近代物理第3章.ppt

第三章外磁场对原子的影响 一 原子磁矩 3 1原子能级在磁场中的分裂 L S耦合 单电子原子 综上分析 原子对外的有效磁矩只是 用来代表原子总磁矩 的计算 原子总磁矩 合成的总磁矩与角动量不在同一直线上 且绕着的延线进动 原子磁矩 朗德因子 其中 例 原子态 原子态 可以证明 1 对所有的S态 单态除外 g 2 二 原子能级在磁场中的分裂 具有磁矩的原子在磁场中受到磁力矩作用 磁场对原子产生附加能量 设z轴与方向一致 则 式中 为在磁场方向的分量 2 分裂后相邻次能级的间隔为 结论 例 锂原子能级在磁场B中的分裂 一 塞曼效应的观察 原子光谱线在外磁场中发生分裂 且分裂后的每条谱线都是偏振的 3 2塞曼效应 1 正常塞曼效应 例 Cd原子的643 847nm谱线 谱线分裂为三条 彼此间隔相等 且都是线偏振 2 反常塞曼效应 谱线分裂数目更多 间隔也不尽相同 例 钠双黄线 二 塞曼效应的理论解释 无外磁场 加外磁场B 或 1 正常塞曼效应的解释 塞曼能级之间跃迁的选择定则 M 0 产生 线 当 J 0时 M2 0 M1 0的跃迁除外 M 1 产生线 或 例 Cd643 8nm谱线 1D2 1P1 的分裂 2 反常塞曼效应的解释 在一般情况下 原子的总自旋不等于零 1 计算原谱线跃迁的初态与末态g因子及可能的Mg值 分裂及值计算可能的后谱线与原谱线的频率差 2 计算可能的值及分裂后谱线与原谱线的频率差 3 画出能级图和能级跃迁图 3 塞曼谱线的偏振特性 解释 在辐射过程中 原子和发出的光子的总角动量 及其在外磁场方向的分量 守恒 例 在一次正常塞曼效应中 Ca的422 6nm谱线在3T的磁场中分裂为间距为0 025nm的三条线 试从这些数据测定电子的荷质比 解 由 一 拉莫尔旋进的产生 使原子角动量改变 原子磁矩受磁场作用绕的方向作旋进 3 3拉莫尔旋进 力矩 故连续发生 且与方向始终垂直 所以 只改变方向 而不改变数值 称旋进角速度 由 二 旋进角速度 且 所以 令 旋磁比 旋进频率 旋进角动量的方向在任何情况下都是在磁场的方向 三 旋进方向 例 计算在地球的磁场B 5T中和B 50T的强磁场中 原子电子壳层 无自旋 的拉莫尔旋进频率 解 由 只考虑轨道运动g 1 四 拉莫尔旋进的应用 1 拉莫尔旋进是物质具有抗磁性的根源 测定核子旋进角速度 便可确定外磁场 核子旋进磁力仪的原理 2 原子核也具有磁矩 在外磁场中会产生旋进 3 原子在静磁场中做拉莫尔旋进 再外加适当的交变磁场 便产生顺磁共振 3 4顺磁共振 一 顺磁共振现象的观察 二 产生顺磁共振的条件 在垂直于静磁场的方向上加一交变磁场 当交变磁场的频率等于原子在静磁场中作拉莫尔旋进的频率时 产生顺磁共振 顺磁共振吸收曲线 三 顺磁共振的量子论解释 在交变磁场作用下 原子在塞曼能级之间的跃迁产生的 即为顺磁共振的频率条件 由 例 微波 应用 1 精确测量电子的回旋比和g 原子的g值 用来分析原子能级 2 分析原子在各种分子结构或固体中所受的作用 3 研究电子自旋与周围原子核自旋的超精细结构相互作用 核磁共振 NMR 若塞曼能级分裂是由于核自旋磁矩与外磁场相互作用产生的 与这种核塞曼能级间的跃迁相对应的磁共振现象叫核磁共振 利用原子核在磁场中能量变化来获得关于核的信息的技术 1 核磁共振的条件 3 核磁共振具有普遍性 大量的原子核具有核磁矩 即使核磁矩 0的原子 也可以用有核磁矩的同位素代替 2 核磁共振谱的特点 1 某一种原子核在一定磁场下有一个确定的基本共振频率 核磁共振具有很高的选择性 2 核磁共振谱可以具有极高的分辨率 4 可进行化学变化和生理过程等动态观测 3 应用 1 研究有机化合物的分子结构 2 核磁共振成像 NMRI 技术 3 核磁测井 综合 塞曼效应磁共振和光泵技术 一 光泵磁力仪的结构 3 5光泵磁力仪的工作原理 1 氦的单色圆偏振光射入氦吸收室起什么作用 2 为什么用射频振荡器控制吸收室 使其达到磁共振 3 通过什么关系式求得被测磁场强度 二 光泵作用 此时通过吸收室的D1线最强 吸收室中的氦原子吸收