《原子物理諸圣麟》PPT課件.ppt

1、第六章 在磁場中的原子,6.1 原子的磁矩,一、電子運(yùn)動(dòng)的磁矩,1.電子軌道運(yùn)動(dòng)磁矩,閉合電流回路的磁矩,電子軌道運(yùn)動(dòng)的電流:,“-”表示電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反,一個(gè)周期掃過的面積：,量子化。,磁矩大小:, 玻爾磁子,磁矩空間取向量子化,2.電子自旋運(yùn)動(dòng)磁矩,二、單電子原子的總磁矩,在 方向投影 是恒定的，垂直 的分量因旋轉(zhuǎn)，其平均效果為零。所以對外起作用的是 ，常把它稱為電子的總磁矩。,單電子原子總磁矩（有效磁矩）:,朗德因子,單電子,自旋s = 1/2,三、多電子原子的磁矩,原子總磁矩仍表示為:,（1）L-S 耦 合,（2）j-j耦合,解：,6.2 外磁場對原子的作用,一、拉莫爾旋進(jìn),

2、將繞磁場進(jìn)動(dòng), 只改變方向而不改變數(shù)值.,在外磁場B中,原子磁矩 受磁場力矩的作用,繞B連續(xù)進(jìn)動(dòng)的現(xiàn)象。,繞 的方向進(jìn)動(dòng)的角頻率,與 的方向一致,稱為拉莫爾進(jìn)動(dòng)角頻率.拉莫爾頻率:,二、原子受磁場作用的附加能量,1. 弱磁場,外磁場的作用比原子內(nèi)部軌道磁矩與自旋磁矩的耦合弱.,與外磁場耦合產(chǎn)生附加能量:,在外磁場中,原子的能級分裂成 個(gè),間隔為,例: 在磁場中能級的分裂情況,分裂為四個(gè)能級，裂距,2. 強(qiáng)磁場,在強(qiáng)外磁場作用下， 不能再耦合成 ，而是分別直接與 耦合產(chǎn)生附加能量.,取外磁場方向?yàn)閆軸方向，,能量與量子數(shù) 有關(guān)。 由于不再出現(xiàn) ，也就沒有 因子出現(xiàn)。,6.3 史特恩-革拉赫實(shí)驗(yàn),

3、1921年史特恩-蓋拉赫進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是對原子角動(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。,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,當(dāng)時(shí)，電子自旋角動(dòng)量的概念尚未提出。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)量對應(yīng)一個(gè)磁矩,1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想,具有磁矩的原子在磁場中受力矩的作用而產(chǎn)生拉莫兒旋進(jìn),在外磁場中的附加能量(勢能):,而力:,對均勻磁場: , 原子不改變運(yùn)動(dòng)路徑.,對非均勻磁場: , 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.,N,S,銀原子束通過非均勻磁場時(shí)將分裂成兩束,3

4、.實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對 H、Li、Na、K 、Cu、Au等原子也都觀察到了類似的取向行為。,基態(tài)銀原子,相片P上有兩條黑斑，兩者對稱分布。證明了原子磁矩 進(jìn)而角動(dòng)量的空間取向量子化行為。,按波爾理論，對一軌道角動(dòng)量 ，空間取向量子數(shù)有 ，即分裂應(yīng)為奇數(shù)個(gè)。,為什么？,為了解釋上述困難以及堿金屬原子的雙線結(jié)構(gòu)，1925年兩位不到25歲的荷蘭學(xué)生烏倫貝克和古茲米特提出電子自旋假設(shè)。,4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋,原子束偏離原方向的橫向位移為,應(yīng)為 在 方向的分量 :,有 個(gè)值，因而有 個(gè)條紋。,基態(tài)原子最外層為s 電子，原子態(tài)： 兩個(gè)條紋！,5.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

5、假設(shè)是正確的，而且自旋量子數(shù)s1/2； 3.電子自旋磁矩為,6.4 塞曼效應(yīng),一、實(shí)驗(yàn)事實(shí),1.塞曼效應(yīng)現(xiàn)象,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，且分裂后的譜線成分是偏振的，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。,正常塞曼效應(yīng)：一條譜線在外磁場作用下，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)。,1902年，洛侖茲、塞曼獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),二、理論解釋,1.基本理論,設(shè)無磁場時(shí)，有兩個(gè)能級 ，它們之間的躍遷將產(chǎn)生一條譜線：,若加外磁場，則兩個(gè)能級各附加能量 ,使能級發(fā)生分裂，所以光譜為：,將頻率差轉(zhuǎn)為波數(shù)差:,磁能級之間的躍遷選擇定則 產(chǎn)生 線

6、(但 時(shí) 除外),產(chǎn)生 線,2. 鎘6438.47埃的塞曼效應(yīng),借助格羅春圖計(jì)算波數(shù)的改變：,M 2 1 0 -1 -2,M2g2 2 1 0 -1 -2,M1g1 1 0 -1,（M2g2 - M1g1）=,0 0 0,-1 -1 -1,1 1 1, ,有磁場,Cd6438的正常塞曼效應(yīng)躍遷圖,3. Na原子5890埃和5896埃雙線的塞曼效應(yīng),這兩條線對應(yīng)的躍遷是：,在外磁場中2P3/2分裂為四個(gè)塞曼能級， 間距為4 BB /3；,2P1/2分裂為二，間距為 2BBo/3 ； 2S1/2分裂為二，間距為 2BBo,M 1/2 -1/2,M2g2 1/3 -1/3,M1g1 1 -1,（M2

7、g2 - M1g1）=,-2/3 2/3,-4/3,4/3,借助格羅春圖計(jì)算波數(shù)的改變：,2P3/2,2S1/2,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2,M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3,M1g1 1 -1,-1/3 1/3,-5/3 -3/3,3/3 5/3,3S,3P,不考慮自旋,考慮自旋,在磁場中, ,5896,5890,5896,5890,5893,4. 塞曼效應(yīng)譜線的偏振性質(zhì),發(fā)光前原子系統(tǒng)的角動(dòng)量等于發(fā)光后原子系統(tǒng)的角動(dòng)量與所發(fā)光子的角動(dòng)量的矢量和(光子的角動(dòng)量為 ).,M=M2(初)-M1(末)=+1: （+型偏振） 原子在磁場方向的角動(dòng)量減少 1 ，所發(fā)光子必定具有

8、在磁場方向+1 的角動(dòng)量。,迎著磁場方向觀察： 該光的矢量逆時(shí)旋轉(zhuǎn)，所以它是左旋圓偏振光+。（沿B方向觀察，它是右旋圓偏振光-）,垂直于磁場方向觀察： 線偏振光。,M=M2(初)-M1(末)= -1: （- 型偏振） 原子在磁場方向的角動(dòng)量增加 1 ，所發(fā)光子必定具有在磁場方向 - 的角動(dòng)量。,迎著磁場方向觀察： 該光的矢量順時(shí)旋轉(zhuǎn)，所以它是右旋圓偏振光- 。（沿B方向觀察，它是左旋圓偏振光+ ）,垂直于磁場方向觀察： 線偏振光。,M=0： （型偏振） 光子攜帶角動(dòng)量垂直于磁場。,迎著磁場方向觀察： 觀察不到M=0躍遷的光,垂直磁場方向觀察：電矢量平行磁場的線偏振光。,按觀察方向： 在垂直磁場方向： 迎磁場方向：,6.5 帕邢貝克效應(yīng),1912年。原子譜線在強(qiáng)磁場中分裂的現(xiàn)象。強(qiáng)磁場雖然破壞了LS耦合，但各電子間的軌道角動(dòng)量、自旋角動(dòng)量的耦合仍然存在，L,S量子數(shù)仍然有意義，而總角動(dòng)量J不再有意義。,軌道磁矩、自旋磁矩與強(qiáng)磁場作用，產(chǎn)生的能級分裂為：,選擇定則：,當(dāng),當(dāng),譜線分裂為三條。 正常塞曼分裂譜線也為三條，但兩者產(chǎn)生的機(jī)理不同。,強(qiáng)、弱外磁場說明：,例題：已知鋰原子主線系第一條譜線由兩條精細(xì)譜線 A組成，試問當(dāng)外