均勻磁場中線圈磁矩勢(shì)能為塞曼效應(yīng)課件

原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)形成的

磁矩和磁場的相互作用原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)形成的

磁矩和磁場的1*均勻磁場中,載流線圈所受的合外力*均勻磁場中,載流線圈所受的合外力2*非均勻磁場中,載流線圈所受的合外力*非均勻磁場中,載流線圈所受的合外力3把每個(gè)中性原子當(dāng)做小線圈看待把每個(gè)中性原子當(dāng)做小線圈看待4電子的磁矩電子的角動(dòng)量電子的磁矩電子的角動(dòng)量5單電子的總磁矩單電子的總角動(dòng)量

朗德因子

單電子的總磁矩單電子的總角動(dòng)量朗德因子6多電子的總磁矩

朗德因子

多電子的總磁矩朗德因子7解：(1)

：

，

，，例

求下列原子態(tài)的gj因子：(1)

(2)

(3)s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...解：(1)：，，，例求8(2)

：，

，

，s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...(2)：，，，s,p,d,f,g.9(3)

：，

，

，s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...(3)：，，，s,p,d,f,g10驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路11以上理論預(yù)言在實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證！以上理論預(yù)言在實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證！12史特恩-革拉赫實(shí)驗(yàn)1921年史特恩---蓋拉赫進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是，是原子物理學(xué)最重要的實(shí)驗(yàn)之一。

1943年，史特恩獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，貢獻(xiàn)：開發(fā)了分子束方法以及質(zhì)子磁矩的測量

史特恩-革拉赫實(shí)驗(yàn)1921年史特恩---蓋拉赫進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是，13無磁場有非勻強(qiáng)磁場NS基態(tài)氫原子束通過非均勻磁場時(shí)將分裂開基態(tài)氫原子的原子態(tài)有勻強(qiáng)磁場無磁場有非勻強(qiáng)磁場NS基態(tài)氫原子束通過非均勻磁場時(shí)將分裂開有14對(duì)均勻磁場:,原子不改變運(yùn)動(dòng)路徑.對(duì)z方向的非均勻磁場:,原子受到z方向力的作用,而改變運(yùn)動(dòng)路徑，所以就會(huì)發(fā)生偏離現(xiàn)象！用量子化磁矩理論來解釋氫原子偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象對(duì)均勻磁場:,原子不改變運(yùn)動(dòng)路徑.對(duì)z方向的非15s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...s,p,d,f,g...16*非均勻磁場中，氫原子運(yùn)動(dòng)軌跡*非均勻磁場中，氫原子運(yùn)動(dòng)軌跡17基態(tài)的氫原子水平速率進(jìn)入磁場，在z方向受到Fz作用做平拋運(yùn)動(dòng)：基態(tài)的氫原子水平速率進(jìn)入磁場，在z方向受到Fz作用做平拋運(yùn)動(dòng)18均勻磁場中線圈磁矩勢(shì)能為塞曼效應(yīng)課件19實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果表明偏離量z2確實(shí)是兩條，底片上呈現(xiàn)分離的痕跡，而且兩條痕跡之間的距離測量1.12cm，與理論預(yù)言完全吻合?。?！有力證明了原子內(nèi)部的磁矩沿著外磁場方向是量子化的，即對(duì)應(yīng)著產(chǎn)生磁矩的角動(dòng)量也是量子化的理論是成立的！實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果表明偏離量z2確實(shí)是兩條，底片上呈現(xiàn)分離的痕跡20均勻磁場中線圈磁矩勢(shì)能為塞曼效應(yīng)課件21習(xí)題：習(xí)題：22s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...s,p,d,f,g...23*非均勻磁場中，釩原子運(yùn)動(dòng)軌跡*非均勻磁場中，釩原子運(yùn)動(dòng)軌跡24所以，該原子氣體進(jìn)如此非勻強(qiáng)磁場后，肯定會(huì)分裂成四條線！底片上的相距離中心的距離分別為：-0.521cm,-0.174cm,+0.174cm,+0.521cm10cm30cm所以，該原子氣體進(jìn)如此非勻強(qiáng)磁場后，肯定會(huì)分裂成四條線！底片2510cm25cm10cm25cm26s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...銀原子氣體基態(tài)s,p,d,f,g...銀原子氣體基態(tài)27均勻磁場中線圈磁矩勢(shì)能為塞曼效應(yīng)課件28即即29s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...s,p,d,f,g...30已知：cm已知：cm31*均勻磁場中,線圈磁矩勢(shì)能為*均勻磁場中,線圈磁矩勢(shì)能為32塞曼效應(yīng)1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)：若把光源放入磁場中，則一條譜線就會(huì)分裂成幾條，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者塞曼效應(yīng)1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)：若把光源放入磁場中33常見觀測Zeemaneffect的實(shí)驗(yàn)方法-I（光柵）XfθNS常見觀測Zeemaneffect的實(shí)驗(yàn)方法-I（光柵）Xf34正常塞曼效應(yīng)：一條譜線在勻強(qiáng)外磁場作用下，分裂為等間隔的三條譜線。反常塞曼效應(yīng)：除正常塞曼效應(yīng)外的塞曼效應(yīng)。正常塞曼效應(yīng)：一條譜線在勻強(qiáng)外磁場作用下，分裂為等間隔的三條35常見觀測Zeemaneffect的實(shí)驗(yàn)方法-II法布里-珀羅干涉儀放在磁場中心的光源法布里-珀羅干涉儀讀數(shù)顯微鏡常見觀測Zeemaneffect的實(shí)驗(yàn)方法-II法布里-珀3637單色擴(kuò)展光源焦平面

屏幕iSL1L2F-PfPΠii單色光源s放在透鏡L1的焦平面上，使許多方向不同的平行光束入射到F－P干涉儀上，在G,G′間作來回多次反射。最后透射出來的平行光束在第二透鏡L2的焦平面上形成同心圓形的等傾干涉條紋。NS37單色擴(kuò)展光源焦平面屏幕iSL1L2F-PfPΠii單色37光譜線的分裂不等同與能級(jí)的分裂！光譜線的分裂不等同與能級(jí)的分裂！38一個(gè)具有磁矩的原子處在勻強(qiáng)外磁場B中時(shí)，雖然受到的合外力為零，但是該磁矩將繞外磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加，具有一個(gè)附加的因?yàn)橥饨绱艌鯞產(chǎn)生的能量：一個(gè)具有磁矩的原子處在勻強(qiáng)外磁場B中時(shí)，雖然受39例2計(jì)算求下列能級(jí)的分裂情況：(1)

(2)

(3)當(dāng)原子處于外磁場中時(shí)，由于原子磁矩和外加磁場的相互作用，原子的能級(jí)分裂為層，因此譜線也將變化，這就是塞曼效應(yīng)。例2計(jì)算求下列能級(jí)的分裂情況：(1)40解：(1)

：分裂成2j+1，3個(gè)小能級(jí)s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...解：(1)：分裂成2j+1，3個(gè)小能級(jí)s,p,41(2)：一個(gè)能級(jí)分裂成2j+1,4個(gè)小能級(jí)s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...(2)：一個(gè)能級(jí)分裂成2j+1,4個(gè)小能級(jí)s42(3)

：一個(gè)能級(jí)分裂成2j+1,初始理論上分析將分裂為2個(gè)小能級(jí)！s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...(3)：一個(gè)能級(jí)分裂成2j+1,初始理論上43當(dāng)原子處于外磁場中時(shí)，由于原子磁矩和外加磁場的相互作用，原子的不同能級(jí)都分別分裂為層，因此對(duì)應(yīng)兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷將增加，從而發(fā)出的光的不同頻率也會(huì)增加，從而對(duì)應(yīng)的原有不加磁場時(shí)候的光譜線就會(huì)分裂，這就是塞曼效應(yīng)。（注：能級(jí)分裂不等同于譜線分裂?。。。。┊?dāng)原子處于外磁場中時(shí)，由于原子磁矩和外加磁場的相互作用，原子44例鎘原子的一條譜線(，中發(fā)分裂，問(1)原譜線分為幾條？(2)相鄰譜線的間隔為)在外場多少？(3)畫出相應(yīng)的能級(jí)圖。解：，，，

，s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...例鎘原子的一條譜線(，中發(fā)分裂，問(1)原譜線分為幾45，，，，s,p,d,f,g...S,P,D,F,G...0,1,2,3,4...，，，，s,p,d,f,g...46躍遷選擇定則：-2-1012：-101

格羅春圖0,+1,-1，躍遷選擇定則：-2-104710/7/2023張延惠原子物理48躍遷選擇定則：10/7/2023張延惠原子物理48躍遷選擇定則：48+2+10-1-2+10-10,+1,-1，E2-0E2-E2+E2+E2-E1+E1-0E1-E2E19種躍遷，但只有三個(gè)波長，所以對(duì)應(yīng)的一根光譜線分裂成三根+2+10-1-2+10-10,+49均勻磁場中線圈磁矩勢(shì)能為塞曼效應(yīng)課件50例討論Na光譜雙線：，在外場中的分裂情況。解：，，，，，，，

，，，，

，例討論Na光譜雙線：5110/7/2023張延惠原子物理52這兩條譜線是從2P3/2，1/2→2S1/2躍遷的結(jié)果，其M，g值如表10/7/2023張延惠原子物理52這兩條譜線是從25210/7/2023張延惠原子物理53鈉原子589.6nm和589.0nm譜線在外磁場中塞曼效應(yīng)10/7/2023張延惠原子物理53鈉原子589.65310/7/2023張延惠原子物理54躍遷選擇定則：10/7/2023張延惠原子物理54躍遷選擇定則：54復(fù)習(xí)一下電磁學(xué)中偏振及角動(dòng)量方向的定義。對(duì)于沿Z方向傳播的電磁波，它的電矢量必定在xy平面(橫波特性)，并可分解為Ex和Ey

:當(dāng)α=0時(shí)，電矢量就在某一方向做周期變化，此即線偏振；當(dāng)α=π/2，A=B時(shí)，合成的電矢量的大小為常數(shù)，方向做周期性變化，矢量箭頭繞圓周運(yùn)動(dòng)，此即圓偏振。下面定義右旋偏振和左旋偏振：若沿著z軸對(duì)準(zhǔn)光傳播方向觀察見到的電矢量作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，稱右旋(圓)偏振；假如見到的電矢量作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱為左旋(圓)偏振。圓偏振光具有角動(dòng)量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，是由貝思(R·A·Beth)在1936年觀察到的，光的角動(dòng)量方向和電矢量旋轉(zhuǎn)方向組成右手螺旋定則。因而對(duì)右旋偏振，角動(dòng)量方向與傳播方向相反，對(duì)左旋偏振，兩者相同。復(fù)習(xí)一下電磁學(xué)中偏振及角動(dòng)量方向的定義。當(dāng)α=0時(shí)，電矢量就55線偏振光當(dāng)α=0時(shí)，電場矢量就在某一方向做周期變化，此即線偏振；光傳播方向xZ方向的線偏振光Z塞曼效應(yīng)中，如果線偏振光方向垂直于磁場B,取名σ偏振光；

如果線偏振光方向平行于B,取名π偏振光；線偏振光當(dāng)α=0時(shí)，電場矢量就在某一方向做周期變化，此即線偏5610/7/202357偏振及角動(dòng)量的定義

EzEZ10/7/202357偏振及角動(dòng)量的定義EzEZ57均勻磁場中線圈磁矩勢(shì)能為塞曼效應(yīng)課件5810/7/2023張延惠原子物理59對(duì)于ΔM=M2-M1=1，原子在磁場方向(z)的角動(dòng)量減少1個(gè)；把原子和發(fā)出的光子作為一個(gè)整體，角動(dòng)量必須守恒，因此，所發(fā)光子必定在磁場方向具有角動(dòng)量。因此，當(dāng)面對(duì)磁場方向觀察時(shí)，由于磁場方向即光傳播方向，所以J與光傳播方向一致，我們將觀察到σ+偏振。同理，對(duì)于ΔM=M2-M1=-1,原子在磁場方向的角動(dòng)量增加1個(gè)，所發(fā)光子必定在與磁場相反的方向上具有角動(dòng)量，因此，面對(duì)磁場方向時(shí)，將觀察到σ-偏振。在右圖中給出了面對(duì)磁場方向觀察到的σ±偏振的情況。面對(duì)磁場觀察到的σ±譜線10/7/2023張延惠原子物理59對(duì)于ΔM=M2-5910/7/2023張延惠原子物理60對(duì)于這兩條譜線，電矢量在xy平面，因此，在與磁場B垂直的方向(例如x方向)觀察時(shí)，只能見到Ey分量(橫波特性)，我們觀察到二條與B垂直的線偏振光σ±。對(duì)于ΔM=M2-M1=0的情況，原子在磁場方向(z方向)的角動(dòng)量不變，光子必定具有在與磁場垂直方向(設(shè)為x方向)的角動(dòng)量，光的傳播方向與磁場方向垂直，與光相應(yīng)的電矢量必定在yz平面內(nèi)，它可以有Ey和Ez分量。但是，凡角動(dòng)量方向在xy平面上的所有光子都滿足ΔM=0的條件，因此，平均的效果將使Ey分量為零。在沿磁場方向(z)上既觀察不到Ey分量，也不會(huì)有Ez分量(橫波特性)，因此就觀測不到ΔM=0相應(yīng)的π偏振譜線。

10/7/2023張延惠原子物理60對(duì)于這兩條譜線，60史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)：在外加非均勻磁場情況下原子束的分裂；塞曼效應(yīng)：在外加均勻磁場情況下的能級(jí)分裂導(dǎo)致的光譜線分裂；小結(jié)：史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)：在外加非均勻磁場情況下原子束的分裂；小結(jié)61史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)：在外加非均勻磁場情況下原子束的分裂；塞曼效應(yīng)：在外加均勻磁場情況下的能級(jí)分裂導(dǎo)致的光譜線分裂；小結(jié)：史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)：在外加非均勻磁場情況下原子束的分裂；小結(jié)62電子順磁共振僅簡介電子順磁共振僅簡介63電子順磁共振的發(fā)現(xiàn)

電子順磁共振(簡稱EPR)，是1944年由扎伏伊斯基首先觀察到。它是探測物質(zhì)中電子以及它們與周圍原子相互作用的非常重要的方法，具有很高的靈敏度和分辨率，并且具有在測量過程中不破壞樣品結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。目前它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等各方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。

電子順磁共振的發(fā)現(xiàn)64實(shí)驗(yàn)原理原子磁矩原子中個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩

原子對(duì)z方向磁場起作用的有效磁矩實(shí)驗(yàn)原理原子磁矩原子中個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩原子對(duì)z方65Zeeman能級(jí)劈裂相鄰磁能級(jí)之間的能量差

如果在垂直于B的方向上施加頻率為hυ的電磁波，當(dāng)滿足下面條件

hυ=gjμBB處于兩能級(jí)間的電子發(fā)生受激躍遷，導(dǎo)致部分處于低能級(jí)中的電子吸收電磁波的能量躍遷到高能級(jí)中

--------順磁共振現(xiàn)象Zeeman能級(jí)劈裂相鄰磁能級(jí)之間的能量差如果在垂直于66核磁共振成像技術(shù)簡介核磁共振NMR方法原子核的自旋

atomicnuclearspin可以產(chǎn)生能級(jí)分裂的核討論:核磁共振現(xiàn)象

nuclearmagneticresonance核磁共振成像技術(shù)簡介核磁共振NMR方法67核磁共振NMR方法（1）在很強(qiáng)的外磁場中，某些磁性原子核可以分裂成兩個(gè)或更多的量子化能級(jí),相鄰的能級(jí)差。（2）用一個(gè)光子能量hv恰好等于分裂后相鄰能級(jí)差照射，該核就可能比較高的幾率的吸收此頻率的光子，發(fā)生能級(jí)躍遷，從而產(chǎn)生NMR吸收。核磁共振NMR方法（1）在很強(qiáng)的外磁場中，某些磁性原子核可以68P

P:原子核的角動(dòng)量:磁矩

o:拉默爾頻率:磁旋比

o

原子核I>

1/2NMR的形成PP:原子核的角動(dòng)量o原子核I>1/2NMR的69原子核的自旋

atomicnuclearspin

（1）一些原子核像電子一樣存在自旋現(xiàn)象，因而有自旋角動(dòng)量：P=[I(I+1)]1/2I為自旋量子數(shù)（2）由于原子核是具有一定質(zhì)量的帶正電的粒子，故在自旋時(shí)會(huì)產(chǎn)生核磁矩,一個(gè)特征（固定）值。原子核的自旋

atomicnuclear70

若原子核存在自旋，產(chǎn)生核磁矩，核的行為跟電子一樣，在外加磁場下，核磁體可以有（2I+1）種取向。

只有自旋量子數(shù)（I）不為零的核都具有磁矩可以產(chǎn)生能級(jí)分裂的核若原子核存在自旋，產(chǎn)生核磁矩，核的行為跟電子一樣，在外71討論:（重要）Ｉ＝1/2的原子核1H

原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對(duì)象，H也是有機(jī)化合物（人體器官）的主要組成元素。人體有機(jī)組織C,O的原子核總磁矩為0，所以核磁共振主要檢測H的相對(duì)分布和密度！討論:（重要）Ｉ＝1/2的原子核1H72二、核磁共振現(xiàn)象

nuclearmagneticresonance氫核（I=1/2），兩種取向（兩個(gè)能級(jí)）：與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2;(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2;二、核磁共振現(xiàn)象

nuclearmagneticre73自旋氫原子核在磁場中的行為Pm=-1/2

m=+1/2B01H發(fā)生核磁共振時(shí)：自旋氫原子核在磁場中的行為Pm=-1/2m=+1/2B74醫(yī)學(xué)磁共振成像（MRI）設(shè)備與應(yīng)用均勻磁場中線圈磁矩勢(shì)能為塞曼效應(yīng)課件75

對(duì)病人進(jìn)行磁共振成像檢查時(shí)：要避免帶有含鐵等順磁性物質(zhì)的物品，如手表、金屬項(xiàng)鏈、假牙、金屬鈕扣等進(jìn)入檢查室，因?yàn)檫@些帶有順磁性物質(zhì)的物品，可使圖像中產(chǎn)生大片的無信號(hào)偽影，不利于病灶的顯示。帶有心臟起搏器的病人，嚴(yán)禁做磁共振成像檢查。對(duì)體內(nèi)有金屬彈片存留、術(shù)后有銀夾殘留，金屬性內(nèi)固定板、假關(guān)節(jié)等的病人，磁共振成像檢查要持慎重態(tài)度，必需檢查時(shí)要嚴(yán)密觀察，病人如有局部不適，應(yīng)立即中止檢查，防止彈片、銀夾等在高磁場中移動(dòng)，以致?lián)p傷鄰近大血管和重要組織。對(duì)病人進(jìn)行磁共振成像檢查時(shí)：76成像的基本原理和病理學(xué)原理簡介H是有機(jī)化合物（人體器官）的主要組成元素。人體有機(jī)組織C,O的原子核總磁矩為0，所以核磁共振主要檢測H的相對(duì)分布和密度！當(dāng)人體進(jìn)入一個(gè)強(qiáng)磁場，用對(duì)應(yīng)的氫原子核吸收的低頻電磁波射向人體待測器官，透過人體器官的電磁波被接受后成像！病變部位的氫原子密度格外高于普通正常器官內(nèi)部的氫原子密度，所以就能通過圖像判斷器官病變的依據(jù)！由于使用的電磁波頻率低，hv能量低，所以對(duì)人體的不良影響比較??！成像的基本原理和病理學(xué)原理簡介H是有機(jī)化合物（人體器官）的主77對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的先天性病變MRI是最好的影像學(xué)檢查方法。

對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的先天性病變MRI是最好的影像學(xué)檢查方法。78

腦膜瘤破壞顱骨左側(cè)聽神經(jīng)瘤腦膜瘤破壞顱骨左側(cè)聽神經(jīng)瘤79簡要介紹無外磁場的情況下，氫原子和堿金屬的價(jià)電子自旋和軌道角動(dòng)量形成的磁場之間作用導(dǎo)致的能級(jí)分裂定量計(jì)算簡要介紹無外磁場的情況下，80 對(duì)于氫原子而言不同的總角動(dòng)量J對(duì)應(yīng)的能級(jí)大小又有不同，這是原子內(nèi)部磁場有關(guān)，狄拉克精確計(jì)算得到： 對(duì)于氫原子而言不同的總角動(dòng)量J對(duì)應(yīng)的能級(jí)大小又有不同，這是81

堿金屬內(nèi)層都是填滿的電子的公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)都互相抵消了，原子實(shí)包括內(nèi)層電子和原子核，整體帶+e電荷，核外價(jià)電子只有一個(gè)，所以跟氫原子有類似的光譜！

堿金屬的能級(jí)公式跟氫原子略有不同！

堿金屬內(nèi)層都是填滿的電子的公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)都互相抵消了，原子實(shí)82氫原子和堿金屬電子自旋導(dǎo)致的能級(jí)分裂定量計(jì)算一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)=軌道運(yùn)動(dòng)+自旋運(yùn)動(dòng)

（1）定性考慮軌道角動(dòng)量：自旋角動(dòng)量：總角動(dòng)量：由于當(dāng)時(shí)，，一個(gè)值。當(dāng)時(shí)，，兩個(gè)值。氫原子和堿金屬電子自旋導(dǎo)致的能級(jí)分裂定量計(jì)算一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)=83（2）自旋—軌道相互作用電子由于自旋運(yùn)動(dòng)而具有自旋磁矩：具有磁矩的物體在外磁場中具有磁能：電子由于軌道運(yùn)動(dòng)而具有磁場：

（2）自旋—軌道相互作用電子由于自旋運(yùn)動(dòng)而具有自旋磁矩：具有84考慮相對(duì)論效應(yīng)后，再