补充实验四 光泵磁共振
50年代初期由法国物理学家卡斯特勒（A·Kastler）等人提出光抽运（Optical Pumping又称“光泵”）技术，并采用光抽运——磁共振——光探测方法（即光泵磁共振方法）来研究原子基态和激发态的细致结构，其灵敏度比一般磁共振探测技术高几个数量级，这在磁共振波谱学方面是一项突破。这一方法在基础物理学研究、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。卡斯特勒本人由于在这一实验技术上的杰出贡献，荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。
本实验所涉及的物理内容很丰富，它可使同学学习到光学、电磁学和无线电电子学等方面的综合性实验知识，并能定性或半定量地了解到原子内部的很多信息，是一个典型的波谱学教学实验。其具体的目的要求是：（１）掌握先抽运和光检测的原理和实验方法，加深对超精细结构、光跃迁及磁共振的理解；（２）测定铷同位素85Rb和87Bb的
因子，地磁场垂直和水平分量等，培养分析物理现象和处理实验数据的能力。
【预习提要】
本实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。研究对象是碱金属铷。因此，不仅需要具有与核磁共振实验相似的磁共振基本知识，而且需要掌握原子物理学中有关碱金属原子能级、光频跃迁等理论知识。预习实验原理时，重点应放在“圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应”以及“光探测”两部分，达到初步了解下列问题：（１）什么是光抽运效应？（2）产生光抽运信号的实验条件是什么？（3）怎样运用光抽运信号来检测磁共振现象？（4）如何区分85Rb和87Bb的共振普线？实验部分在弄清装置中主体元部件作用的基础上，应注意分析方波（或三角波）扫场的作用，要求知道扫场波的方向和幅度对信号的影响，以及消附地磁场和扫场直流分量影响的方法。
【实验原理】
光泵磁共振是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程。本实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。所研究的对象是铷（Rb）的汽态自由原子。
一、铷原子基态和最低激发态的能级
铷是一价的碱金属，它的价电子处于第5壳层，主量子数
。由于电子轨道角动量与自旋角动量的相互作用（即LS耦合），使原子能级具有精细结构，用电子总角动量量子数
来表示。
。对于基态，
，只有
一个态，标记为52S1/2。对于最低激发态，L=1，S=1/2，则有J=3/2和J=1/2双重态，标记为52P3/2和52P1/2。
由于铷原子的核自旋
，存在核自旋角动量与电子总角动量相互作用（即IJ耦合），则原子能级具有超精细结构，用原子总角动量量子数F来表示。
。铷元素在自然界中主要有两种同位素：87Rb（占27.85%）。85Rb（占72.15%）。它们的自旋量子数不同，87Rb的I=3/2，因而它的基态（J=1/2）具有F=1和2两个状态。其最低激发态（J=1/2）,亦具有F=1和2两个状态。85Rb的I=5/2，其基态则有F=3和F=2。最低激发态亦有F=3和2。
在原子物理学中，曾用矢量合成的方法处理过角动量耦合的问题，得到对于LS耦合情况，总角动量
与原子总磁矩
的关系为
（
式中
(
同样可以用矢量模型来处理IJ耦合的问题,并得到
(
(
这里
和
是考虑核自旋以后原子的总角动量和总磁矩,是对应于与关系的朗德因子.显然, 和
并不相同。以上所述都是没有外磁场条件下的情况。
如果铷原子处于外磁场
中，由于其总磁矩与磁场的相互作用，超精细结构能级还要进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级。用磁量子数
标记。根据空间量子化的原理，原子的总角动量在方向的投影值应为
，
，
，……，（
）。故塞曼子能级数目共有（
原子总磁矩与磁场相互作用能为
E=-μF·B=gFe/2mcPF·B0
=
=
(
式中
为玻尔磁子。由上式可求得相邻塞曼子能级之间的能量差为
可见，在弱磁场中
与成正比。当
时，各塞曼能级将重新简并为原来的超精细结构能级，因而图3.6-1中把塞曼子能级绘为斜线。
图3.6-1
二、圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应
光抽运的基础是光和原子之间的相互作用。在磁场中，偏振光只能引起某些特定塞曼能级之间的跃迁。对于左旋圆偏振光即
光，角动量为
，根据角动量守恒定律，选择定则为
=0，±1和
。而87Rb原子的52S1/2态的塞曼子能级的最大值都为+2。因此，当用的
光照射时，不能激发基态时中
能级上的原子向上跃迁。而基态中其余能级上的原子则可以吸收
的光而跃迁到52P1/2的各塞曼子能级上。即光只能把基态除以外各子能级上存在的原子激发到52P1/2的相应状态上（见图3.6-2）。