第六章在磁场中的原子

Chapter6在磁场中的原子,6.1原子的磁矩,一、单电子原子的总磁矩,1、轨道磁矩l,2、自旋磁矩s,3、总磁矩和有效磁矩j,6.1原子的磁矩,（1）：l与s合成所得，不在pj的延长线上,（2）j：是沿pj延长线上的分量，对外发生效果,6.1原子的磁矩,（3）j的计算,再利用的三角关系：,6.1原子的磁矩,g：Lande（郎德）g因子,二、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩,6.1原子的磁矩,1、LS耦合,2、jj耦合,d,B,dPL,PJ,J,PJ绕磁场旋进示意图,J,d,B,dPL,PJ,J,J,6.2外磁场对原子的作用,一、Larmorprecession（拉莫尔旋进）,1、旋进的方向,pJ绕磁场方向旋进,2、旋进的角速度,6.2外磁场对原子的作用,综合（1）（2）（3）：,6.2外磁场对原子的作用,3、旋进频率,二、原子受磁场作用的附加能量,1、附加能量,6.2外磁场对原子的作用,2、光谱项,(：洛伦兹单位),3、能级分裂特点,6.2外磁场对原子的作用,（1）原子在磁场中所获得的附加能量与B成正比；,（2）因为M取(2J+1)个可能值,因此无磁场时的原子的一个能级,在磁场中分为(2J+1)个子能级。,（3）分裂后的两相邻磁能级的间隔都等于，即由同一能级分裂出来的诸磁能级的间隔都相等,但从不同的能级分裂出来的磁能级的间隔彼此不一定相等,因为g因子不同。,无磁场,有磁场,MMg3/26/31/22/3-1/2-2/3-3/2-6/3,能级在磁场中分裂情况,6.2外磁场对原子的作用,一、实验的理论解释,6.3Stern-Gerlach实验的结果,N,S,非均匀磁场中,原子束会发生分裂,分裂的条数为(2J+1)条.,史特恩-盖拉赫实验结果,、有些物质放在磁场中磁化后，它的宏观磁矩的方向同磁场的方向相反，这类物质称为抗磁性的。凡是总磁矩等于零的原子或分子都表现为抗磁性。、有些物质放在磁场中磁化后，它的宏观磁矩的方向同磁场的方向相同，这类物质称为顺磁性的。凡是总磁矩不等于零的原子或分子都表现为顺磁性。、某些物质，如铁、钴、镍，在外磁场中磁化后，显示出比顺磁性强得多的磁性，且去掉磁场后缓保留磁性，这种现象称铁磁性。,一、物质的磁性,6.4顺磁共振,6.4顺磁共振,、概念,磁性原子在外磁场中被微波引起的共振,、实验装置,样品放在电磁铁两极S、N间的共振腔C中，电磁波发生器G中产生的微波通过波导管照射到样品上，照射后的微波强度用二极管D来检测，D连在记录器R上。,二、顺磁共振,顺磁性原子(即具有磁矩的原子)置于磁场中,其能级分裂为(2J+1)层,如果在原子所在的稳定磁场区域又叠加一个与稳定磁场相垂直的交变磁场,并且调整交变磁场的频率使hv满足则原子将在两临近的磁能级之间发生跃迁,可通过仪器探测出来。,6.4顺磁共振,、原理,C微波谐振腔放置顺磁性物质G电磁波发生器发出的电磁波经波导送入谐振腔D探测器R记录器,Cd6438埃谱线的正常塞曼效应,6.5塞曼效应,反常花样,加磁场,无磁场,钠主线系双线的反常塞曼效应,6.5塞曼效应,6.5塞曼效应,一、塞曼效应,1、概念,原子光谱线在外磁场中分裂成几条偏振谱线的现象，叫做塞曼效应。,2、分类,（1）正常（简单）塞曼效应：一条谱线在外磁场作用下分裂为三条彼此间隔相等谱线的现象,（2）反常（复杂）塞曼效应：谱线分裂数目不是三个，间隔也不尽相同,6.5塞曼效应,二、塞曼效应的理论解释谱线分裂的成因,1、定性解释,原因是由于原子具有磁矩，当原子在外磁场中时，原子磁矩与外磁场相互作用产生原子的附加能量，导致原子能级的分裂，从而导致谱线的分裂。,2、定量计算,设有一光谱线，在E2和E1之间跃迁产生,6.5塞曼效应,有磁场时，,有,改用波数形式：,6.5塞曼效应,三、Zeeman跃迁的选择定则,例：镉6438.47埃红线在磁场中的分裂情况就是正常塞曼效应,这条线对应的跃迁是,1D2,1P1,1P1,1D2,LSJMgMg,2020，1，212,1010，111,6.5塞曼效应,借助格罗春图计算波数的改变：,M210-1-2,M2g2210-1-2,M1g110-1,（M2g2-M1g1）=,000,-1-1-1,111,6.5塞曼效应,有磁场,Cd6438的正常塞曼效应跃迁图,这两条线对应的跃迁是：,2S1/2,例：Na钠5890埃和5896埃双线在磁场中的分裂情况。,在外磁场中2P3/2分裂为四个塞曼能级，间距为4BB/3；,2P1/2分裂为二，间距为2BBo/3；2S1/2分裂为二，间距为2BBo,6.5塞曼效应,2P3/2,2S1/2,M3/21/2-1/2-3/2,M2g26/32/3-2/3-6/3,M1g11-1,-1/31/3,-5/3-3/3,3/35/3,6.5塞曼效应,2P1/2,2S1/2,M1/2-1/2,M2g21/3-1/3,M1g11-1,（M2g2-M1g1）=,-2/32/3,-4/3,4/3,钠黄线在外磁场中的分裂,6.5塞曼效应,2P3/2,2P1/2,2S1/2,无磁场,有磁场,-3/2-6/3,5896,5890,谱线的偏振情况可以用原子发光时遵从角动量守恒定律来说明:发光前原子系统的角动量等于发光后原子系统的角动量与所发光子的角动量的矢量和(光子的角动量为).,四、偏振情况,不同偏振光的出现与选择定则M=0,1和观察方向有关。例如对于M=M2(初)-M1(末)=+1跃迁，沿磁场方向原子初态的z分量角动量比跃迁后原子末态z分量角动量多一个，角动量守恒意味着沿z磁场方向的光子携带+角动量，迎着磁场方向观察该光的电矢量逆时旋转，所以它是左旋圆偏振光+。沿B方向观察，它是右旋圆偏振光-。,6.5塞曼效应,对于M=M2-M1=-1，末态比初态的z分量角动量多。角动量守恒要求沿B方向传播的光子携带-角动量。这就是说迎着磁场方向观察，光的电矢量顺时针旋转，它是右旋圆偏振光，沿B方向观察，它是左旋圆偏振光。M=0对应初末态沿z方向的角动量没变化，但光子携带角动量，所以在磁场方向上观察不到M=0的光，但在垂直磁场方向观察允许M=0的平行磁场的线偏振光。在该方向上两个圆偏振光也退化为线偏振光，所以在垂直磁场方向观察共有三条线偏振光，沿磁场方向观察只