外磁场对原子的作用.ppt

1、教学内容6.1原子磁矩6.2外磁场对原子的作用6.3石格拉夫实验结果6.4正磁共振6.5塞曼效应6.6抗磁性，顺磁性和强磁性教学重点原子在有效磁矩原子水平的磁场中的分裂塞曼效应(正常，异常)教学难点异常塞曼效应帕申巴效应磁场中的原子，问题的提出：玻尔：如果在量子面前不受打击，他不知道现代物理学，如果对这个理论不感到困惑，他也不是个好物理学家。 原子具有磁性，施加磁场会产生磁效应，本章将讨论相关现象。 1896年，塞曼(PZeeman )将发射原子光谱的光源放置在静磁场中，发现各光谱线分裂成频率接近的几条，它们是偏振光。 这就是塞曼效应。 此后，人们陆续从实验中发现并阐明了有关电子自旋、磁共振(

2、包括电子自旋共振、核磁共振、原子束共振和复共振等)现象的规律。 另一方面，从这些效应可以看出原子结构的性质，特别是原子的磁(电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、核自旋磁矩)，而它们提供的实验手段和理论方法在现代高技术的许多领域都有着重要的应用，推动了物理学的发展。 这些工作的创始人曾获得诺贝尔物理学奖。 例如：塞曼(PZeeman )和劳伦茨(HALorentz) (1902，塞曼效应和电子论)斯特恩(1943，斯特恩盖拉实验)拉比(IIRabi)(1944，核磁共振法)布洛夫(FBloch )和爸爸磁共振光谱学)兰姆(WELamb )和库什(PKusch)(1955、兰姆位移和电子磁矩)卡斯特勒(A

3、Kastler)(1966、双共振方法)兰赛(NFRamsey)(1989、铯原子订)。 6.1原子的磁矩6.1.1单价电子原子的磁矩原子内部封闭层的总轨道角动量和总自旋角动量都为零，对原子磁矩没有贡献，只考虑外层价电子。 电子进行轨道运动时伴随轨道磁矩，得到了图6.1.1原子磁矩j和角动量j的矢量图、陆地因子或g因子(割断因子)、6.1.2多电子原子的磁矩、6.2外磁场作用于原子的6.2.1拉莫尔(Larmor ) 但是，在原子中，磁矩j与角动量j相关联，由此，在它们自身的轨道上移动的电子(将其角动量设为j )受到矩n的作用，由于j和j的方向相反，因此，dJ与b、j所构成的平面垂直，如图所示

4、，dJ围绕b的旋转(进入) 旋转角动量与j的磁场方向的成分重叠，增加系数能量(j与b方向一致)或者减少系数能量(j与b方向相反)。 6.2.2原子在外部磁场中的能级分裂设置了具有磁矩的粒子，位于沿z方向的静磁场b中，两者的相互作用能量为-、6.2.3斯通格拉夫实验结果的再分析，j，6.3塞曼效应6，这就是光谱塞曼效应图6.3.1塞曼效应的实验结果：在与磁场垂直的方向上观察到的现象。照片下添加的线表示左右各洛伦兹单位的间距。1 .镉(Cd)643.847nm光谱的塞曼效应，2 .钠的黄色双线D1和d2(5547nm ) 如果外部磁场足够强，自旋轨道耦合就会被破坏，与磁量子数mL、ms对应的简并能

5、级通过外部磁场消除，该塞曼分裂被称为帕歇贝克效应。6.3.2正常塞曼效应，将电子迁移前后2个原子态的总自旋为零的光谱线称为单态光谱线，将单态光谱线分裂为3条的现象称为正常塞曼效应。 另外，在s1=s2=0的情况下，例题6.3.1修正镉643.8nm。 在外部磁场b中产生光谱线(从1D2向1P1的迁移)的塞曼分裂描绘能级迁移图。 解：6.3.3异常塞曼效应、异常塞曼效应是上下能级s1、s2都不等于零、g1、g2都不等于1、非一能级间的迁移， 例题6.3.2求得钠原子589.0nm和589.6nm光谱的塞图6.3.5钠原子589.6nm和589.0nm的光谱线在外部磁场中有异常塞曼效应，6.3.4

6、塞曼效应的偏振特性表明塞曼效应的偏振和m的关系对于在z方向上传播的电磁波，其电矢量必定在xy平面(横波特性)中，可分解为Ex和Ey :=0的情况下，电矢量在某个方向上周期性地变化，即在直线偏振光=/2、A=B时，合成的电矢量的大小一定，方向周期性地变化定义右旋偏振光和左旋偏振光：使光的传播方向与z轴一致而观察到的电矢量按时间校正方向旋转时，被称为右旋(圆)偏振光(图6.3.6(a ) )； 如果观察到的电向量逆时针旋转，则称为左旋(圆)偏振光(图6.3.6(b ) )。 圆偏振光具有角动量的实验事实是，贝叶斯(RABeth )在1936年观察到的光的角动量方向和电矢量旋转方向构成了右手螺旋定律

7、。 因此，对于右旋偏振光，角动量方向与传播方向相反，对于左旋偏振光，两者相同。 图6.3.6偏振和角动量的定义是，相对于M=M2-M1=1，原子的磁场方向(z )的角动量减少1个。 因为角动量必须将原子和发射出的光子作为一体来保存，所以发光子必须在磁场方向上具有角动量。 因此，当朝向磁场方向观察时，因为是磁场方向即光传播方向，所以j与光传播方向一致，观察到偏振光。 同样，在M=M2-M1=-1时，原子的磁场方向的角动量增加1个，发光的子必定在与磁场相反的方向上具有角动量，因此朝向磁场方向时可观察到-偏振光。 图6.3.7显示的是在面向磁场的方向上观察的偏振光的情况。 另外，对于面向磁场而观察到

8、的光谱线，由于相对于这两个光谱线，电矢量位于xy平面，因此当在与磁场b垂直的方向(例如x方向)上观察时，只能观察到Ey成分(横波特性)，而观察到两条与b垂直的线偏振光。 在M=M2-M1=0的情况下，原子的磁场方向(z方向)的角动量不变，光子必定具有与磁场垂直的方向(设为x方向)的角动量，光的传播方向与磁场方向垂直，与光对应的电矢量必定在yz平面内，可以具有Ey和Ez分量。 然而，由于角动量方向在xy平面上的光子都满足M=0的条件，因此平均效果使Ey分量为零。 于是，由于在沿着磁场的方向(z )上既观测不到Ey成分也观测不到Ez成分(横波特性)，因此观测不到与M=0对应的偏振光谱线。 6.3.5帕森贝克效应、j、l、s、b 210-1-2、0、1、-1、2p3/2、