其中
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——原子超精细结构的形成
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：
Rb87 (27.85%), I 3 / 2 Rb85 (72.15%), I 5 / 2
核的自旋角动量表示为PI ，得原子总角动量： PF PI PJ
图所成
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PL 电子轨道角动量
——朗德因子的引入
PS 和自旋角动量 PJ PL PS
的合成角动
量
uJ
电子总磁矩 u J g J 两者关系为
gJ 1
e PJ 2m
J ( J 1) L( L 1) S ( S 1) 2 J ( J 1)
一是产生光抽运效应；二可以通过测量透射光强 得到磁共振信号。当各能级上的粒子数相同时， 样品对偏振光吸收最强，透射光最弱；当粒子数 偏极化强度最强时，透射光最强。这里通过透射
其中F用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。
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——原子超精细结构的形成续
J Rb , I 3 / 2, J J 85 Rb , I 5 / 2, J
87
1 / 2, F 2,1 基态 3 / 2, F 3,2,1,0 1 / 2, F 2,1 3 / 2,...... 基态
——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。 M F F , F 1,..., F 这些能级用磁量子数来表示， ， 能级间距相同。
uF
和
B
相互作用能表示如下： E uF B g F M F BB
E g F B B
——精细结构的形成续
对于基态，L=0，S=1/2，
得J=1/2，标记为 ；
5P
2 5 S1/ 2 对于最低激发态， L=1，
52 P3/ 2
52 P 1/ 2
S=1/2，得J=3/2,1/2，标
2 记为 52 P , 5 P 3/ 2 1/ 2
，如右
5S
52 S1/ 2
D1
794.76nm
D2
780.0nm
B 能级间距为：
其中
为玻尔磁子。
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—圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应
将角动量为 的左 旋圆偏振光照射到气态 原子 Rb87 后，根据光跃迁 选择定则，基态中 M F 2 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。
3. 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 g 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。
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—铷原子的能级分裂（精细结构的形成）
• 研究对象：铷（Rb）的气态自由原子，价电子
52 P3/ 2
……
MF
52 P1/ 2
F 2
F1
+2 +1 0 -1 -2 -1 0 +1 +2 +1 0 -1 -2 -1 0 +1
52 S1/ 2
F 2
F1
Fig.3 铷原子塞曼子能级的形成
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——弛豫时间
粒子分布由非平衡状态（粒子数偏极化）
到平衡状态（玻尔兹曼分布）所需的时间。 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，尽量减小铷原 子与容器壁的碰撞。
处于第五电子层，主量子数n=5，轨道量子数 L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2 • 原子精细结构的形成：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 • 铷原子基态与最低激发态的形成：用J表示电 子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,…,|L-S|
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52 P3/ 2
52 P 1/ 2
……
e uF g F PF 2m
F ( F 1) J ( J 1) I ( I 1) gF gI 2 F ( F 1)
F 2
F1
52 S1/ 2
F 2
F1
Fig.2 铷原子超精细结构的形成
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——塞曼能级间磁共振
在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一
频率为 的射频磁场，当满足
h gB B
时发生磁共振，如此，粒子的偏极化程度降低， 再次发生光抽运，最终形成光抽运与磁共振的 动态平衡。
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——光探测
照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。
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三、实验原理——概念介绍
1. 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。
2. 如何提高探测灵敏度：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。
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二、实验装置
射频信号 发生器 辅助源 电源 主体单元 示波器 Fig.4 光磁共振实验装置方框图
干涉滤光镜 铷光谱灯 偏振片 透镜 Rb 1/4波片 高频 振荡器 恒温槽 垂直磁场线圈 透镜 放大器 至示波器 光电池 光电探测器 水平磁场线圈 射频线圈
Fig.5 主体单元示意图
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光泵磁共振
一、实验目的 二、实验仪器及设备 三、实验原理 四、实验内容 五、实验记录
六、实验结果分析
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一、实验目的 1. 通过研究铷原子基态的光磁共振，加
深对原子超精细结构的认识；
2. 掌握光磁共振的实验技术；
3. 测定铷原子的 g 因子和测定地磁场。