在磁場中的原子

在磁場中的原子第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第六章在磁場中的原子本章綜合討論原子處在磁場中所發(fā)生的一些現(xiàn)象和有關(guān)理論

第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1原子的磁矩一、電子運(yùn)動的磁矩1.電子軌道運(yùn)動磁矩

量子化。磁矩大小:

玻爾磁子

磁矩空間取向量子化

第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電子自旋運(yùn)動磁矩……自旋磁矩比較下面四個式子磁矩與角動量的關(guān)系式并不普遍成立6.1原子的磁矩第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、單電子原子的總磁矩6.1原子的磁矩但和繞旋進(jìn)所以都繞的延長線旋進(jìn)對外發(fā)生效果的是電子的總磁矩(有效磁矩)第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月單電子原子總磁矩（有效磁矩）:

朗德因子

6.1原子的磁矩總磁矩和角動量的關(guān)系第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月三、多電子原子的磁矩原子總磁矩仍表示為:（1）L-S耦合（2）j-j耦合6.1原子的磁矩第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月解：(1)

：

，

，，(2)

：，

，

，例

求下列原子態(tài)的g因子：(3)

：，

，

，6.1原子的磁矩原子在磁場中是否分裂，不能只用量子數(shù)j判斷，還取決于朗德因子。第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2外磁場對原子的作用一、拉莫爾旋進(jìn)將繞磁場進(jìn)動,只改變方向而不改變數(shù)值.

在外磁場B中,原子磁矩受磁場力矩的作用,繞B連續(xù)進(jìn)動的現(xiàn)象。

第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月繞的方向進(jìn)動的角頻率,與的方向一致,稱為拉莫爾進(jìn)動角頻率:為旋進(jìn)的角速度力矩拉莫爾進(jìn)動頻率旋磁比6.2外磁場對原子的作用第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、原子受磁場作用的附加能量外磁場的作用比原子內(nèi)部軌道磁矩與自旋磁矩的耦合弱.與外磁場耦合產(chǎn)生附加能量:在外磁場中,原子的能級分裂成個,間隔為6.2外磁場對原子的作用1.弱磁場第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月例:在磁場中能級的分裂情況分裂為四個能級，裂距光譜項(xiàng)差6.2外磁場對原子的作用第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.強(qiáng)磁場在強(qiáng)外磁場作用下，不能再耦合成，而是分別直接與耦合產(chǎn)生附加能量.取外磁場方向?yàn)閆軸方向，沒有g(shù)因子出現(xiàn)6.2外磁場對原子的作用第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2外磁場對原子的作用第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3史特恩-革拉赫實(shí)驗(yàn)結(jié)果的再分析1921年史特恩---蓋拉赫進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是對原子角動量空間取向量子化的首次直接觀察，是原子物理學(xué)最重要的實(shí)驗(yàn)之一。

1943年，史特恩獲諾貝爾物理學(xué)獎，貢獻(xiàn)：開發(fā)了分子束方法以及質(zhì)子磁矩的測量

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鹤C明原子軌道角動量在外磁場中具有空間取向量子化特征。每個角動量對應(yīng)一個磁矩量子化即：量子化1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡?5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月無磁場有磁場NS銀原子束通過非均勻磁場時將分裂成兩束6.3史特恩-革拉赫實(shí)驗(yàn)第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.實(shí)驗(yàn)原理具有磁矩的原子在磁場中受力矩的作用而產(chǎn)生拉莫兒旋進(jìn),在外磁場中的附加能量(勢能):而力:對均勻磁場:,原子不改變運(yùn)動路徑.對非均勻磁場:,原子除受力矩作用外,還受到力的作用,而改變運(yùn)動路徑.6.3史特恩-革拉赫實(shí)驗(yàn)第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月原子束偏離原方向的橫向位移為(1)由于mj有2j+1個數(shù)值，故相應(yīng)的就有2j+1個分立的z值。即在感光片上有2j+1個黑條，這代表了角動量的2j+1個空間取向。(2)基態(tài)的原子l＝0，j＝1/2，mj=±1/2，所以要分裂為兩束。(3)由感光條紋數(shù)可求出j值，從而確定mj，而從條紋的間距又可確定mjg，并進(jìn)而求出g值，這是實(shí)驗(yàn)求g值的一個重要方法。第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)對于氫原子（單電子原子），從高溫容器中射出的是處于基態(tài)的原子(n=1,l=0,s=1/2,j=l+s=1/2,mj=±1/2,g=2)，故mjg=±1代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；d=1m;T=400k,并利用常數(shù)，k=8.617×10-5ev/k;=0.5788×10-4ev/T,即得z=±0.56cm.這一結(jié)果表明，基態(tài)氫原子束在不均勻的磁場的作用下分裂為兩層，各距中線0.56cm.第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)：光的偏振光波性質(zhì)：橫波c電矢量E、磁矢量H有單一對應(yīng)關(guān)系、同步性在許多方面磁場的作用比電場的作用小的多一般都選用電矢量E代表光的振動——光矢量——光的偏振性第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一.自然光沒有優(yōu)勢方向自然光的分解沿光傳播方向看自然光中E在任意方向都是均勻分布的每一個光矢量都可以分解為x、y方向分量二.線偏振光E播傳方向振動面線偏振光的表示法：·····光振動垂直板面光振動平行板面完全偏振光、平面偏振光補(bǔ)：光的偏振第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光y

yx

z傳播方向

/2xE某時刻左旋圓偏振光E隨z的變化0三.圓偏振光,橢圓偏振光補(bǔ)：光的偏振第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4塞曼效應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)事實(shí)1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)：若把光源放入磁場中，則一條譜線就會分裂成幾條，且分裂后的譜線成分是偏振的，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。由于歷史的習(xí)慣分為正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)。第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月正常塞曼效應(yīng)：單線系的每一條譜線,在外磁場作用下，分裂為等間隔的三條譜線。鎘的6438.47埃紅色譜線的塞曼效應(yīng)6.4塞曼效應(yīng)第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月反常塞曼效應(yīng)：雙重或多重結(jié)構(gòu)的原子光譜,在較弱的磁場中,譜線分裂成很多成分。1902年，洛侖茲、塞曼獲諾貝爾物理學(xué)獎鈉的5895.93埃和5889.96埃黃色譜線的塞曼效應(yīng)6.4塞曼效應(yīng)第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、理論解釋1.基本理論若加外磁場，則兩個能級各附加能量6.4塞曼效應(yīng)新的光譜線頻率同能級有如下關(guān)系：第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月將頻率差轉(zhuǎn)為波數(shù)差:

磁能級之間的躍遷選擇定則

產(chǎn)生線(但

時

禁戒)

產(chǎn)生線6.4塞曼效應(yīng)分裂出的譜線與原譜線波數(shù)差：第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一條譜線，在外磁場作用下分裂為三條，且彼此間隔相同，間隔值為L。這與正常Zeeman效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。6.4塞曼效應(yīng)2.正常塞曼效應(yīng)對自旋s1=s2=0的原子(單線系的譜線)，g1

=g2

=1單線系的每一條譜線,在外磁場作用下的分裂第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月例1鎘原子的一條譜線(，中發(fā)分裂，問(1)原譜線分為幾條？(2)相鄰譜線的間隔為)在外場多少？(3)是否為正常塞曼效應(yīng)？(4)畫出相應(yīng)的能級圖。解：，

，

，

，

，

，分裂出的譜線與原譜線波數(shù)差：是正常塞曼效應(yīng)第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月借助格羅春圖計(jì)算波數(shù)的改變：mj

2

10-1-2mj2g2210-1-2mj1g110-1（mj2g2-mj1g1）=000-1-1-11116.4塞曼效應(yīng)對應(yīng)九種躍遷，三條譜線第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月0L01D21P16438無磁場有磁場Cd6438?的正常塞曼效應(yīng)躍遷圖mjmjg-1-2-1-22

1

02

1

0-1-1101

0第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.反常塞曼效應(yīng)對于具有雙重或多重結(jié)構(gòu)的光譜線在磁場中的分裂情況第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月例2討論Na雙線：，在外場中的分裂解：

，

，

，

，

，

，第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2P1/22S1/2mj

1/2-1/2mj2g21/3-1/3mj1g11-1（mj2g2-mj1g1

）-2/32/3-4/34/3借助格羅春圖計(jì)算波數(shù)的改變：6.4塞曼效應(yīng)分為4條，分裂譜線與原譜線波數(shù)差：第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2P3/22S1/2mj3/2

1/2-1/2-3/2mj2g26/32/3-2/3-6/3mj1g11-1-1/31/3-5/3-3/33/35/36.4塞曼效應(yīng)分為6條，分裂譜線與原譜線波數(shù)差：第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3S3P不考慮自旋考慮自旋2S1/22P1/22P3/21/21/3-1/2-1/31/21-1/2-1mjg-1/2-2/3mj3/26/31/22/3-3/2-6/3在磁場中

58965890589658905893Na原子5890埃和5896埃雙線的塞曼效應(yīng)24/32/3第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月4.

塞曼效應(yīng)譜線的偏振性質(zhì)發(fā)光前原子系統(tǒng)的角動量等于發(fā)光后原子系統(tǒng)的角動量與所發(fā)光子的角動量的矢量和(光子的角動量為).Δmj=mj2(初)-mj1(末)=+1:（σ+型偏振）原子在磁場方向的角動量減少1?，所發(fā)光子必定具有在磁場方向+1?的角動量。迎著磁場方向觀察：該光的矢量逆時旋轉(zhuǎn)，所以它是左旋圓偏振光σ+垂直于磁場方向觀察：

線偏振光。Δmj

＝1，-1產(chǎn)生σ型偏振；Δmj＝0產(chǎn)生π型偏振。BB第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月ΔM=M2(初)-M1(末)=-1:（σ-型偏振）原子在磁場方向的角動量增加1?，所發(fā)光子必定具有在磁場方向-?的角動量。迎著磁場方向觀察：該光的矢量順時旋轉(zhuǎn)，所以它是右旋圓偏振光σ-垂直于磁場方向觀察：

線偏振光。ΔM=0：（型偏振）光子攜帶角動量垂直于磁場。迎著磁場方向觀察：觀察不到ΔM=0躍遷的光垂直磁場方向觀察：電矢量平行磁場的線偏振光。6.4塞曼效應(yīng)BBE第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月按觀察方向：在垂直磁場方向：

迎磁場方向：6.4塞曼效應(yīng)第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5帕邢—貝克效應(yīng)原子譜線在強(qiáng)磁場中分裂的現(xiàn)象。強(qiáng)磁場雖然破壞了LS耦合，但各電子間的軌道角動量、自旋角動量仍然存在，L,S量子數(shù)仍然有意義，而總角動量J不再有意義。軌道磁矩、自旋磁矩與強(qiáng)磁場作用，產(chǎn)生的能級分裂為：第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇定則：因此：當(dāng)當(dāng)鈉黃線在強(qiáng)磁場中譜線分裂為三條。6.5帕邢—貝克效應(yīng)ml,ms,ml+2ms1,1/2,20,1/2,10,-1/2,-1-1,-1/2,-20,1/2,10,-1/2,-103p3s1,-1/2;-1,1/2第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)、弱外磁場說明：例題：已知鋰原子主線系第一條譜線由兩條精細(xì)譜線A組成，試問當(dāng)外磁場為B=3.2T時，產(chǎn)生何種效應(yīng)，能級分裂的裂距？解:此能量也可理解為電子自旋磁矩與電子軌道運(yùn)動產(chǎn)生的內(nèi)磁場間的作用所致?？梢?，表現(xiàn)為帕邢-貝克效應(yīng)。在磁場中，能級的裂距波數(shù)表示：第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月對鈉原子主線系第一條譜線由兩條精細(xì)譜線A組成，同理可計(jì)算出內(nèi)磁場約為18T。B=3.2T，相對是弱磁場第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月§6.7電子順磁共振當(dāng)磁矩不為零的原子處于磁場中時，能級發(fā)生分裂，分裂的能級同原能級的差值為：相鄰能級的間隔為：一、電子順磁共振若在原子所在的穩(wěn)定磁場區(qū)域中又迭加一個同穩(wěn)定磁場垂直的交變磁場，產(chǎn)生的電磁波頻率為，當(dāng)電磁波的能量與兩鄰近能級間距相等，即：h=gBB時，部分處于低能級中的原子吸收電磁波的能量躍遷到高能級。

——電子順磁共振。ElectronParamagneticResonance第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月估算：設(shè)順磁共振所用電磁波的波長在厘米量級（微波）。實(shí)際中，固定電磁波的頻率，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，改變B，當(dāng)滿足gB0H0=hn

時，電磁波強(qiáng)度聚減，表明順磁物質(zhì)從電磁