第3章原子物理外磁場(chǎng)對(duì)原子的影響課件

第三章外磁場(chǎng)對(duì)原子的影響第一節(jié)原子能級(jí)在磁場(chǎng)中的分裂第二節(jié)塞曼效應(yīng)第三節(jié)拉莫爾旋進(jìn)第四節(jié)順磁共振第五節(jié)光泵磁力儀的工作原理一.原子磁矩3.1

原子能級(jí)在磁場(chǎng)中的分裂L—S耦合

單電子原子:S=1

或

0雙電子原子:綜上分析，原子對(duì)外的有效磁矩只是，用來代表原子總磁矩。的計(jì)算：原子總磁矩合成的總磁矩與角動(dòng)量不在同一直線上。且繞著的延線進(jìn)動(dòng)。原子磁矩朗德因子其中例：原子態(tài)原子態(tài)

可以證明：（1）對(duì)所有的S態(tài)（單態(tài)除外）g=2

（2）對(duì)所有的單重態(tài)（單態(tài)除外）g=1二.原子能級(jí)在磁場(chǎng)中的分裂具有磁矩的原子在磁場(chǎng)中受到磁力矩作用，磁場(chǎng)對(duì)原子產(chǎn)生附加能量設(shè)z軸與方向一致，則式中：為在磁場(chǎng)方向的分量。

由空間量子化條件（磁量子數(shù)

M=J，J-1……-J）（2）分裂后相鄰次能級(jí)的間隔為

結(jié)論：能級(jí)（塞曼能級(jí)）。（1）無磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)能級(jí)，因磁場(chǎng)的作用而分裂成2J+1個(gè)次

（3）從不同能級(jí)分裂的次能級(jí)，間隔彼此

也不一定相同。例：鋰原子能級(jí)在磁場(chǎng)B中的分裂。

22P1/2-1/21/2-1/21/2-1/23/2-3/2M

能級(jí)間距23/2P1/2S1/22222一.塞曼效應(yīng)的觀察

原子光譜線在外磁場(chǎng)中發(fā)生分裂，且分裂后的每條譜線都是偏振的。

3.2

塞曼效應(yīng)1.正常塞曼效應(yīng)例：Cd原子的643.847nm譜線沿的方向觀察：

線不出現(xiàn)，

為圓偏振光。

垂直于

的方向觀察：譜線分裂為三條，彼此間隔相等,且都是線偏振；2.反常塞曼效應(yīng)譜線分裂數(shù)目更多，間隔也不盡相同。

589.6589.0nmnm例：鈉雙黃線二.塞曼效應(yīng)的理論解釋無外磁場(chǎng)加外磁場(chǎng)B或1.正常塞曼效應(yīng)的解釋當(dāng)原子中的電子數(shù)目為偶數(shù)，且總自旋為零形成單態(tài)（S=0）時(shí)

g2=g1=1

塞曼能級(jí)之間躍遷的選擇定則:

ΔM=0，產(chǎn)生π線（當(dāng)ΔJ=0時(shí)，

M2=0→M1=0的躍遷除外）

ΔM=±1，產(chǎn)生線?；蚶篊d643.8nm譜線（1D2→1P1)

的分裂2．反常塞曼效應(yīng)的解釋

在一般情況下，原子的總自旋不等于零，即，為多重態(tài)。因而可取多種值。

例：鈉雙黃線（1）計(jì)算原譜線躍遷的初態(tài)與末態(tài)g因子及可能的Mg值分裂及值計(jì)算可能的后譜線與原譜線的頻率差

589.0nm的譜線分裂為6條2P3/22S1/2MM2g2M1g13/2,1/2,-1/2,-3/26/3,2/3,-2/3,-6/31-1M2g2-M1g1-5/3，-3/3，-1/3，1/3，3/3，5/3Δv=

(-5/3，-3/3，-1/3，1/3，3/3，5/3)Be/4πm=

（2）計(jì)算可能的值及分裂后譜線與原譜線的頻率差

589.6nm譜線分裂為4條2P1/22S1/2MM2g2M1g11/2,-1/21/3,-1/31-1M2g2-M1g1-4/3，-2/3，2/3，4/3Δv=(-4/3，-2/3，2/3，4/3)Be/4πm=(3)畫出能級(jí)圖和能級(jí)躍遷圖3.塞曼譜線的偏振特性規(guī)律：

線偏振（線）

圓偏振（線）解釋：在輻射過程中，原子和發(fā)出的光子的總角動(dòng)量（及其在外磁場(chǎng)方向的分量）守恒。

PL左旋圓偏振光傳播方向光的角動(dòng)量方向PL右旋圓偏振光傳播方向

光的角動(dòng)量方向

例：在一次正常塞曼效應(yīng)中，Ca的422.6nm譜線在3T的磁場(chǎng)中分裂為間距為0.025nm的三條線，試從這些數(shù)據(jù)測(cè)定電子的荷質(zhì)比。解：由一.拉莫爾旋進(jìn)的產(chǎn)生使原子角動(dòng)量改變由于

始終垂直原子磁矩受磁場(chǎng)作用繞的方向作旋進(jìn)。

3.3

拉莫爾旋進(jìn)力矩故連續(xù)發(fā)生，且與方向始終垂直。所以

只改變方向，而不改變數(shù)值。即以一定角速度繞的方向作旋進(jìn)。稱旋進(jìn)角速度由二.旋進(jìn)角速度且所以令

---旋磁比旋進(jìn)頻率：旋進(jìn)角動(dòng)量的方向在任何情況下都是在磁場(chǎng)的方向。三、旋進(jìn)方向

例：計(jì)算在地球的磁場(chǎng)B=5T中和B=50T的強(qiáng)磁場(chǎng)中，原子電子殼層（無自旋）的拉莫爾旋進(jìn)頻率。解：由只考慮軌道運(yùn)動(dòng)

g＝1四.拉莫爾旋進(jìn)的應(yīng)用1.拉莫爾旋進(jìn)是物質(zhì)具有抗磁性的根源。

測(cè)定核子旋進(jìn)角速度，便可確定外磁場(chǎng)---核子旋進(jìn)磁力儀的原理。2.原子核也具有磁矩，在外磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生旋進(jìn)。3.原子在靜磁場(chǎng)中做拉莫爾旋進(jìn)，再外加適當(dāng)?shù)慕蛔兇艌?chǎng)，便產(chǎn)生順磁共振。

3.4順磁共振

在射頻頻率或微波頻率范圍內(nèi)，電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)，在一定條件下順磁物質(zhì)從電磁波強(qiáng)烈吸收能量的共振現(xiàn)象。一.順磁共振現(xiàn)象的觀察順磁共振的波譜反映了原子間作用的情況，可用來研究分子結(jié)構(gòu)和固體、液體的結(jié)構(gòu)。二、產(chǎn)生順磁共振的條件在垂直于靜磁場(chǎng)的方向上加一交變磁場(chǎng)，當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率等于原子在靜磁場(chǎng)中作拉莫爾旋進(jìn)的頻率時(shí)，產(chǎn)生順磁共振。順磁共振吸收曲線三.順磁共振的量子論解釋

在交變磁場(chǎng)作用下，原子在塞曼能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生的。即為順磁共振的頻率條件由例(微波）

應(yīng)用：順磁共振的波譜反映了原子間作用的情況可用來研究分子結(jié)構(gòu)和固體、液體的結(jié)構(gòu)。（1）精確測(cè)量電子的回旋比和g,原子的g值，用來分析原子能級(jí)。（2）分析原子在各種分子結(jié)構(gòu)或固體中所受的作用。（3）研究電子自旋與周圍原子核自旋的超精細(xì)結(jié)構(gòu)相互作用。核磁共振（NMR)

若塞曼能級(jí)分裂是由于核自旋磁矩與外磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的，與這種核塞曼能級(jí)間的躍遷相對(duì)應(yīng)的磁共振現(xiàn)象叫核磁共振。

利用原子核在磁場(chǎng)中能量變化來獲得關(guān)于核的信息的技術(shù)。對(duì)于電子對(duì)于核1.核磁共振的條件式中——核的朗德因子——核磁子核磁共振頻率與外加磁場(chǎng)的關(guān)系（氫核）B/T1.42.12.38.514(MHz)59.689.497.9362600

（3）核磁共振具有普遍性。大量的原子核具有核磁矩，即使核磁矩=0的原子，也可以用有核磁矩的同位素代替。2.核磁共振譜的特點(diǎn)（1）某一種原子核在一定磁場(chǎng)下有一個(gè)確定的基本共振頻率。核磁共振具有很高的選擇性。

（2）核磁共振譜可以具有極高的分辨率。（4）可進(jìn)行化學(xué)變化和生理過程等動(dòng)態(tài)觀測(cè)。3.應(yīng)用（1）研究有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)。

（2）核磁共振成像（NMRI）技術(shù)。（3）核磁測(cè)井。

（綜合：塞曼效應(yīng)磁共振和光泵技術(shù)）

一.光泵磁力儀的結(jié)構(gòu)3.5光泵磁力儀的工作原理1.氦的單色圓偏振光射入氦吸收室起什么作用？2.為什么用射頻振蕩器控制吸收室，使其達(dá)到磁共振？3.通過什么關(guān)系式求得被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度?二.光泵作用此時(shí)通過吸收室的

D1線最強(qiáng)。

B=0B0吸收室中的氦原子吸收左旋圓偏振的D1線而被激發(fā)。經(jīng)過一定的時(shí)間后，上所有氦原子全部都集中在的M=+1次能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)氦原子的光學(xué)取向。結(jié)束語當(dāng)你盡了自己的最大努力時(shí)，失敗也是偉