光磁共振法

光磁共振實際上是使原子、分子的光學頻率的共振與射頻或微波頻率的磁共振同時發生的一種雙共振現象。這種方法是卡斯特勒在巴黎提出並實現的。由於這種方法最早實現了粒子數反轉，成了發明雷射器的先導，所以卡斯特勒被人們譽為“雷射之父”。

1966年諾貝爾物理學獎授予法國巴黎大學，高等師範學校的卡斯特勒（Alfred Kastler，1902—1984），以表彰他發現和發展了研究原子中赫茲共振的光學方法。

二十世紀上半葉，光譜學的研究提供了大量有關原子分子結構的實驗數據。由於雷達技術的發展，在四十年代末興起了射頻和微波波譜學。這些頻段的電磁波，其頻率要比可見光小上千倍，所產生的光子能量比光頻光子的能量小得多，因此可以直接測量到原子的精細能級和超精細塞曼子能級之間的共振躍遷。人們把這個頻段的電磁波稱為赫茲波，把微波或射頻共振稱為赫茲共振。

基本介紹

• 中文名：光磁共振法
• 領域：物理
• 成分：原子、分子
• 發明人：卡斯特勒

研究經歷

卡斯特勒1902年5月3日出生於法國阿爾薩斯省的蓋布維萊爾，1920年進法國高等師範學校學習。布洛赫教授教他量子物理學，對他的發展有深刻的影響。布洛赫還讓他閱讀索末菲的名著《原子結構和光譜線》。在讀這本書的過程中，卡斯特勒對電磁輻射和原子相互作用中的角動量守恆特別感興趣。他注意到用角動量守恆可以說明塞曼效應中磁量子數的選擇定則和偏振規律，並深刻領會到角動量守恆定律可能是自然界的一條普遍法則，但是，這個結論必須是在廣泛驗證之後，而不能想當然。從此卡斯特勒銘記在光譜學研究中要注意套用角動量守恆定律。

1926年卡斯特勒從高等師範學校畢業，隨後到外地當了五年中學教師。1931年波爾多大學的道利教授請他當實驗室助手，於是他就成了一名實驗研究人員。在實驗中他主要從事螢光和拉曼光譜研究，在研究中系統地檢驗了光散射和螢光過程中角動量守恆定律的普適性。1936年他以《汞原子逐步受激》為題，通過了博士論文的答辯。1941年回到高等師範學校，負責實驗室工作。

1947年蘭姆和雷瑟福用波譜學方法測定氫原子精細結構的蘭姆位移，1949年美國的比特（F.Bitter）指出，可把射頻波譜技術擴展到原子激發態的研究中。在這以前，磁共振實驗一般是在凝聚態中粒子處於熱平衡的狀態下進行的，激發態的磁共振則從未有人做過。卡斯特勒認為這是一項很好的建議，但關鍵在於如何實現。他找到了一個有效方法，就是利用偏振光對恆定磁場中的氣態原子或分子作用，有可能實現激發態塞曼子能級產生選擇躍遷。卡斯特勒一方面派自己的學生布洛塞爾（J.Brossel）去美國向比特學習；另一方面加緊在實驗室里開展獨立研究。1950年布洛塞爾和比特按照卡斯特勒的思想做成了第一個光磁共振實驗，不過還不能探測原子的定向。

這一年卡斯特勒又提出，用圓偏振光激發原子，使原子的角動量發生變化，就可以使原子集中在基態的某一能級上，也就是改變原子在基態某一子能級的集居數①。他把這種方法稱為光抽運②。

不久，布洛塞爾從美國回來，師生兩人合作研究光磁共振。他們用鈉的D1譜線激發處於恆定磁場中的鈉蒸氣原子，探測其螢光輻射強度。卡斯特勒認識到，實驗的成功與否取決於弛豫過程的速度。若弛豫過程太快，則只能觀測到微弱的信號。於是改為用充有氫氣的鈉樣品泡做實驗。經過反覆的試驗，終於在1955年獲得了強度足夠的光抽運效應。之所以採用氫氣，是因為氫氣是幾乎沒有分子磁性的氣體，可以起到緩衝的作用，使鈉原子漂移到泡壁的速度大大減慢。接著他們又用射頻場實現了超精細塞曼能級之間的躍遷，把光抽運和光磁雙共振法結合在一起。

卡斯特勒的成就與法國的科學傳統是分不開的。他紮根於法國巴黎的高等師範學校，但並不閉關自守，而是力促國際交流。他很注意發揮科研集體的智慧和青年的力量，建立起團結協作的風氣。例如，為了研究光抽運，在布洛塞爾1951年回國後，他們立即組織了一個研究組，吸收巴黎高等師範的學生參加，共同研究一些關鍵問題。這個組的年輕人寫了十幾篇論文，在光磁共振方法的研究中作出了各自的貢獻。他很注意實驗研究與理論研究的結合，也很注意基礎研究與套用研究的結合。在發現光抽運的過程中，他先在理論上充分探討，後在實驗上付諸實現；以後他們對緩衝氣體和弛豫過程、多量子躍遷以及光頻移效應的研究，始終堅持實驗與理論相結合的方針。從1958年起，卡斯特勒還兼任法國科學研究中心原子鐘實驗室主任，直到1972年退休。

方法發展

光磁共振方法很快就發展成為研究原子物理的一種重要的實驗方法。它大大地豐富了我們對原子能級精細結構和超精細結構、能級壽命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子與原子間以及原子與其它物質間相互作用的了解。

利用光磁共振原理可以製成測量微弱磁場的磁強計，也可以製成高穩定度的原子頻標。