1、2020/10/7,1,第七章：在磁場中的原子,主要討論原子處在磁場中所發(fā)生的一些現(xiàn)象,2020/10/7,2,第一節(jié)：原子的磁矩,一、單電子原子的總的磁矩,1、軌道磁矩,2、自旋磁矩,2020/10/7,3,4、原子的總磁矩,2020/10/7,4,2020/10/7,5,2020/10/7,6,原子的總磁矩和總角動量的關(guān)系：,2020/10/7,7,二、具有兩個或兩個以上電子的原子的總磁矩(結(jié)論),對L-S耦合(j-j耦合略),2020/10/7,8,討論,1、對S=0 (單重態(tài)),2、L=0 (S態(tài)) g=2 J=S,3、L=0 S=0,4、一般原子,2020/10/7,9,例 1、求B

2、原子態(tài),2、原子在 狀態(tài),其有效磁矩為:,3、原子處于 態(tài),朗德因子分別為 :,1, 2,0 g=0,意義：若已知原子態(tài)的性質(zhì),則可求出其磁矩. 從原子的磁性的研究,也可提供原子態(tài)的部分信息(線索),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、基態(tài)氫原子 2、 3、 4、,2020/10/7,11,第二節(jié) 外磁場對原子的作用,一、拉莫爾旋進,P174圖a,b,原子總磁矩 ，在磁場 中，受場的作用。即磁矩繞磁場的方向旋進。也就是總角動量 繞磁場方向旋進。,磁場對磁矩的力矩是：,只改變方向，不改變大小，旋進,2020/10/7,12,矢量式;拉莫爾旋進角頻率:

3、,是旋進的角速度,2020/10/7,13,(a)圖 旋進使B方向角動量增加，能量增加； (b)圖 旋進使B方向角動量減少，能量減少。,二、原子在磁場中的附加能量,附加能量:,的夾角,的夾角,在磁場中的取向是量子化的,M:磁量子數(shù),取值M=J,J-1,-J 共2J+1個值,共有2J+1個可能性,結(jié)論:1無磁場時的一個能級，在有磁場時分裂為2J+1層,2020/10/7,15,無磁場,有磁場,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2,Mg 6/3 2/3 -2/3 -6/3,P178頁,表6.1,相鄰能級間隔,2020/10/7,16,注意： 原子磁矩的存在，它在磁場中的各個取向，以及因而發(fā)生的附

4、加能量和能級的分裂等情況，都有實驗的證明。 一個是史特恩-蓋拉赫實驗 一個是塞曼效應,第三節(jié)：史特恩蓋拉赫實驗的結(jié)果分析,實驗裝置,2020/10/7,18,2020/10/7,19,P180 表6.2,偏轉(zhuǎn)距離,銀原子：基態(tài)的價電子 5s1 ，原子態(tài):,史特恩蓋拉赫實驗證明了,1、空間量子化的事實 2、電子自旋假設(shè)的正確性，s=1/2 3、電子自旋磁矩數(shù)值的正確性,第四節(jié) 順磁共振,把J不為零的原子稱為順磁性原子。,一、順磁共振的實驗原理,把順磁性原子的樣品放到穩(wěn)定磁場中，另加一個與穩(wěn)定磁場垂直的交變磁場（高頻電磁波），當頻率滿足：,時，樣品從電磁波吸收能量，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。,共振條件：,實驗

5、裝置：,N, S 強磁場 C 微波諧振腔（放順磁原子） G 電磁波發(fā)生器 D 探測器 R 記錄儀,二、應用,1、測基態(tài)的g因子 2、研究分子、液體、固體的結(jié)構(gòu),3、核磁共振原理和順磁共振相似,2020/10/7,26,第五節(jié)：塞曼效應,一、塞曼效應,把光源放在磁場中，原來的每一條譜線分裂成幾條偏振化的譜線。分裂的條數(shù)隨能級類別不同而不同，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應。,塞曼效應證實了原子具有磁矩和空間取向的量子化。是研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)的重要方法之一。1902年塞曼獲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紅色光,鎘),觀察，三條平面偏振光,第二條 第三條,無磁場,1、正常塞曼效應的觀察,2020/10/7,30,二條圓偏振線，轉(zhuǎn)向相反,無磁場,2020/10/7,31,2、反常塞曼效應的觀察,鈉黃光(雙線，主線系第一條，589.6nm, 589.0nm)的分裂,無磁場,589.6nm,589.0nm,2020/10/7,32,二、Zeeman效應的理論解釋,1、能級的移

7、動和譜線的分裂情況,(1) 原子能級在磁場中分裂為2J+1層,(2),(3) 在磁場中,(4),2020/10/7,33,頻率差：,波數(shù)差:,2020/10/7,34,2、Zeeman效應的選擇定則 (附加的選擇定則),例:,2020/10/7,35,3、正常塞曼效應和反常塞曼效應,正常塞曼效應：當原子的總自旋等于0 (S=0，單一態(tài)，單線)，每條譜線分裂為三條，且波數(shù)裂距為洛侖茲單位。,反常塞曼效應：當原子的自旋不為0，則每條譜線將分裂成更多譜線，且裂距不等于洛侖茲單位。,當S0(單一態(tài))，g=1,2020/10/7,36,例1：鎘的643.8nm的正常塞曼效應 躍遷,格羅春圖,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,有磁場,九種躍遷，只有三種能量差，三條分支譜線，每條包含三種躍遷。中間那條譜線仍在原譜線位置，左右兩條同中間一條的波數(shù)差為1L。結(jié)論與實驗一致。,無磁場,Mg 2 1 0 -1 -2 1 0 -1,M 2 1 0 -1 -2 1 0 -1,2020/10/7,38,例2：鈉的,589.0nm譜線的塞曼分裂,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,鈉的 589.6nm的塞曼分裂,2020/10/7,41,2P1/2,2S1/2, ,間距不等,Mg 1/3 -1/3 1 -1,M 1/2 -1/2 1/2 -1/2,2020/10/7,42,4、塞曼效應的物理意義,塞曼效應反映了原子所處的狀態(tài)。,從塞曼效應的實驗數(shù)據(jù)可以推斷

10、有關(guān)的分裂情況：,從能級裂開的層數(shù)知道J的值,而能級的間隔等于 g值。,獲得了原子態(tài)的重要資料,是研究原子結(jié)構(gòu)的重要途徑之一,計算e/m, L=Be/4mc, 測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,反常塞曼效應,M 1 0 -1 2 1 0 -1 -2,3S,3P,不考慮自旋,考慮自旋,在磁場中, ,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、譜線的偏振解釋,結(jié)論：原子在輻射過程中，原子和光子整個體系角動量不變,合成的電矢量的大小為常數(shù)，方向則作用周期性變化，矢量箭頭繞圓周運動，即圓偏振。,2020/10/7,48,(2)右旋偏振和左旋偏振,(a),沿z軸逆光觀察 電矢量作順時針轉(zhuǎn)動，稱為右旋偏振， 角動量方向與傳播方向相反 光的傳播方向Z向右,光的角動量方向L向左,沿z軸逆光觀察 電矢量作逆時針轉(zhuǎn)動，稱為左旋偏振， 角