原子物理学课件第6章.ppt

第六章 在磁场中的原子,1. 1896年，赛曼效应，光谱线在磁场中分裂,2. 1944年，磁共振现象，样品从交变磁场中吸收能量,3.磁化效应，抗磁质，顺磁质,第一节 原子的磁矩,一个电子自旋磁矩：,一个电子轨道磁矩：,原子的总磁矩：,一、单电子原子的磁矩,1、有效磁矩,2、有效磁矩的计算公式,例,L S耦合：,二、两个或两个以上的电子的原子有效磁矩,证明：,LS,例,求 g = ?,第二节 外磁场对原子的作用能,拉莫尔旋进角速度公式，为旋磁比,旋进角动量使总角动量加强，能量变大,能量变小,= PM,说明,1) 一个能级在加外磁场后分裂为2J+1个子能级,2) 相邻子能级间隔,3) 顺磁质- J不为0，抗磁质- J=0,例,2J+1 = 2,作业：P197 - 1(2); 7 答案：,T7 提示：B外=0的能级图,2P3/2,2P1/2,2S1/2,1 2,作业：P197 - 1(1); 3；5；6 答案：1-4束 3-6条 5- 3条 3条,6- 4条 min=5895.46 max=5896.54,第四节 塞曼效应,在外磁场中原子光谱再分裂效应。,塞曼效应分类：,正常（简单）塞曼效应光谱分裂成3条,反常（复杂）塞曼效应光谱分裂成多条,一、塞曼效应实验与现象,1、装置,塞曼效应,2. 现象,（1）镉Cd,-正常塞曼效应分裂成3条,无磁场,（2）钠Na,无磁场,-反常塞曼效应,发光管,偏振片,6438,二、塞曼效应的理论分析,1、光谱裂变的波数差公式,频率差,波数差,跃迁选择定则,讨论,分析：,-是正常塞曼效应。,单重态间跃迁,一条谱线分裂成3条,例,Cd 6438 - 1D21P1- 单重态,9个跃迁3条谱线。,-正常塞曼效应,例2,g2 = 4/3,g1 = 2,复杂塞曼效应,3、谱线的偏振性的解释,圆偏振光具有角动量（贝思1936年）,角动量方向,右旋光,左旋光,理论根源原子辐射前后- P守恒。,解释,B磁场方向-两条,Cd 6438A1D21P1,圆偏振光,从垂直磁场方向观察（假设为x轴）,光子的角动量垂直B方向,从B方向观察：无光谱,钾原子的价电子从第一激发态42P1/2向基态42S1/2跃迁时， 产生谱线0。现将该原子置于磁场B0中，发生 塞曼效应. （1）试求加磁场后，42S1/2 能级分裂为几个？ 其子能级间隔多大？（以B B0为单位） （2）试求该谱线分裂成几条，分裂后各谱线波数为多少?,42S1/2 J=1/2,子能级间隔,分成2个能级,42P1/2，L1，J1/2,分成四条谱线,第三节 史特恩盖拉赫实验的理论结果,实验现象：,理论分析:,Ag 在磁场中分裂为两束,落点：,说明,1)史特恩盖拉赫实验，将原子束分为2J+1束。,3)上式适用其他原子（仅g、J不同）见P180。,4)利用实验及公式可求g、J、M。,2)理论SZ与实验相符，证明理论正确。,第五节 顺磁共振,（1944年苏联柴夫依斯基发现）,顺磁是指：,物质磁性,顺磁共振：,原子状态在基态塞曼子能级间的跃迁,要实现共振，需两个场,假设,需要的频率,换算为波长,实验装置：,共振条件,实验结果：,气体,多个吸收峰： 表示各子能级间隔不等。,一个吸收峰： 表示各子能级间隔相等。,超精细结构,一个峰又裂变成多个峰，,原因：核角动量的影响。,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性,总磁感强度,附加磁感强度,外界磁感强度,磁 化：磁场中的物质内部状态的变化称为磁化。,磁介质：在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。,抗磁质(铜、铋、硫、氢、银等),铁磁质(铁、钴、镍等),顺磁质(锰、铬、铂、氧、氮等),定义,在介质均匀充满磁场的情况下,相对 磁导率,磁介质的分类,1.抗磁性,电子轨道运动旋进角动量一定与B平行。 其对应的磁矩与外磁场反向。,磁介质内部所有电子作为一个整体，其旋进运动造成的附加磁矩与外磁场反向。即表现抗磁性,作为外磁场对电子轨道运动作用的结果，抗磁性存在于任何原子和分子中。 但只有在SL0时，才能表现出来,2.顺磁性,旋进角动量使总角动量加强，能量变大,能量变小,热平衡条件下，原子在各能级的分布满足玻尔兹曼定律，较低能级上的原子数多,即磁介质表现顺磁性,顺磁性的磁化率较抗磁性大23个数量级，因此原子表现顺磁性的特点。,注：原子的磁性与磁介质的磁性有区别,氮原子的基态J值为3/2,氧原子为2,氮气为抗磁质，氧气为顺磁质,3.铁磁质,铁磁质存在自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。,磁畴在外磁场的作用下转向磁场方向，表现出很强的磁性。,钾原子的价电子从第一激发态42P1/2向基态42S1/2跃迁时， 产生谱线0=770nm。现将该原子置于磁场B0中，发生 塞曼效应. （1）试求加磁场后，42S1/2 能级分裂为几个？ 其子能级间隔多大？（以B B0为单位） （2）试求该谱线分裂成几条，分裂后各谱线波数为多少?,42S1/2 J=1/2,子能级间隔,分成2个能级,42P1/2，L1，J1/2,分成四条谱线,3)若使42P1/2分裂后的最低能级与42S1/2分裂后的最高能级重合，问所加磁场B0应多大？ 4)分裂的各谱线需用分辨率多大的光栅才能分辨。,2P1/2最低能级为,，2S1/2最高能级为,2 3,HeNe激光器中， He原子基态电子组态为1s1s ，若考虑单电子跃迁. 当其一电子被激发到2p态时,形成电子组态1s2p，若L-S耦合，求其原子态。 （2）由此激发态向低能级跃迁可有几种光谱跃迁, 并在能级图中画出. （3）He原子是否有亚稳态,若有,试写出它们的原子态符号。.,Be 原子基态电子组态是2s2s。若其中一个电子被激发到3p态，按LS耦合可形成哪些原子态？从这些原子态向低能级跃迁时，可以产生哪些光谱线。画出相应的能级跃迁图(假设Be原子的多重态为正常次序)。,第七章 原子的壳层结构,第一节 元素性质的周期性变化,一、元素周期表概况,1、元素顺序（1969年）,（1）最初按原子量排列,：不完善,（2）后来按原子叙数排列,：完善，性质呈周期性,2、元素数目,最初：63种； 现在：109种；,二、元素性质的周期性,1、化学性质呈周期性,2、物理性质呈周期性,（1）光谱结构呈周期性：同竖行中的元素光谱结构相似,（2）电离能呈周期性,（3）其他物理性质呈周期性,192自然界， 93109人工,（宏观性质）,第二节 原子的电子壳层结构,一、描述一个电子状态的量子数,1、强磁场下,2、弱磁场下,二、电子的壳层分布,1、主壳层,具有相同n的那些状态上的电子构成一主壳层。,n= 1, 2, 3, 4 K