原子物理6.ppt

1、1、原子的磁矩 2、外磁场对原子的作用 3、史特恩-盖拉赫实验结果的再分析 4、塞曼效应,第六章 磁场中的原子,内容：,1、明确原子有效磁矩的概念，了解磁场对磁 场对原子的作用。 2、能正确解释塞曼效应和史特恩盖拉赫实 验的结果 3、熟悉正，反常塞曼效应。会用量子理论对 其做出正确解释。,要求：,6-1原子的磁矩 一、单电子原子的磁矩 1、电子的轨道运动磁矩,玻尔磁子,2、自旋磁矩,3、原子核磁矩 原子核磁矩 为,的倍数，因,所以原子核的磁矩忽略不计 4、单电子（价电子）原子的总磁矩,(1),朗德因子,单电子（价电子）原子的总磁矩,（2）说明,（核磁矩）,总磁矩,原子总磁矩,公式还适用于 的情

2、况。（朗德因子无意义）,总磁矩由自旋磁矩决定表现出倍磁性,二、具有两个或两个以上电子（价电子）的总磁矩 1、两个以上电子的总磁矩,多价电子应考虑电子的耦合,单电子,多价电子,2、对LS耦合,例：,在实际应用中要特别注意此因子的计算,单（价）电子就是对应的这个电子的三个量子数,6-2外磁场对原子的作用 一、拉莫尔旋进 1、磁场对 力矩,思考原子精细结构现象和实质,PJ绕磁场旋进示意图,2、拉莫尔旋进的角速度、旋进频率和外磁场关系 磁场对 力矩 始终垂直于 ，故 只改变方向， 而不改变大小，造成 绕外磁场的连续旋进。,若,拉莫尔旋进角速度,拉莫尔旋进角速度,旋磁比,旋进频率,旋进对能量的贡献 （1

3、）当 ，旋进角动量叠加在磁场方向的分量上， 能量增大 。 （2）当 时，能量减少。,二、原子受磁场作用的附加能量,外磁场,总的角动量沿磁场方向的分量,磁量子数,2、附加能量对应的光谱项差,洛仑兹单位,3.分裂后的两相邻磁能级的间隔都等于,1.原子在磁场中所获得的附加能量与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。,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。,几种双重态g因子和Mg的值,例:,在磁场中分裂的情况,能级分成4层，间隔都是,无磁场

4、,有磁场,M Mg 3/2 6/3 1/2 2/3 -1/2 -2/3 -3/2 -6/3,能级在磁场中分裂情况,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.,6-3史特恩盖拉赫实验的结果,一、,在磁场方向上的分量,相片上有几条斑，就说明 有几个M值，表示 有几 个取向。,银原子基态,所以只有两条黑斑,二、史特恩盖拉赫实验证实以下几个事实 1、原子的空间量子化，如果没有空间量子化现 象，相片的图样应连续分布。 2、电子自旋量子数 当 时，原子的 磁矩由电子自旋磁矩表征，这时原子在磁场的偏转 为两束。证明,3、,取值从0开始，实验证明确实,4、电子自旋磁矩与自旋角动量之比

5、显示了“倍磁性”,有 态，,即S态。其 磁矩只有自旋磁矩。否则,从1取 与实验不符。,史特恩-盖拉赫实验结果,一、塞曼效应的实验事实,1896年开始荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman)逐步 发现,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。人们称这种现象为塞曼效应。 (原子光谱在外磁场中进一步发生分裂的现象）,1.塞曼效应,5塞曼效应,思考:,谱线的精细结构,分裂为三条,彼此间隔相等,中间一条( ) 线频 率不变;左右两条( )频率的改变为L（一个洛仑兹 单位），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

6、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,，它们都是圆偏振的。,2.实验规律,（1）正常塞曼效应,正常三重线,锌的正常塞曼效应,锌的单线,(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。钠黄线在外磁场 中的分裂如下：,无磁场,在垂直于B方向观察,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,二、塞曼效应的理论解释,1、原子的能级在磁场中分裂为2J+1层,原子受磁场作用的附加能量,无磁场时光谱线,有磁场时新的光谱线,2、塞曼跃迁选择定则,光矢量平行磁场方向,光矢量垂直磁场方向,这个结果的意义应关注

7、,说明：若体系的自旋为零，则为正常塞曼效应,表明原来一条谱线 在 外磁场中分为三条。,注意,正常塞曼效应,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,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,L S J M g Mg,2 0 2 0，1， 2 1,1 0 1 0， 1 1,同M,M 2 1 0 -1 -2,M2g2 2 1 0 -1 -2,M1g1 1 0 -1,（M2g2 - M1g1）=,0 0 0,-1 -1 -1,1 1 1,借助格罗春图计算波数的改变：, ,有磁场,Cd643

8、8的正常塞曼效应跃迁图,反常塞曼效应 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，,由 的组合，结合选择定则，就 可得到许多条分线。,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4 BB /3；,2P1/2分裂为二，间距为 2BBo/3 ； 2S1/2分裂为二，间距为 2BBo,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2,M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3,M1g1 1 -1,-1/3 1/3,-5/3 -3/3,3/3 5/3,借助格罗春图计算波数的改变：,2P1/2

9、,2S1/2,M 1/2 -1/2,M2g2 1/3 -1/3,M1g1 1 -1,（M2g2 - M1g1）=,-2/3 2/3,-4/3,4/3,2P2/3,2P1/2,2S1/2,钠能级分裂图,无磁场,有磁场,2P2/3,2P1/2,2S1/2,无磁场,有磁场,2P3/2,2P1/2,2S1/2,无磁场,有磁场,-3/2 -6/3, ,5896,5890,3S,3P,不考虑自旋,3S,3P,不考虑自旋,3S,3P,不考虑自旋,考虑自旋,在磁场中, ,5896,5890,5896,5890,5893,第四章小结和要求,一、原子的总磁矩 1、单（价）电子,1、多（价）电子,总磁矩 (有效磁矩),总磁矩 (有效磁矩),二、外磁场对原子的作用 1、原子具有磁矩，置于外磁场中会产生绕外磁场B 的拉莫尔旋进，旋进的角速度,2、附加磁相互作用能使原子的原能级分裂为若干磁能