子的价电子在LS 耦合中，其总角动量J P 与电子总磁矩J μ的关系为： J J J P m e g 2-=μ (4-4-1) ) 1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J (4-4-2) J g 是郎德因子，J 是电子总角动量量子数，L 是电子的轨道量子数，S 是电子自旋量子数。 核具有自旋和磁矩。核磁矩与上述电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。这附加分裂称为超精细结构。铷的两种同位素的自旋量子数I 是不同的。核自旋角动量I P 与电子总角动量J P 耦
光磁共振实验 实验报告
光泵磁共振 蒲阳文161120097 一、实验目的 （1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。 （2）测定铷同位素85Rb和87Rb的g F因子、地磁场垂直和水平分量。 实验重点：实验装置中磁场的作用。 实验难点：光磁共振的应用—地磁场的测量 二、实验原理 光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。 1、铷原子基态和最低激发态的能级 天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。 由于电子轨道总角动量P L与自旋总角动量P S的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，|L—S|。铷的基态，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，只有J=1/2一个态52S1/2。铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。 已知核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量P J与原子总磁矩μJ的关系为：μJ=–g J eP J/（2m e）（1） J（J+1）—L（L+1）+S（S+1） g J=1+ ───────────────（2） 2J（J+1） 但铷原子的核自旋I≠0。所以核自旋角动量P I与电子总角动量P J耦合成原子总角动量P F，有P F=P J+P I，耦合后的总量子数是F=I+J，…，|I—J|。87Rb的基态J=1/2、I=3/2，有F=2和F=1两个状态。85Rb的基态J=1/2，I=5/2，则有F=3和F=2两个态。把F量子数表征的能级称为超精细结构能级。原子总角动量P F与总磁矩μF之间的关系（见本实验附录）为：μF=–g F eP F/（2m e） F（F+1）+J（J+1）—I（I+1）
光泵磁共振预习报告
实验课程名称 近代物理实验 实验项目名称 光泵磁共振 内容包含：实验目的、实验原理简述、实验中注意事项、实验预习中的问题探讨 一、实验目的: 1、掌握核磁共振的原理与基本结构； 2、学会核磁共振谱图的操作方法与谱图分析； 3、了解核磁共振在实验中的具体应用。 二、实验原理简述： 核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。 根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同： 质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0 质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数 质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数 迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有： 1H 、11B 、13C 、17O 、19F 、31P 由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加 磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。 原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。 原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。 为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原 子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定 频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。 FD-CNMR-I 型核磁共振实验仪采用永磁铁，是定值，所以对不同的样品，通过扫频法调节射频场的频率使之达到共振频率，满足共振条件，核即从低能态跃迁至高能态， 同时吸收射频场的能量，使得线圈的值降低产生共振信号。 由于示波器只能观察交变信号，所以必须使核磁共振信号交替出现，FD-CNMR-I 型核磁共振实验仪采用扫场法满足这一要求。在稳恒磁场上叠加一个低频调制磁场，这个调制磁场实际是由一对亥姆霍兹线圈产生，此时样品所在区域的实际磁场为)sin(0t B B m ⋅'+ω。
光磁共振 实验报告
一、实验目的 1．掌握光抽运-磁共振-光检测的实验原理及实验方法； 2．研究原子，分子能级的超精细结构； 3．测定铷原子同位素87Rb 和85Rb 的郎德因子g ，测定电磁场的水平分量。 二、实验原理： 1．铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z =37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87 Rb ，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 μ为 2 J 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。 原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。核角动量I P 和核外电子的角动量J P 耦合成一个更大的角动量，用符号 F P 表示，其量子数用F 表示，则 图B4-1 Rb 原子精细结构的形成
I J F P P P += （B4-3） 与此角动量相关的原子总磁矩为 2F F F e e g P m μ=- （B4-4） 式中 ) 1(2) 1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g J F （B4-5） F g 是对应于F μ与F P 关系的朗德因子。在有外静磁场B 的情况下，总磁矩将与外 场相互作用，使原子产生附加的能量 22F F F F F F F B e e e e E B g P B g M B g M B m m μμ=-⋅=⋅== （B4-6） 其中2B e e m μ= 124102741.9--⨯=JT 称为玻尔磁子，F M 是F P 在外场方向上分量的量子数，共有2F ＋1个值。可以看到，原子在磁场中的附加能量E 随F M 变化，原来对F M 简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个F 能级分裂成2F ＋1个子能级，相邻的子能级的能量差 B g E B F μ=∆ （B4-7） 再来看一下具体的分裂情况。87Rb 的核自旋2/3=I ，85Rb 的核自旋2/5=I ，因此，两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb 为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb 的分裂。 原子在磁场中的超精细分裂情况如图B4-2所示。由于实验中D 2线被滤掉，所 图B4-2 87 Rb 原子能级超精细分裂
光磁共振实验测量地磁场方法的探究
光磁共振实验测量地磁场方法的探究 吴奕初;胡占成;刘海林;李美亚 【摘要】Based on the principle of optical magnetic resonance ,several methods of measuring the horizontal and the vertical components of the geomagnetic field were compared and analyzed .Further‐more ,a modified method ,w hich could be used to measure both the horizontal and the vertical compo‐nents of the geomagnetic field more directly and more accurately ,was introduced by considering the influence of the vertical component on the magnetic resonance .In the case of no offsetting on the ver‐tical component and changing only the direction of the current ,the linear relationship between the difference of two resonant frequency square and the current was obtained ,and the slope of the fitting line was given ,thus the value of the magnetic field component was calculated .This method could a‐void the error caused by offsetting the vertical component of the geomagnetic field .%在对光磁共振实验原理深入了解的基础上，对光磁共振测量地磁场的诸多方法进行了比较研究，分析了外加水平及竖直方向磁场对共振条件的影响，提出了利用光磁共振实验直接测量地磁场的改进方法。在不抵消地磁场竖直分量的情况下，只改变电流方向而不改变其大小得出前后2次共振频率的平方差与电流的线性关系，进而拟合直线得出斜率，计算出地磁场分量的大小，从而避免了抵消法测地磁场竖直分量带来的误差。 【期刊名称】《物理实验》 【年(卷),期】2016(036)004
光磁共振实验原理
光磁共振实验原理 一．实验目的 1． 掌握光抽运—磁共振的原理和实验方法。 2． 研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。 3． 测定铷同位素87Rb 和85Rb 的g F 因子。 4． 测定地磁场。 二．实验原理 光抽运或称光泵技术巧妙地将光抽运，磁共振和光探测技术综合起来，用以研究汽态原子的精细和超精细结构。克服了用普通的方法对气态样品观测时，共振信号非常微弱的困难。用这个方法可以使磁共振分辨率提高到1110T -。实验是以天然37号元素铷（87 Rb 和85 Rb ）为样品，核外电子状态为1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 ,研究碱金属铷原子的基态52 S 1/2磁共振。 加外磁场使原子能级分裂，光照使原子从基态跃迁激发态，特别是从52S 1/2态向52P 1/2态跃迁，跃迁过程吸收光子因而检测到的光信号微弱，当偏极化饱和时跃迁吸收停止，检测到的光信号又增强到光源的光强。 1. 铷（Rb ）原子能级的超精细结构和塞曼分裂 铷的两种同位数87 Rb 和 85 Rb 的核自旋量子数I 分别是3/2和5/2。 原子能级的超精细结构是原子的核磁矩和电子磁矩的耦合作用而形成的。当原子处于弱磁场B 中时，原子的总磁矩和外磁场发生作用，造成能级分裂形成等间距的塞曼子能级，其能量为(μB =9.274×10-24Joule/特斯拉，真空磁导率μ0=4π×10-7 Second*Volt/(Ampere*Meter))： ;,1,.......,1,...||;,1,...||F F F B F E B g m B m F F F F I J I J I J J L S L S L S μμ=-⋅==--=++--=++-- (1) (1)(1)(1) (1)(1)(1) 1,2(1) 2(1) J F J J J L L S S F F J J I I g g g J J F F +-++++++-+=+ =++ (2) 其中F 为原子的总角动量量子数，S 为外层电子自旋角动量量子数，L 为外层电子轨道角动量量子数，J 为核外外层电子轨道角动量L 与电子自旋角动量S 耦合L+S 的量子数，原子感受到的外磁场B 可以分解为水平磁场B ∥和垂直磁场B ┴，水平磁场B ∥包括地磁场B E 、水平磁场B h 、水平扫描磁场B s 、垂直磁场B v ，即 B ┴=B v +B E ┴, B ∥=B h +B s +B E ∥, 如果选择垂直场电流方向和电流大小，使外加垂直磁场正好抵消地磁场垂直分量，即－B v +B E ┴＝0，则铷原子感受到的外磁场只有水平分量B ∥=B h +B s +B E ∥，由于磁场存在形成的相邻塞曼能级能量差为（最小可取△m F =1）： ∆E=△m F g F μB B ＝△m F g F μB (B h +B s +B E ∥) (3) 原子状态可用 2S+1 X J 表示,而且，当L={0,1,2,3…}时，X={S,P ,D,F …}. 铷原子的基态为52S 1/2， 即L=0，S=1/2，J=1/2。 87 Rb 的F=2和1，m F =2,1,0,-1,-2。85 Rb 的F=3和2，m F =3,2,1,0,-1,-2,-3。 最低激发态为52 P 1/2和52 P 3/2双重态。考虑52 P 1/2，即L=1，S=1/2，J=1/2。87 Rb 的52 P 1/2到52 S 1/2 的跃迁产生794.8nm 的D1线（能量差为0.2486eV ），52P 3/2到52S 1/2的跃迁产生780nm 的D2线(能量差为0.2533 eV)。52 P 3/2比52 P 1/2的能量高了0.0047eV . 2．光抽运效应
磁共振实验报告
近代物理实验题目磁共振技术 学院数理与信息工程学院 班级物理082班 学号08220204 姓名 同组实验者 指导教师
光磁共振实验报告 【摘要】本次实验在了解如光抽运原理，弛豫过程、塞曼分裂等基本知识点的基础上，合理进行操作，从而观察到光抽运信号，并顺利测量g因子。 【关键词】光磁共振光抽运效应塞曼能级分裂超精细结构 【引言】光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。光磁共振方法现已发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、基本知识 1、铷原子基态和最低激发态能级结构及塞曼分裂 本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素；85Rb（占72．15%）和87Rb（占27．85%）．选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号．铷原子基态和最低激发态的能级结构如图1所示．在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂．标定这些分裂能级的磁量子数m F=F，F－1，…，－F，因而一个超精细能级分裂为2F＋1个塞曼子能级． 设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场B0相互作用的能量为 E＝－μF·B0＝g F m FμF B0（1） 这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μB＝9．2741×10－24J·T－1 ，朗德因子g F= g J [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ⁄ 2F（F＋1）（2） 图1 其中g J= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ⁄ 2J（J＋1）（3） 上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式（1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差 ΔE＝g FμB B0（4） 式中ΔE与B0成正比关系，在弱磁场B0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级．
光磁共振实验装置
光磁共振实验装置
DH807A型 光磁共振实验装置 技术说明书 北京大华无线电仪器厂 中国北京
目录 1. 概述 (1) 2. 主要技术指标 (1) 3. 工作原理 (2) 4. 结构特征 (4) 5. 安装和调整 (4) 6. 使用操作说明 (8) 7. 维护和修理 (11) 8. 成套性 (11) 9. 储存 (12) 10. 质量保证 (12) 11. 附录 (12)
1．概述： 光磁共振实验装置(国外简称：Optical Pumping)用于近代物理实验。该实验所涉及的物理内容丰富，可使学生直观地了解到光学、电磁学及无线电电子学等方面的知识，并能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。光磁共振实验中使用了光泵及光电探测技术，其灵敏度比一般磁共振探测技术高几个数量级。这一方法在基础物理学的研究、磁场的精确测量以及原子频标技术等方面都有广泛的应用。 其外形图如下所示： 图 1. 2．主要技术指标： 2.1 实验测得g因子误差：1％ 2.2 磁装置： 水平直流磁场：场强 0—2GS，连续可调。 稳定度：优于5×103- (电源电压变化土10％时)。 水平调制磁场：方波频率约10Hz，场强(峰一峰)0～1.5GS。 三角波频率约20Hz，场强(峰一峰)0～1.5GS。 垂直直流磁场：场强：0～0.7GS，连续可调。 稳定度：优于5×103- (电源电压变化土10％时)。 射频磁场(外配射频信号源)： 频率范围：100KHz— lMHz 信号源功率输出：50Ω负载上不小于0.5W。 2.3 光电探测器：放大器增益大于100。 2.4 预热时间： 30分钟 .1.