原子物理第七章-高等教育出版社

8/13/20241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PsμsμjμlμPjPl8/13/202423、原子核可以忽略4、原子的總磁矩原子的總磁矩（原子的有效磁矩）是軌道磁矩和自旋磁矩的合成磁矩在方向的分量PsμsμjμlμPjPl8/13/20243PsμsμjμlμPjPl8/13/20244PsμsμjμlμPjPl8/13/202458/13/20246二、具有兩個(gè)或兩個(gè)以上電子的原子的總磁矩(結(jié)論)對L-S耦合(j-j耦合略)8/13/20247討論1、對S=0(單重態(tài))2、L=0(S態(tài))

g=2J=S3、L=0S=0

4、一般原子8/13/20248例

1、B原子態(tài)對應(yīng)的朗德因子g=2/32、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:4、由朗德因子公式,當(dāng)S=L,J0時(shí),可得g值:1,20g=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:8/13/20249第二節(jié)外磁場對原子的作用一、拉莫爾旋進(jìn)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(jìn)。也就是總角動量繞磁場方向旋進(jìn)。磁場對磁矩的力矩是：只改變方向，不改變大小，旋進(jìn)8/13/202410矢量; 拉莫爾旋進(jìn)角頻率:是旋進(jìn)的角速度二、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(gè)值注意：J不一定是整數(shù)共有2J+1個(gè)可能性結(jié)論:1無磁場時(shí)的一個(gè)能級，在有磁場時(shí)分裂為2J+1層，與B成正比，與g有關(guān)2相鄰能級間隔為8/13/202412例:能級無磁場有磁場M3/21/2-1/2-3/2Mg6/32/3-2/3-6/3P178頁,表6.1相鄰能級間隔8/13/202413注意：原子磁矩的存在，它在磁場中的各個(gè)取向，以及因而發(fā)生的附加能量和能級的分裂等情況，都有實(shí)驗(yàn)的證明。一個(gè)是史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)一個(gè)是塞曼效應(yīng)8/13/202414求原子有效磁矩：1、基態(tài)氫原子2、3、4、8/13/202415第三節(jié)：史特恩－蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析外場方向投影：共2l+1個(gè)奇數(shù)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果是偶數(shù)。以前分析結(jié)果：現(xiàn)在分析結(jié)果：共2j+1個(gè)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合P180表6.2偏轉(zhuǎn)距離銀原子：基態(tài)的價(jià)電子5s1

，原子態(tài):8/13/202416無磁場有磁場史特恩－蓋拉赫實(shí)驗(yàn)證明了1、空間量子化的事實(shí)2、電子自旋假設(shè)的正確性，s=1/23、電子自旋磁矩?cái)?shù)值的正確性第四節(jié)順磁共振把μJ不為零的原子稱為順磁性原子。一、順磁共振的實(shí)驗(yàn)原理把順磁性原子的樣品放到穩(wěn)定磁場中，另加一個(gè)與穩(wěn)定磁場垂直的交變磁場（高頻電磁波），當(dāng)頻率滿足：時(shí)，樣品從電磁波吸收能量，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。共振條件：實(shí)驗(yàn)裝置：N,S強(qiáng)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(yīng)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

8/13/202423第五節(jié)：塞曼效應(yīng)一、塞曼效應(yīng)

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(yīng)。

塞曼效應(yīng)證實(shí)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NobelPrize。8/13/202425"inrecognitionoftheextraordinaryservicetheyrenderedbytheirresearchesintotheinfluenceofmagnetismuponradiationphenomena"8/13/202426(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(yīng)的觀察觀察第一條，在原位電矢量8/13/202427二條圓偏振線，轉(zhuǎn)向相反不出現(xiàn)線而只是出現(xiàn)線的偏振轉(zhuǎn)向與成左螺旋線的偏振轉(zhuǎn)向與成右螺旋指向觀察者觀察無磁場指向觀察者觀察右螺旋左螺旋觀察8/13/2024282、反常塞曼效應(yīng)的觀察鈉黃光(雙線，主線系第一條，589.6nm,589.0nm)的分裂589.0nm，六條(2條π

線，4條σ線)波數(shù)裂距相等589.6nm，四條(2條π

線，2條σ線)波數(shù)裂距不等觀察:無磁場589.6nm589.0nm觀察:589.0nm,四條(2條π

線不出現(xiàn))589.6nm,二條(2條π

線不出現(xiàn))8/13/202429二、Zeeman效應(yīng)的理論解釋1、能級的移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)8/13/202430頻率差：波數(shù)差:8/13/2024312、Zeeman效應(yīng)的選擇定則(附加的選擇定則)例:0-110-118/13/2024323、正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)正常塞曼效應(yīng)：當(dāng)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(yīng)：當(dāng)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。譜線一分為三,但,仍為反常當(dāng)S＝0(單一態(tài))，g=18/13/202433例1：鎘的643.8nm的正常塞曼效應(yīng)躍遷解：8/13/202434分裂為五層分裂為三層例1：鎘的643.8nm的正常塞曼效應(yīng)躍遷格羅春圖M2

10-1-2M2g2210-1-2M1g110-1(M2g2-M1g1)=000-1-1-11118/13/202435L有磁場1D21P1643.8

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(shí)驗(yàn)一致。無磁場Mg210-1-210-1M210-1-210-1能級躍遷圖8/13/202436例2：鈉的589.0nm譜線的塞曼分裂M3/21/2-1/2-3/2

M2g26/32/3-2/3-6/3M1g11-1(M2g2-M1g1)=-5/3-3/3-1/31/33/35/38/13/2024372P3/22S1/2Mg6/32/3-2/3-6/31-1M3/21/2-1/2-3/21/2-1/2能級躍遷圖8/13/202438M

1/2-1/2M2g21/3-1/3M1g11-1(M2g2-M1g1)=-4/3-2/32/34/3鈉的589.6nm的塞曼分裂8/13/2024392P1/22S1/2

間距不等Mg1/3-1/31-1M1/2-1/21/2-1/2能級躍遷圖8/13/2024404、塞曼效應(yīng)的物理意義塞曼效應(yīng)反映了原子所處的狀態(tài)。從塞曼效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以推斷有關(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(jì)算e/m,L=Be/4πmc,測L,求e/m8/13/202441例3：汞原子546.1nm的分裂情況。解：M2

10-1-2M2g220-2M1g133/20-3/2-3-1-3/2-21/20-1/223/218/13/202442Mg20-233/20-3/2-3反常塞曼效應(yīng)M10-1210-1-23S3P不考慮自旋考慮自旋2S1/22P1/22P3/2在磁場中

58965890589658905893Mg6/32/3-2/3-6/31/3-1/31-1M3/21/2-1/2-3/21/2-1/21/2-1/28/13/202444*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(gè)體系角動量不變當(dāng)A=B時(shí)，

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(yùn)動，即圓偏振。xy8/13/202446(2)右旋偏振和左旋偏振(a)沿z軸逆光觀察電矢量作順時(shí)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