原子物理学课件：第七章：在磁场中的原子

1、2020/10/7,1,第七章：在磁场中的原子,主要讨论原子处在磁场中所发生的一些现象,2020/10/7,2,第一节：原子的磁矩,一、单电子原子的总的磁矩,1、轨道磁矩,2、自旋磁矩,2020/10/7,3,4、原子的总磁矩,2020/10/7,4,2020/10/7,5,2020/10/7,6,原子的总磁矩和总角动量的关系：,2020/10/7,7,二、具有两个或两个以上电子的原子的总磁矩(结论),对L-S耦合(j-j耦合略),2020/10/7,8,讨论,1、对S=0 (单重态),2、L=0 (S态) g=2 J=S,3、L=0 S=0,4、一般原子,2020/10/7,9,例 1、求B

2、原子态,2、原子在 状态,其有效磁矩为:,3、原子处于 态,朗德因子分别为 :,1, 2,0 g=0,意义：若已知原子态的性质,则可求出其磁矩. 从原子的磁性的研究,也可提供原子态的部分信息(线索),有效磁矩是:,的g因子和有效磁矩,2020/10/7,10,求原子有效磁矩： 1、基态氢原子 2、 3、 4、,2020/10/7,11,第二节 外磁场对原子的作用,一、拉莫尔旋进,P174图a,b,原子总磁矩 ，在磁场 中，受场的作用。即磁矩绕磁场的方向旋进。也就是总角动量 绕磁场方向旋进。,磁场对磁矩的力矩是：,只改变方向，不改变大小，旋进,2020/10/7,12,矢量式;拉莫尔旋进角频率:

3、,是旋进的角速度,2020/10/7,13,(a)图 旋进使B方向角动量增加，能量增加； (b)图 旋进使B方向角动量减少，能量减少。,二、原子在磁场中的附加能量,附加能量:,的夹角,的夹角,在磁场中的取向是量子化的,M:磁量子数,取值M=J,J-1,-J 共2J+1个值,共有2J+1个可能性,结论:1无磁场时的一个能级，在有磁场时分裂为2J+1层,2020/10/7,15,无磁场,有磁场,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2,Mg 6/3 2/3 -2/3 -6/3,P178页,表6.1,相邻能级间隔,2020/10/7,16,注意： 原子磁矩的存在，它在磁场中的各个取向，以及因而发生的附

4、加能量和能级的分裂等情况，都有实验的证明。 一个是史特恩-盖拉赫实验 一个是塞曼效应,第三节：史特恩盖拉赫实验的结果分析,实验装置,2020/10/7,18,2020/10/7,19,P180 表6.2,偏转距离,银原子：基态的价电子 5s1 ，原子态:,史特恩盖拉赫实验证明了,1、空间量子化的事实 2、电子自旋假设的正确性，s=1/2 3、电子自旋磁矩数值的正确性,第四节 顺磁共振,把J不为零的原子称为顺磁性原子。,一、顺磁共振的实验原理,把顺磁性原子的样品放到稳定磁场中，另加一个与稳定磁场垂直的交变磁场（高频电磁波），当频率满足：,时，样品从电磁波吸收能量，产生共振现象。,共振条件：,实验

5、装置：,N, S 强磁场 C 微波谐振腔（放顺磁原子） G 电磁波发生器 D 探测器 R 记录仪,二、应用,1、测基态的g因子 2、研究分子、液体、固体的结构,3、核磁共振原理和顺磁共振相似,2020/10/7,26,第五节：塞曼效应,一、塞曼效应,把光源放在磁场中，原来的每一条谱线分裂成几条偏振化的谱线。分裂的条数随能级类别不同而不同，这种现象称为塞曼效应。,塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间取向的量子化。是研究原子内部能级结构的重要方法之一。1902年塞曼获Nobel Prize。,2020/10/7,28,in recognition of the extraordinary servic

6、e they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena,2020/10/7,29,(643.8nm红色光,镉),观察，三条平面偏振光,第二条 第三条,无磁场,1、正常塞曼效应的观察,2020/10/7,30,二条圆偏振线，转向相反,无磁场,2020/10/7,31,2、反常塞曼效应的观察,钠黄光(双线，主线系第一条，589.6nm, 589.0nm)的分裂,无磁场,589.6nm,589.0nm,2020/10/7,32,二、Zeeman效应的理论解释,1、能级的移

7、动和谱线的分裂情况,(1) 原子能级在磁场中分裂为2J+1层,(2),(3) 在磁场中,(4),2020/10/7,33,频率差：,波数差:,2020/10/7,34,2、Zeeman效应的选择定则 (附加的选择定则),例:,2020/10/7,35,3、正常塞曼效应和反常塞曼效应,正常塞曼效应：当原子的总自旋等于0 (S=0，单一态，单线)，每条谱线分裂为三条，且波数裂距为洛仑兹单位。,反常塞曼效应：当原子的自旋不为0，则每条谱线将分裂成更多谱线，且裂距不等于洛仑兹单位。,当S0(单一态)，g=1,2020/10/7,36,例1：镉的643.8nm的正常塞曼效应 跃迁,格罗春图,M 2 1

8、0 -1 -2,M2g2 2 1 0 - 1 -2,M1g1 1 0 -1,(M2g2 - M1g1)=,0 0 0,-1 -1 -1,1 1 1,解：,2020/10/7,37,L,有磁场,九种跃迁，只有三种能量差，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，左右两条同中间一条的波数差为1L。结论与实验一致。,无磁场,Mg 2 1 0 -1 -2 1 0 -1,M 2 1 0 -1 -2 1 0 -1,2020/10/7,38,例2：钠的,589.0nm谱线的塞曼分裂,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2,M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3,M1g1 1 -1,2

9、020/10/7,39,2P3/2,2S1/2,Mg 6/3 2/3 -2/3 -6/3 1 -1,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2 1/2 -1/2,2020/10/7,40,M 1/2 -1/2,M2g2 1/3 -1/3,M1g1 1 -1,(M2g2 - M1g1)=,-4/3,-2/3 2/3,4/3,钠的 589.6nm的塞曼分裂,2020/10/7,41,2P1/2,2S1/2, ,间距不等,Mg 1/3 -1/3 1 -1,M 1/2 -1/2 1/2 -1/2,2020/10/7,42,4、塞曼效应的物理意义,塞曼效应反映了原子所处的状态。,从塞曼效应的实验数据可以推断

10、有关的分裂情况：,从能级裂开的层数知道J的值,而能级的间隔等于 g值。,获得了原子态的重要资料,是研究原子结构的重要途径之一,计算e/m, L=Be/4mc, 测L, 求e/m,2020/10/7,43,解：,M 2 1 0 -1 -2,M2g2 2 0 -2,M1g1 3 3/2 0 -3/2 -3,-1 -3/2 -2,1/2 0 -1/2,2 3/2 1,2020/10/7,44,Mg 2 0 -2 3 3/2 0 -3/2 -3,反常塞曼效应,M 1 0 -1 2 1 0 -1 -2,3S,3P,不考虑自旋,考虑自旋,在磁场中, ,5896,5890,5896,5890,5893,Mg 6/3 2/3 -2/3 -6/3 1/3 -1/3 1 -1,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2 1/2 -1/2 1/2 -1/2,2020/10/7,46,*5、谱线的偏振解释,结论：原子在辐射过程中，原子和光子整个体系角动量不变,合成的电矢量的大小为常数，方向则作用周期性变化，矢量箭头绕圆周运动，即圆偏振。,2020/10/7,48,(2)右旋偏振和左旋偏振,(a),沿z轴逆光观察 电矢量作顺时针转动，称为右旋偏振， 角动量方向与传播方向相反 光的传播方向Z向右,光的角动量方向L向左,沿z轴逆光观察 电矢量作逆时针转动，称为左旋偏振， 角