光抽运技术_一种原子物理学的实验方法.pdf

系统中最多可以 接人 台仪器设 备 总的 传输距离可达 米 设备之 间数据传送 最高速 率 为 兆位组 秒 接人 系统的设备分三类 即控制设备 发送 设备和接收设备 控制设备在整个系统 中一般 只有一台 它对仪器系统进行控制和管理 我 们通常用微型计算机作为控制 设备 发送设备 如数字电压表 数字 式锁相放大器 光 子计数 器等 从外界测量数据 然后 送到系统中的其它 设备 接收设备 如数字式绘图仪 打印机 显 示装置等 从系统中其它设备接收数据 然后向 外界输出或作出记录 当然 有的仪器设备可 以兼有两种功能 甚至三种 功能齐备 例如 一 台程序控制式示波器可以兼作发送设备和接收 设备 凡接人 系统 中的仪器 设备都 必须包括两部 分 一部分具有特定仪器的功能 另一部分就是 标准接 口 见 图 4 尺 了 尺 了 二 3 2 1 9 9 4 刀 原子吸 收一个3 9 光子可以跃迁到 凡态 同时 按照角动量 守 恒 条件 原子 吸收圆偏 振 光 子只 能产 生 脚 6 一士9的跃迁 正负号分别 对应于左旋或 右 旋圆偏 振光 我们假 定实验 是用左旋圆偏 振 3 光进 行激励 则处 在基态各子 能 级 上 的 尹 原 子将按 图 中所标 明的相对吸 收跃迁几 率激发 到 典 态 沪 原子在 尸告态 只 能 停 留大约 一秒的时间 随 即按 士 的 选择 定则 自发衰变回基 态各子能级 由于 基态 各 子能级 对圆偏振光子 的吸收几 率是 不 同 的 如果忽略 基态间 的弛豫效 应 那么经过这样多 次 激发与 衰变后 样品 泡中的 刀 原子都将集 居于 吸收几率为零 的基态 一十 能 级上 这就是我 们所说 的光抽运过程 通 常 我们称这种由光抽运 造成的原子 向某一 能级集 中的状态 为极化 当样品泡 中的 原子在 子能级上实现极化以后 由于 这个子 能 级 对左旋 3 9 圆偏振光 子的吸 收几率 为零 样 品泡 就 不再吸 收人射光 子 即泡对人射光变得透明 了 所以光电管所接 收 的透 射光最 强 这时 在 样品 泡上加 人一个与恒定磁 场 垂直的 射频 磁 场 并使射频 磁场频率叭 恰好 等于 原子基态 塞曼子 能级间的共振频 率 即 一 产夕几 9 就会 发生 沪 原子基态 塞曼共振 跃迁 在 9 式 中 井 为玻尔 磁子 为普朗克常数 为 实 验所用恒定磁场强 度 为 刀 原 子基态 一 能 级的 因子 一旦 共振跃迁发 生 样 品泡中已被抽运到 一十 态 的 尸 原子就跃迁到其他子 能级 使样 品泡重 新吸收人射光子 光电管接 收到的 透射光强 减弱 这样 施加 在样品 泡上 的射频 场频率与 透过样品 泡的光强有如图 所示 的关 系 它就是 原子基态 的塞曼 共振谱 线 实验 上 可从透射光 强最弱 的点确定 共振频 率 将所 得的 代 人 9 式即可求得 原子 因子 的精确 数值 塞曼子 能级间的 共振频 率与磁 场呈线性 关 沙 9 图 原子基态的塞曼共振谱线 系7见 9 式8 因此塞曼光抽运 技术常 用于 原子 磁强计 中 可 对微弱磁 场进 行精密 测量 甚态超精细光抽运技 术图 铆原 子基态 超精细零场跃 迁频率 的精密 测 量 及其对 许多因素依赖关 系的 研究 对铆原 子 时间频 率标准具有重要 意义 现 以 护原子 基 态超精细零场跃迁频 率 的精密 测 量 为例 介 绍原子 基态超精细光抽运技术 为了实现 基态超精细光抽运 要 求抽运 光 有明 显的超精细 光强差 实验中 利用 同位素 萝和同位素 肠谱 线在超精细分量 上的微 小 差异 通 过 对 阱滤光的办法来达到这个 目的 实验装置如图 所示 同位素滤 光原理 如 图 所示 谱 线 的超精细分量 和 阱 谱 沪灯只沪林光泡 沪样品泡 光电管 麟麟创 截 示波器器 微微波信号号 发发生器器 图 声基态超精细光抽运实验装置 揽 禧 六八 滤光池 吸收光谱 滤光后的 只 灯光谱 图 的 同位素滤光原理 按照选择 定则 二 光只能使样 品泡 中的汞原子 产生 4 一 能级 向 4态的 因子 能级寿命 等参数 压 图 汞原子第一激发态塞曼共 振谱线 8 3能 级交叉方法 前面我 们讲的是 典型的光抽运 实 验 它包 物理 括 光抽运一磁共振一光探测 三个环节 但是 也有不激励磁共振的 光抽运技术 能级交叉方 法就是其中的一种 能 级交叉是原子 能 级之 间 的 一 种 干涉 效 应 原 子激 发态超精细结构的塞曼子能级在特 定数值的磁场 中相互交叉 在交叉点上能级发 生简并 使原子辐射荧光发 生特殊变化 实验 上可用这种变化来研究原子的能 级结构 图 是能级交叉光抽运的实验装 置图 研 究样品是玻璃抱中的 原子 其能级如图 所示 先用弱放电的方法使样品泡中 原 子 4 1 1 凡 态的级联光抽污 激光抽运光源洲 上述的级联跃迁方法实际上还存在着两个 困难 一是普通光谱灯的强度随着共振线频率 的提高迅速减小 二是级联跃迁中间能级的 能 量越高 则向某一确定态衰变的分支比越小 这 些都妨碍着对更高的激发态进行研究 但是 采用频率可调的激光器作为抽运光源 再配合 分步激励方法 就可在很大程度上克服上述困 难 如对 2 的夕 原子 高里德堡态精细结构 的例子见图9科 实 验采用激光器把钠原子分两步 激 发 到 14 以及 等进行了 间接光抽运 实验 研究 4 址4 碰恤方法 这种方法主 要适用于离子 的间接 光抽运 实验装置 如图 锌 4 钡 镜 氦 氖 氢 氨 轮 铅 以及铭 离子 汞 离子 和钡离 子 等 为了扩大 光抽运 研究 对象 发 展了 间接光 抽运技术 其 中主要有自 旋交换 碰撞方 法 4 4访 碰撞方 法 亚稳态 交换方 法 电荷交换 方 法等 下面 仅对前两种方法作一简要介绍 自旋文换方法 8 这种 方 法是 3 9 在 年 为了精确 测量电子磁矩而引人的 实验装 置见 图 电 子 是不能 直接进 行光抽运 的样 品 而 原 子 则可以 实验 中把 样品 泡放在一 对平板电 极中 用放电的方法 使泡 中产生 自 由电子 并用 光抽运 方法使 原 子极化 极 化 的 原 子 与 电子相互碰撞 进行 自旋 交换 从而 使电子 获得 极化 如果 射频场等于电子的自旋 共振频 率 则将使电子 去极 化 并影响 原 子极化 乙乙 夕夕 示示波 器器 振 就把 置于一个加热 炉 中 用流动的 气通 进微波腔 由微波放电产 生亚 稳 态 原 子 在加热炉 的上游用 灯 进行光抽运 而 获 得极化 的亚 稳态 原子 在加热 炉 区 域 内 极化的亚稳态 原子和 原子发生碰撞 碰 撞的结果可以使 原子变 成激发态的 离 子 而且还 获得了部分极化 即 4 4 94 碰 撞 这样 再配 合射频 共振 并在加 热炉的下游 探测 荧 光 就可 以得 到 十 的磁共振谱线 目前利用这种方法已对 4 十 十 等进行了间接光抽运研 究 由上面的介 绍可以看出 光抽运 技术作为 一种 原子物 理学的实验 方法 正发挥 着很大的 作用 利用光抽运技术测量原 子参数 不 仅精 度高 有 些参数的测量精度大 大超过理 论计算 卷 期 值 而且和其他测量 技术相比 设施简 便 目 前 能用光抽运技 术研究 的对象 除了原子之外 已发展到 离子 分 子和原 子核 可 以研 究的状态 除了 基态和低激发 态外 还有高激 发态 可 以 预计 随着光抽运技术 的发 展 它所 研究的 对象 和状 态还将不 断扩大 光抽运技 术还和其他各 种方法相互 配合 取长补 短 从 而扩大研 究范围 例 如 把 光抽运 技术和原 子束技 术结合起 来 已对很多元 素的 低激发态 进行了精密 测量 8 此外 对有 些放 射 性同位素 也可以先用光抽运方 法使之极 化 然后通过夕衰变 的对称 性作为极化程度的 监 测 可以测出其很多核参数和原 子参数阎 光抽运技术也 是激光技术 高分辨率激光 光 谱技 术的 基础 目前利用光抽运技术研究 各 种 激光器的寿 命 效率 功率等工作极 为普遍 新的 激光器 也不 断问世 近几年对 之 聚子 进行了 研究 9