高二物理競賽史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)結(jié)果的再分析課件

1921年史特恩—蓋拉赫進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是對(duì)原子角動(dòng)量空間取向量子化的首次直接觀察，是原子物理學(xué)最重要的實(shí)驗(yàn)之一。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鹤C明原子軌道角動(dòng)量在外磁場中具有空間取向量子化特征。

每個(gè)角動(dòng)量對(duì)應(yīng)一個(gè)磁矩即：角動(dòng)量量子化磁矩量子化1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)結(jié)果的再分析NS銀原子束通過非均勻磁場時(shí)將分裂成兩束史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)2.實(shí)驗(yàn)原理具有磁矩的原子在磁場中受力矩的作用而產(chǎn)生拉莫爾旋進(jìn),在外磁場中的附加能量(勢能):力:對(duì)均勻磁場:,原子不改變運(yùn)動(dòng)路徑.對(duì)非均勻磁場:,原子除受力矩作用外,還受到力的作用,

而改變運(yùn)動(dòng)路徑.原子束偏離原方向的橫向位移為(見課本P58）(1)

由于mj

有2j+1個(gè)數(shù)值，故相應(yīng)的就有2j+1個(gè)分立的z值。即在感光片上有2j+1個(gè)黑條，這代表了角動(dòng)量的2j+1個(gè)空間取向。(2)基態(tài)的原子l＝0，j＝1/2，mj=±1/2

，所以要分裂為兩束。(3)由感光條紋數(shù)可求出j值，從而確定mj

，而從條紋的間距又可確定mjg，進(jìn)而求出g值，這是實(shí)驗(yàn)求g值的一個(gè)重要方法。L是原子通過不均勻磁場的縱向距離；v是原子的縱向速度。L

史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原子基態(tài)g

Mg

相片圖樣Sn,Cd,Hg,PbSn,PbH,Li,Na,KCu,Ag,AuTlO——22/33/23/2—0

003.史特恩－蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的意義史特恩－蓋拉赫實(shí)驗(yàn)證明了:1.角動(dòng)量空間量子化行為；2.電子自旋假設(shè)的正確性，自旋量子數(shù)s＝1/2；3.電子自旋磁矩?cái)?shù)值的正確性，gs＝2，例：史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)，從高溫容器中射出的是處于基態(tài)的氫原子,求經(jīng)過橫向非均勻磁場后原子束裂距。n=1,l=0,s=1/2,j=l+s=1/2,mj=±1/2,g=2,mjg=±1(實(shí)驗(yàn)條件,非均勻磁場區(qū)長度L=1m,溫度T=400K；常數(shù)kb=8.617×10-5eV/K,=0.5788×10-4

eV/T)這一結(jié)果表明，基態(tài)氫原子束在不均勻的磁場的作用下分裂為兩層，各距中線0.28cm.得，z=±0.28cm利用正常塞曼效應(yīng)：單線系的每一條譜線,在外磁場作用下，分裂為等間隔的三條譜線。鎘(Cd)643.847nm紅色譜線的塞曼效應(yīng)無磁場垂直于B觀察沿B觀察+482818182電子組態(tài)：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2基態(tài)：51S0鎘(Cd)Z=48反常塞曼效應(yīng)：雙重或多重結(jié)構(gòu)的原子光譜,在較弱的磁場中,譜線分裂成很多成分。鈉的黃色雙線D1和D2(5895.93nm與588.996nm)的塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)-磁場中的能級(jí)分裂前面討論了自旋磁矩在原子內(nèi)磁場中的附加能量引起能級(jí)第二次分裂，導(dǎo)致光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的情況，在原子內(nèi)，與的合成使得原子有一個(gè)總角動(dòng)量；與此對(duì)應(yīng)，原子有一個(gè)總的磁距的有效分量;原子放入外磁場時(shí)，與的作用使原子又獲得附加能量，從而導(dǎo)致能級(jí)的第三次分裂；分裂層數(shù)由附加能量的個(gè)數(shù)決定；這是產(chǎn)生塞曼效應(yīng)的本質(zhì)原因。二、理論解釋1.基本理論若加外磁場，則兩個(gè)能級(jí)各附加能量新的光譜線頻率同能級(jí)有如下關(guān)系：輻射光子能量/光譜線頻率

磁能級(jí)之間的躍遷選擇定則:將頻率差轉(zhuǎn)為波數(shù)差:產(chǎn)生線(但