原子物理学(第六章)ppt课件.ppt

原子物理学,本章综合讨论原子处在磁场中所发生的一些现象和有关理论。1896年开始，塞曼（P.Zeeman）逐步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发的光谱线都分裂成几条，条数随能级的类别而不同，而分裂后的谱线成分是偏振的。后人称这现象为塞曼效应。这现象反映原子结构的情况，到现在仍用来研究有关原子的问题。1944年扎佛依斯基发现了磁共振现象，随后数年中发展了这方面的实验。,第六章在磁场中的原子,1,原子物理学,在稳定的磁场中放置要研究的材料样品，再加交变磁场，如果后者的频率合适，样品会从交变场吸收能量。这类实验在科学上有重要的应用，它的基础也是原子的磁性问题。还有，大家早已知道的关于物质磁化的事实。有一类物质放在磁场中磁化后，它的磁矩的方向同磁场的方向相同，这类一类物质称作顺磁性物质；另一类物质放在磁场中磁化后，它的磁矩的方向同磁场的方向相反，这一类物质称作抗磁性物质.经研究，知道这也是原子结构的反映。,第六章在磁场中的原子,2,原子物理学,6.1原子的磁矩,第六章在磁场中的原子,3,原子物理学,6.1原子的磁矩,第六章在磁场中的原子,4,原子物理学,6.1原子的磁矩,第六章在磁场中的原子,5,原子物理学,6.1原子的磁矩1、单电子原子的总磁矩,第六章在磁场中的原子,6,原子物理学,6.1原子的磁矩1、单电子原子的总磁矩,第六章在磁场中的原子,7,原子物理学,6.1原子的磁矩1、单电子原子的总磁矩,第六章在磁场中的原子,8,原子物理学,6.1原子的磁矩1、单电子原子的总磁矩,第六章在磁场中的原子,9,原子物理学,6.1原子的磁矩1、单电子原子的总磁矩,第六章在磁场中的原子,10,原子物理学,6.1原子的磁矩2、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩,第六章在磁场中的原子,11,原子物理学,6.1原子的磁矩2、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩,第六章在磁场中的原子,12,原子物理学,6.1原子的磁矩2、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩,第六章在磁场中的原子,13,原子物理学,6.1原子的磁矩2、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩有了(9)、（10)、（11)、（12)和（13)式后，如果知道原子态的性质，它的磁矩就可以算出来。反过来，从原子的磁性的研究也可提供它所处状态的线索。,第六章在磁场中的原子,14,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用1、拉莫尔旋进,第六章在磁场中的原子,15,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用1、拉莫尔旋进,第六章在磁场中的原子,16,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用1、拉莫尔旋进,第六章在磁场中的原子,17,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用1、拉莫尔旋进,第六章在磁场中的原子,18,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用1、拉莫尔旋进,第六章在磁场中的原子,19,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用1、拉莫尔旋进,第六章在磁场中的原子,20,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用2、原子受磁场作用的附加能量,第六章在磁场中的原子,21,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用2、原子受磁场作用的附加能量,第六章在磁场中的原子,22,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用2、原子受磁场作用的附加能量,第六章在磁场中的原子,23,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用2、原子受磁场作用的附加能量,第六章在磁场中的原子,24,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用2、原子受磁场作用的附加能量,第六章在磁场中的原子,25,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用2、原子受磁场作用的附加能量,第六章在磁场中的原子,26,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用2、原子受磁场作用的附加能量,第六章在磁场中的原子,27,原子物理学,6.2外磁场对原子的作用2、原子受磁场作用的附加能量以上所说原子磁矩的存在和它在磁场中的各种取向，以及因而发生的附加能量和能级的分裂等情况，都有实验的证明。在下面几节我们会看到，表面上很不同的实验都反映同一幅原子图象。这些实验现象中塞曼效应发现在1896年，然后逐渐发展理论。史特恩-盖拉赫实验在1921年出现，是在理论发展中发展的。至于磁共振却是在上述理论建立之后才发展的。这一长期的发展过程正是科学实践中感性认识提高到理性认识，理论再指导实践的过程。,第六章在磁场中的原子,28,原子物理学,6.3史特恩-盖拉赫实验的结果史特恩-盖拉赫实验的方法在第二章中已经叙述了。在那里说到怎样在银原子的实验中证实了空间量子化的存在。但那时只说到轨道运动的磁矩和角动量，对原子的了解还不全面。所以暂时搁置在那里。现在我们知道原子的总磁矩是同总角动量联系的磁矩，这是轨道磁矩和自旋磁矩的联合（原子核磁矩很小，暂不考虑）。这时再把特恩盖拉赫实验的结果同理论比较一下，就更有意义了。,第六章在磁场中的原子,29,原子物理学,6.3史特恩-盖拉赫实验的结果,第六章在磁场中的原子,30,原子物理学,6.3史特恩-盖拉赫实验的结果,第六章在磁场中的原子,31,原子物理学,6.3史特恩-盖拉赫实验的结果,第六章在磁场中的原子,32,原子物理学,6.3史特恩-盖拉赫实验的结果,第六章在磁场中的原子,33,原子物理学,6.3史特恩-盖拉赫实验的结果后来史特恩盖拉赫实验又先后经不同的人进行过。现在把对各种原子的实验结果开列在表6.2。这里可以看出实验观察的结果完全证实了（3）式表示的理论推断的正确性。,第六章在磁场中的原子,34,原子物理学,6.3史特恩-盖拉赫实验的结果,第六章在磁场中的原子,35,原子物理学,6.4顺磁共振具有磁矩的原子称为顺磁性原子，这个名称的来由不久将讨论到。上面说到，当磁矩不等于零的原子处在磁场中时，它的能级分裂成数层；裂成的能级同原能级的差值等于,第六章在磁场中的原子,36,原子物理学,6.4顺磁共振,第六章在磁场中的原子,37,原子物理学,6.4顺磁共振,第六章在磁场中的原子,38,原子物理学,6.4顺磁共振这个实验的主要装置如图6.4所示。P181-183。,第六章在磁场中的原子,39,原子物理学,6.5塞曼效应1、塞曼效应的观察当光源放在足够强的磁场中时，所发光谱的谱线会分裂成几条，而且每条谱线的光是偏振的。图6.8显示一些光谱线的塞曼效应。现在举例说明观察到的现象。,第六章在磁场中的原子,40,原子物理学,6.5塞曼效应,第六章在磁场中的原子,41,原子物理学,6.5塞曼效应1、塞曼效应的观察（1）正常塞曼效应一条谱线（）在外磁场作用下一分为三，彼此间间隔相等，且间隔值为，这种现象称之为正常塞曼效应。,第六章在磁场中的原子,42,原子物理学,6.5塞曼效应1、塞曼效应的观察（1）正常塞曼效应镉的6438.47埃红色谱线的塞曼效应：把镉光源放在足够强的磁极之间，从垂直于磁场的方向观察光谱，会发现这条谱线分裂为三条，一条在原位，左右还各有一条。两边的两条离中线的距离用波数表示是相等的。三条谱线是平面偏振的。中间一条的电矢量平行于磁场，左右两条的电矢量垂直于磁场。如果沿磁场方向观察光谱，中间那条就不出现；两边两条仍在垂直方向观察到的位置，但已经是圆偏振的了。两条的偏振转向是相反的。,第六章在磁场中的原子,43,原子物理学,6.5塞曼效应1、塞曼效应的观察（1）正常塞曼效应频率比原谱线频率高的那一条的偏振转向是沿磁场方向前进的螺旋转动的方向；频率较原谱线频率低的那一条的偏振转向相反。这些观察到的情况可以用图6.9代表出来。在垂直于磁场方向观察到的谱线同图6.8中锌单线的塞曼效应相似。为了便于描述，光谱学中用希腊字母作为电矢量平行于磁场那一条的标记，用作为电矢量垂直于磁场那两条的标记。,第六章在磁场中的原子,44,原子物理学,6.5塞曼效应1、塞曼效应的观察（2）反正常塞曼效应一条谱线（）在外磁场作用下一般不分为三条，且间隔也不尽相同，这种这种现象称之为反常塞曼效应。,第六章在磁场中的原子,45,原子物理学,6.5塞曼效应1、塞曼效应的观察（2）反正常塞曼效应钠的5895.93埃和5889.96埃黄色谱线的塞曼效应：把钠光源放在足够强的磁场中，从垂直于磁场方向观察，会看到谱线分裂成图6.8中相片所示的情况。图6.10中用字母和分别标明各线的性质。当然在平行于磁场方向观察时，部分不出现。,第六章在磁场中的原子,46,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释,第六章在磁场中的原子,47,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释,第六章在磁场中的原子,48,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释,第六章在磁场中的原子,49,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释,第六章在磁场中的原子,50,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（1）Cd（镉）6438埃谱线的塞曼效应:上述镉谱线的塞曼效应及有关能级和跃迁如图6.11所示这里有九种跃迁，但只有三种能量差值，所以出现三条分支谱线，每条包含三种跃迁。中间那条谱线仍在原谱线位置，左右二条同中间一条的波数差等于一个洛伦兹单位，结论同实验完全一致。,第六章在磁场中的原子,51,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（1）Cd（镉）6438埃谱线的塞曼效应:,第六章在磁场中的原子,52,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（2）Na(钠)5890埃和5896埃谱线的塞曼效应：这两条谱线是跃迁批结果。结果如下：,第六章在磁场中的原子,53,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（2）Na(钠)5890埃和5896埃谱线的塞曼效应：,第六章在磁场中的原子,54,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（2）Na(钠)5890埃和5896埃谱线的塞曼效应：,第六章在磁场中的原子,55,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（2）Na(钠)5890埃和5896埃谱线的塞曼效应：,第六章在磁场中的原子,56,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（2）Na(钠)5890埃和5896埃谱线的塞曼效应：,第六章在磁场中的原子,57,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（2）Na(钠)5890埃和5896埃谱线的塞曼效应：,第六章在磁场中的原子,58,原子物理学,6.5塞曼效应2、塞曼效应的理论解释（2）Na(钠)5890埃和5896埃谱线的塞曼效应：,第六章在磁场中的原子,59,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性有些物质放在磁场中磁化后，它的宏观磁矩的方向同磁场方向相反，这类物质称为抗磁性物质。另有一些物质在磁场中磁化后的宏观磁矩的方向同磁场方向相同，这类物质称为顺磁性物质。某些物质，如铁、钴、镍和某些稀土元素以及好多种氧化物，在受外磁场磁化时，显出比顺磁性强得很多的磁性，而且在去了磁场后还保留磁性，这现象称为铁磁性，这种物质称为铁磁性物质。,第六章在磁场中的原子,60,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性图6.13是前两种磁化情况的示意图。,第六章在磁场中的原子,61,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性,第六章在磁场中的原子,62,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性,第六章在磁场中的原子,63,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性1、抗磁性抗磁性是磁场对电子轨道运动所起作用的结果。电子轨道运动在磁场中会发生旋进。在6.2节曾指出，旋进角动量的方向在任何情况下都是在磁场的方向，同电子轨道运动的速度和方向无关。在同一磁场下，旋进的速度是常数。因此，一个原子中所有的电子构成一个整体绕着磁场旋进，形成一个电的环流。但电子带负电，这相当于一个相反方向的正电环流，这样一个电的环流会产生磁矩指向磁场的相反方向。这就是抗磁性的来源。,第六章在磁场中的原子,64,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性1、抗磁性,第六章在磁场中的原子,65,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性1、抗磁性,第六章在磁场中的原子,66,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性2、顺磁性,第六章在磁场中的原子,67,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性2、顺磁性,第六章在磁场中的原子,68,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性2、顺磁性,第六章在磁场中的原子,69,原子物理学,6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性3、铁磁性由于铁磁物质的原子本具有磁矩，这类原子之间又发生自发磁化的作用，在小区域内原子磁矩沿一个方向排列起来，合成一个较强的联合磁矩，这就是说，在各小区内已经很强地磁化了，这样的小区称为磁畴。一块磁性材料分成数量很大的这样的磁畴，但每个磁畴的磁矩有各自不同的取向，彼此间的相对取向是乱的。在未加外磁场前，对外的效果互相抵消，不显磁性。在加外磁场后，各磁畴的磁矩再向外磁场方向转动，这