原子物理学第六章+在磁场中的原子

1、第六章 在磁场中的原子,6.1 塞曼效应的实验事实 6.2 原子的磁矩 6.3 外磁场对原子的作用 6.4 史特恩盖拉赫实验的结果 6.6 塞曼效应,6.1塞曼效应的实验事实,物理学家塞曼: 当光源放在足够强的磁场中时，所发射的每一条光谱线都分裂成几条,条数随能级的类别而不同。 分裂后的谱线成分是偏振的。,一、塞曼效应,洛伦茨,塞曼,单线系的每一条谱线,在垂直磁场方向观察时,每一条分裂为三条,彼此间隔相等,中间一条( ) 线频率不变;左右两条( )，它们都是线偏振的。线的电矢量振动方向平行于磁场； 线的电矢量振动方向垂直于磁场； 当沿磁场方向观察时,中间的 成分看不到,只能看到两条 线,，它们

2、都是圆偏振的。,二、实验规律,1.正常塞曼效应,2.反常塞曼效应,双重或多重结构的原子光谱,在较弱的磁场中,每一条谱线分裂成许多条分线。,正常三重线,锌的正常塞曼效应,锌的单线,钠主线系的双线,加磁场,反常花样,钠的反常塞曼效应,无磁场,一、原子的总磁矩和有效磁矩,1原子的总磁矩,轨道运动：,自旋运动：,6.2 原子的磁矩,L-S耦合法：,总轨道角动量：,总轨道磁矩：,总自旋角动量：,总自旋磁矩：,原子的磁矩=电子的轨道磁矩+电子的自旋磁矩,总角动量：,总磁矩：,2原子的有效磁矩,j,l,s,Ps,Pj,Pl,sj,lj,有效磁矩,余弦定理：,比较：,得：,：朗德因子,解：,朗德因子,当 s

3、= 0, 时,单电子原子总磁矩（有效磁矩）,是最后一个电子的, 是(n-1)个电子集体的 。,二、多电子原子的磁矩,（1）L-S耦合,（2）j-j耦合,6.3 外磁场对原子的作用,在外磁场B中,原子总磁矩 受磁场力矩的作用, 绕B连续进动的现象。,一、拉莫旋进,旋进频率：,旋进角速度:,d,B,dP,PJ,J,Pj绕磁场旋进示意图,J,二、原子受磁场作用的附加能量,磁量子数：,共（2J+1）个,洛仑兹单位：,光谱项差：,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。,1.原子在磁场中所获得

4、的附加能量与B成正比；,结论:,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。,表6.1 几种双重态g因子和Mg的值,原子态,例3、将处于原子态为 的钠原子放置于 的磁场中，已知,（1）求该原子态产生的能级分裂层数，画出能级分裂图 （2）求分裂能级中相邻能级的间隔（用电子伏特表示）,需要指出的是：只有外加磁场B较弱时上述讨论才正确。因为只有在这一条件下，原子内的旋轨相互作用才不至于被磁场所破坏， S 和L才能合成总磁矩，且绕PJ旋转很快，以至于对外加磁场而言，有效磁矩仅为在PJ方向的投影 J。在弱磁场B中原子所获得的附加能量才为 。,所以在

5、弱磁场中原子的能级可表为：,在分裂后的磁能级间的跃迁要符合选择定则：,时,除外。,6.4 塞曼效应的理论解释,一、分裂后的谱线与原来谱线的波数(或频率)差,根据上述理论可以解释塞曼效应的实验事实。 对于单线系的一条谱线，由于S=0，2S+1=1，所以可以算出g2=g1=1,因而：,二、磁能级之间的跃迁选择定则,例如:镉6438.47埃红线在磁场中的分裂情况,这条线对应的跃迁是,1D2,1P1,1P1,1D2,L S J M g Mg,2 0 2 0，1， 2 1 0，1， 2,1 0 1 0， 1 1 0， 1,1.正常塞曼效应,简便方法计算波数的改变：,M 2 1 0 -1 -2,M2g2

6、2 1 0 -1 -2,M1g1 1 0 -1,（M2g2 - M1g1）=,0 0 0,-1 -1 -1,1 1 1, ,有磁场,由 的组合，结合选择定则，就可得到许多条分线。,对于具有双重或多重结构的光谱线在磁场中的分裂情况，由于 因而，,2.反常塞曼效应,这两条线对应的跃迁是：,2P3/2,2P1/2,2S1/2,2S1/2,2S1/2,2P3/2,2P1/2,L S J M g Mg,0 1/2 1/2 1/2 2 1,1 1/2 1/2 1/2 2/3 1/3,1 1/2 3/2 1/23/2 4/3 2/3 6/3,例如:Na钠5890埃和5896埃双线在磁场中的分裂情况如下：,2

7、P3/2,2S1/2,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2,M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3,M1g1 1 -1,（M2g2 - M1g1）=,-1/3 1/3,-5/3 -3/3,3/3 5/3,2P1/2,2S1/2,M 1/2 -1/2,M2g2 1/3 -1/3,M1g1 1 -1,（M2g2 - M1g1）=,-2/3 2/3,-4/3,4/3,2P3/2,2P1/2,2S1/2,能级分裂,无磁场,有磁场,2P3/2,2P1/2,2S1/2,无磁场,有磁场,-3/2 -6/3, ,5896,5890,6.5 史特恩-盖拉赫实验的结果,1.非均匀磁场中,原子束会发生分裂,分裂的条 数为(2J+1)条. 2.原子束偏离原方向的横向位移