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6.1 原子的磁矩原子的磁矩一、单电子原子的总磁矩一、单电子原子的总磁矩Bllllpme) 1(2Bsssspme)1( 轨道磁矩：轨道磁矩：自旋磁矩：自旋磁矩：jjjsljjpmegpmepppp2 221 2222) 1(2) 1() 1() 1(1 212222jjsslljjppppgjslj其中其中称为朗德称为朗德g因子。因子。当当 s = 0, 时时, 当当 l = 0, 时时,1lgg0l0s2sgg) 1(2) 1() 1() 1(1JJSSLLJJg) 1(2) 1() 1() 1() 1(2) 1() 1() 1(JJjjJJJJgJJJJjjJJggiipppppiii 是最后一个电子的是最后一个电子的, 是是(n-1)个电子集体的个电子集体的 。 iijg ,ppJg ,二、多电子原子的磁矩二、多电子原子的磁矩JJPmeg2（1）LS耦合耦合（2）Jj耦合耦合例如：例如：21, 0, 1sjln氢原子处于基态时，氢原子处于基态时，所以其基态的状态为所以其基态的状态为2/12S可以求得可以求得而而j，jjmj, 1,所以所以2/1, 2/1jm从而从而1jjgm6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用 在外磁场在外磁场B中，原子磁矩中，原子磁矩 受磁场力矩的作受磁场力矩的作用，绕用，绕B连续进动的现象。连续进动的现象。 J一、拉莫尔旋进一、拉莫尔旋进BHLJJ0dtPdLdBdPPJ JPJ绕磁场旋进示意图绕磁场旋进示意图dBdPPJ J22BLL旋进频率：旋进频率：其中其中 旋进角速度。旋进角速度。由上图可得由上图可得由由sinsinBPJLJ得得sinsin但但所以所以称为旋磁比。称为旋磁比。cosBEJ二、原子受磁场作用的附加能量二、原子受磁场作用的附加能量cos2BPmegEJJJJM, 1,2coshMpJ磁量子数：磁量子数：共共2J+1个个洛仑兹单位：洛仑兹单位：MgLmceBMghcET4BcmmceBL147. 04光谱项差：光谱项差：BMgBmheMgEB4 3、分裂后的两相邻磁能级的间隔都等于、分裂后的两相邻磁能级的间隔都等于gBB，即由同一能级分裂出来的诸磁能级的间，即由同一能级分裂出来的诸磁能级的间隔都相等，但从不同的能级分裂出来的磁能级隔都相等，但从不同的能级分裂出来的磁能级的间隔彼此不一定相等，因为的间隔彼此不一定相等，因为g因子不同。因子不同。 1、原子在磁场中所获得的附加能量与、原子在磁场中所获得的附加能量与B成成正比；正比；结论结论: 2、因为、因为M取取(2J+1)个可能值，因此无磁场个可能值，因此无磁场时的原子的一个能级，在磁场中分为时的原子的一个能级，在磁场中分为(2J+1)个子个子能级。能级。几种双重态的几种双重态的g因子和因子和Mg值值2/ 522/ 322/ 322/ 122/ 12DDPPS gMg212/31/3 4/32/3, 6/34/52/5, 6/56/53/5, 9/5, 15/5无磁场无磁场有磁场有磁场2/32PM Mg3/2 6/31/2 2/3-1/2 -2/3-3/2 -6/3能级在磁场中的分裂情况能级在磁场中的分裂情况2/32PMjnlnljmEEEEj所以在弱磁场中原子的能级可表为：所以在弱磁场中原子的能级可表为： 需要指出的是：需要指出的是：只有外加磁场只有外加磁场B较弱时上述讨较弱时上述讨论才正确。因为只有在这一条件下，原子内的旋轨论才正确。因为只有在这一条件下，原子内的旋轨相互作用才不至于被磁场所破坏，相互作用才不至于被磁场所破坏， S和和 L才能合成总才能合成总磁矩磁矩 ，且，且 绕绕PJ旋转很快，以至于对外加磁场而言，旋转很快，以至于对外加磁场而言，有效磁矩仅为有效磁矩仅为 在在PJ方向的投影方向的投影 J。在弱磁场。在弱磁场B中原中原子所获得的附加能量才为子所获得的附加能量才为 。BMgEB 如果磁场如果磁场B加强到一定程度，超过原子内部加强到一定程度，超过原子内部旋轨作用，使旋轨作用，使PJ在磁场中旋转的频率远小于在磁场中旋转的频率远小于PL和和PS分别绕磁场旋转的频率，以至于在磁场中可以分别绕磁场旋转的频率，以至于在磁场中可以认为认为PL和和PS的耦合被破坏，磁场的作用就使得的耦合被破坏，磁场的作用就使得PL和和PS分别在磁场中很快旋转。这时原子在磁场中分别在磁场中很快旋转。这时原子在磁场中的附加能量主要由的附加能量主要由 L和和 S在磁场中的能量来决定，在磁场中的能量来决定，即附加能量由即附加能量由 和和 之和来确定。之和来确定。BBEESLmmMslBSBL)2( 2 2 )cos()cos(2 )cos()cos( SLBSLSZLZSLSLSLmmMMMBMmeBMmeBPmeBPmeBSBBPmeLBBPmeSBBLBBBBEEsl 由于旋轨作用被破坏，在强磁场中原子能级由于旋轨作用被破坏，在强磁场中原子能级应表为：应表为：)(MmmnlmmnlEEEEslsl即在强磁场中的附加能量即在强磁场中的附加能量 的值由的值由ML和和MS的组合决定，的组合决定，L一定时一定时ML有（有（2L+1）个可能）个可能值，值，MS有（有（2S+1）个可能值，组合结果使附加能）个可能值，组合结果使附加能量有若干个可能值，因此磁场中每一个能级将分量有若干个可能值，因此磁场中每一个能级将分裂为若干个子能级，在这些子能级间的跃迁要符裂为若干个子能级，在这些子能级间的跃迁要符合选择定则：合选择定则：)(MmmEEsl1, 0)2(; 0 ; 1, 0 ; 1SLSLMMMML 6.3 史特恩史特恩-盖拉赫实验的结果盖拉赫实验的结果BzMgvLdzdBmvLdzdBmS22)(21 )(21 1、非均匀磁场中，原子束会发生分裂，分、非均匀磁场中，原子束会发生分裂，分裂的条数为裂的条数为(2J+1)条。条。 2、原子束偏离原方向的横向位移为、原子束偏离原方向的横向位移为无磁场无磁场有磁场有磁场NS史特恩史特恩-盖拉赫实验结果盖拉赫实验结果 原子原子 基态基态 g Mg 相片图样相片图样 Cd, HgSn, PbH, Li, Na, KCu, Ag, AuTlO0313232 / 122 / 120301PPPPSPS22/33/23/2 0 01310 ,23, 3 0 ,230 固体在恒定磁场和高频交变电磁场的共同作固体在恒定磁场和高频交变电磁场的共同作用下，在某一频率附近产生对高频电磁场的共振用下，在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收现象。吸收现象。 若产生磁共振的磁矩是顺磁体中的原子（或若产生磁共振的磁矩是顺磁体中的原子（或离子）磁矩，则称为离子）磁矩，则称为顺磁共振顺磁共振；若磁矩是原子核；若磁矩是原子核的自旋磁矩，则称为的自旋磁矩，则称为核磁共振核磁共振。若磁矩为铁磁体。若磁矩为铁磁体中的电子自旋磁矩，则称为中的电子自旋磁矩，则称为铁磁共振铁磁共振。6.4 顺磁共振和核磁共振顺磁共振和核磁共振一、磁共一、磁共振振 电子顺磁共振（电子顺磁共振（electron paramagnanetic resonance，EPR）是由不配对电子的磁矩发源）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言，探索其周围环境的结构特性。对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分（99以上）的贡献来自电子自旋，所以电子以上）的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称顺磁共振亦称“电子自旋共振电子自旋共振”（ESR）。）。 二、顺磁共振二、顺磁共振 顺磁性原子顺磁性原子(即具有磁矩的原子即具有磁矩的原子)置于磁场中，其置于磁场中，其能级分裂为能级分裂为(2J+1)层，如果在原子所在的稳定磁场区层，如果在原子所在的稳定磁场区域又叠加一个与稳定磁场相垂直的交变磁场，并且调域又叠加一个与稳定磁场相垂直的交变磁场，并且调整交变磁场的频率使整交变磁场的频率使hv满足满足则原子将在两临近的磁能级之间发生跃迁，可通过仪则原子将在两临近的磁能级之间发生跃迁，可通过仪器探测出来。器探测出来。HghB0 电子顺磁共振首先是由前苏联物理学家电子顺磁共振首先是由前苏联物理学家 EK扎沃伊斯基扎沃伊斯基于于1944年从年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极距及分子结构等问题。以后化学家根据电子顺磁共振测量结果，距及分子结构等问题。以后化学家根据电子顺磁共振测量结果，阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反应机理有关的许多问题。应机理有关的许多问题。 美国的美国的B康芒纳等人于康芒纳等人于1954年首次将电子顺磁共振技术引年首次将电子顺磁共振技术引入生物学的领域之中，他们在一些植物与动物材料中观察到有入生物学的领域之中，他们在一些植物与动物材料中观察到有自由基存在。自由基存在。 20世纪世纪60年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新，年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新，电子顺磁共振技术至今已在物理学、半导体、有机化学、络合电子顺磁共振技术至今已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。用。 （1）提供必要的共振频率的电磁波发生器）提供必要的共振频率的电磁波发生器速调管速调管(微波系统微波系统) （2）由电磁铁提供的稳定磁场）由电磁铁提供的稳定磁场(磁铁系统磁铁系统) （3）可使样品处于磁场和电磁波都合适的方向）可使样品处于磁场和电磁波都合适的方向的样品腔的样品腔(谐振腔谐振腔) （4）检测系统）检测系统(包括检波器、放大器、记录器等包括检波器、放大器、记录器等)电子顺磁共振仪器组成部分电子顺磁共振仪器组成部分C 微波谐振微波谐振腔，放置顺腔，放置顺磁性物质磁性物质G 电磁波发电磁波发生器，发出生器，发出的电磁波经的电磁波经波导送入谐波导送入谐振腔振腔D 探测器探测器R 记录器记录器11053423701088. 010510626. 610927. 0104sggHhgBcmgc4 . 3电子顺磁共振波谱仪常用的微波频率有下列电子顺磁共振波谱仪常用的微波频率有下列3种情况：种情况：波带波带频率频率v(千兆赫千兆赫)波长波长(厘米厘米)相应的共振磁场相应的共振磁场H(高斯高斯)X9.53.160.3390K241.250.8560Q350.861.2490其中尤以其中尤以X波带最为常用。波带最为常用。 对于对于 的原子束或的原子束或 ，但构成分子时，但构成分子时，整个分子的磁矩为零，这样的原子束或分子束在外磁整个分子的磁矩为零，这样的原子束或分子束在外磁场作用下，将产生由核磁矩场作用下，将产生由核磁矩 引起的磁能级。引起的磁能级。 INIIHMgBE0IgI 核朗德因子核朗德因子二、核磁共振二、核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance即即NMR) 0J0JN核磁子核磁子两邻近磁能级之间的间隔为两邻近磁能级之间的间隔为HgENI0当交变磁场的频率满足下面关系时当交变磁场的频率满足下面关系时将发生核的磁能级之间的共振吸收。这称为核磁共将发生核的磁能级之间的共振吸收。这称为核磁共振。振。HgEhNI0若已知若已知H和和N，则可求出，则可求出gI和和I。hHgNI0恩施州中心医院的恩施州中心医院的“美国美国GE Signa HDe 1.5T超导磁共振超导磁共振” 核磁共振成像：是将人体置于特殊的磁场中，用核磁共振成像：是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。这就叫做核磁共振成像。 它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，不会产生图像，不会产生CT检测中的伪影；不需注射造影剂；检测中的伪影；不需注射造影剂；无电离辐射，对机体没有不良影响。无电离辐射，对机体没有不良影响。MR对检测脑内对检测脑内血肿、脑外血肿、脑肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉血管血肿、脑外血肿、脑肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉血管畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症和脊髓积水畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症和脊髓积水等颅脑常见疾病非常有效，同时对腰椎椎间盘后突、等颅脑常见疾病非常有效，同时对腰椎椎间盘后突、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。 EPR和和NMR的区别：的区别： (1)EPR是研究电子磁矩与外磁场的相互作用，即通常认为是研究电子磁矩与外磁场的相互作用，即通常认为是电子塞曼效应引起的，而是电子塞曼效应引起的，而NMR是研究核在外磁场中核塞曼是研究核在外磁场中核塞曼能级间的跃迁。换言之，能级间的跃迁。换言之，EPR和和NMR是分别研究电子磁矩和是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。 (2)EPR的共振频率在微波波段的共振频率在微波波段(频率为频率为300MHz-300GHz即即波长在波长在1米到米到1毫米之间的电磁波，通常也称为毫米之间的电磁波，通常也称为“超高频电磁波超高频电磁波”)，NMR的共振频率在射频波段的共振频率在射频波段(频率范围从频率范围从300KHz30GHz之间之间)。 (3)EPR的灵敏度比的灵敏度比NMR的灵敏度高，的灵敏度高，EPR检出所需自由检出所需自由基的绝对浓度约基的绝对浓度约10-8M数量级。数量级。 (4)EPR和和NMR仪器结构上的差别：前者是恒定频率，采仪器结构上的差别：前者是恒定频率，采取扫场法，后者是恒定磁场，采取扫频法。取扫场法，后者是恒定磁场，采取扫频法。6.5 塞曼效应塞曼效应 1896年开始荷兰物理学家塞曼（年开始荷兰物理学家塞曼（P. Zeeman)逐步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发逐步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发射的每一条光谱线都分裂成几条，条数随能级的射的每一条光谱线都分裂成几条，条数随能级的类别而不同，分裂后的谱线成分是偏振的。人们类别而不同，分裂后的谱线成分是偏振的。人们称这种现象为称这种现象为塞曼效应塞曼效应 (原子光谱在外磁场中进原子光谱在外磁场中进一步发生分裂的现象一步发生分裂的现象） 。一、塞曼效应一、塞曼效应 根据谱线分裂情况的不同，塞曼效应分为根据谱线分裂情况的不同，塞曼效应分为正常塞曼效应正常塞曼效应与与反常塞曼效应反常塞曼效应。 一般情况下，谱线分裂成很多成分。称为一般情况下，谱线分裂成很多成分。称为反常塞曼效应反常塞曼效应，也叫，也叫复杂塞曼效应复杂塞曼效应。 特殊情况下，谱线分裂成三种成分。称为特殊情况下，谱线分裂成三种成分。称为正常塞曼效应正常塞曼效应，也叫，也叫简单塞曼效应简单塞曼效应。 塞曼效应反映了原子所处状态，从塞曼效塞曼效应反映了原子所处状态，从塞曼效应的实验结果可以推断有关能级的分裂情况，应的实验结果可以推断有关能级的分裂情况，是研究原子结构的重要途径之一。是研究原子结构的重要途径之一。NA*SEESP EE B B 单线系的每一条谱线，在垂直磁场方向观察时，单线系的每一条谱线，在垂直磁场方向观察时，每一条分裂为三条，彼此间隔相等，中间一条每一条分裂为三条，彼此间隔相等，中间一条( )线线频率不变；左右两条频率不变；左右两条( )频率的改变为频率的改变为=L(一个洛一个洛仑兹单位仑兹单位)，它们都是线偏振的。它们都是线偏振的。 线的电矢量振动线的电矢量振动方向平行于磁场；方向平行于磁场； 线的电矢量振动方向垂直于磁场。线的电矢量振动方向垂直于磁场。 当沿磁场方向观察时，中间的当沿磁场方向观察时，中间的 成分看不到，只成分看不到，只能看到两条能看到两条 线，它们都是圆偏振的。线，它们都是圆偏振的。二、实验规律二、实验规律1、正常塞曼效应、正常塞曼效应2、反常塞曼效应、反常塞曼效应 双重或多重结构的原子光谱，在较弱的双重或多重结构的原子光谱，在较弱的磁磁场中，每一条谱线分裂成许多条分线。场中，每一条谱线分裂成许多条分线。 Na58965890无磁场无磁场在垂直在垂直于于B方向方向观察观察沿沿 B方方向观察向观察Cd 6438BBB 正常三重线正常三重线锌的正常塞曼效应锌的正常塞曼效应锌的单线锌的单线无磁场无磁场加磁场加磁场钠主线系的双线钠主线系的双线加磁场加磁场反常花样反常花样钠的反常塞曼效应钠的反常塞曼效应无磁场无磁场LgMgMmBegMgM11221122)11(42、磁能级之间的跃迁选择定则、磁能级之间的跃迁选择定则 产生产生 线线 (但但 时，时， 除外除外) 产生产生 线线三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释1、分裂后的谱线与原来谱线的波数、分裂后的谱线与原来谱线的波数(或频率或频率)差差0M0J0012MM1M 根据上述理论可以解释塞曼效应的实验事实。根据上述理论可以解释塞曼效应的实验事实。 (1)对于单线系的一条谱线，由于对于单线系的一条谱线，由于S=0，2S+1=1，所以可以算出所以可以算出g2=g1=1，因而：，因而：LMLLgMgM) 1, 0( )11(1122 例如镉例如镉6438.47埃红线在磁场中的分裂情况埃红线在磁场中的分裂情况就是正常塞曼效应就是正常塞曼效应：这条线对应的跃迁是这条线对应的跃迁是1D21P1LMLLgMgM) 1, 0()11(1122LSJMgMg1D22020，1， 210，1， 21P11010， 110， 1简便方法计算波数的改变：简便方法计算波数的改变：M 2 1 0 -1 -2 M2g2 2 1 0 -1 -2M1g1 1 0 -1（M2g2 - M1g1）=L) 1 , 0 , 1()1(0 0 0-1 -1 -11 1 1Cd6438的正常塞曼效应跃迁图的正常塞曼效应跃迁图 0L 01D21P16438无磁场无磁场有磁场有磁场MMg-1-2-1-2210210-1-11010 (2)对于具有双重或多重结构的光谱线在磁场对于具有双重或多重结构的光谱线在磁场中的分裂情况，由于中的分裂情况，由于 因而，因而，LgMgM1122)11(由由 的组合，结合选择定则，就可的组合，结合选择定则，就可得到许多条分线。得到许多条分线。1122gMgM，11012ggS这两条线对应的跃迁是：这两条线对应的跃迁是：2P3/22P1/22S1/22S1/2 例如例如Na5890埃和埃和5896埃双线在磁场中的分裂埃双线在磁场中的分裂情况如下：情况如下：LSJMgMg2S1/201/21/21/2212P1/211/21/21/22/31/32P3/211/23/21/23/24/32/3 6/32P3/22S1/2M 3/2 1/2 -1/2 -3/2 M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3M1g1 1 -1（M2g2 - M1g1）=-1/3 1/3L)35,33,31,31,33,35()1(-5/3 -3/33/3 5/32P1/22S1/2M 1/2 -1/2 M2g2 1/3 -1/3 M1g1 1 -1（M2g2 - M1g1）=-2/3 2/3L)34,32,32,34()1(-4/34/3钠的反常塞曼效应跃迁图钠的反常塞曼效应跃迁图2P3/22P1/22S1/2无磁场无磁场有磁场有磁场-3/2 -6/3Mg-1/2 -2/3M3/2 6/31/2 2/31/2 1/3-1/2 -1/31/2 1-1/2 -1 5896589058965890 为了解释正常塞曼效应中的偏振光，我们首先为了解释正常塞曼效应中的偏振光，我们首先介绍下面几个基本概念：介绍下面几个基本概念： 1)当原子处在某能级分裂后的新能级当原子处在某能级分裂后的新能级M上时，上时，其角动量在其角动量在 方向的分量是方向的分量是 ，光子的角动量是，光子的角动量是 ； 2)原子在不同能级间辐射跃迁时，角动量是守原子在不同能级间辐射跃迁时，角动量是守恒的，换句话说，系统辐射前的总角动量等于辐射恒的，换句话说，系统辐射前的总角动量等于辐射后系统的角动量加上光子的角动量；后系统的角动量加上光子的角动量； 3)辐射跃迁遵从选择定则辐射跃迁遵从选择定则 ，但新的，但新的跃迁不能发生在同一能级分裂的诸新能级之间。跃迁不能发生在同一能级分裂的诸新能级之间。 3、偏振情况、偏振情况1, 0 M a. 当当 时，意味着原子在磁场方时，意味着原子在磁场方向的角动量减少向的角动量减少 ，所发光子必定具有在磁场方，所发光子必定具有在磁场方向的角动量向的角动量 ，在磁场指向观察者的方向观察光，在磁场指向观察者的方向观察光源时是左旋光，垂直于源时是左旋光，垂直于 方向上看是线偏振光。方向上看是线偏振光。 b. 当当 时，光子的角动量与时，光子的角动量与 方方向相反，以抵消总角动量的增加，所以平行于向相反，以抵消总角动量的增加，所以平行于 方方向上看是右旋光，垂直于向上看是右旋光，垂直于 方向上看是线偏振光。方向上看是线偏振光。 c. 当当 时，光子的角动量应垂直于时，光子的角动量应垂直于 方向，方向，使其不影响使其不影响 方向角动量的守恒，这时在平行于方向角动量的守恒，这时在平行于 方向看不到此光，而在垂直于方向看不到此光，而在垂直于 方向看到线偏振的方向看到线偏振的线。线。 利用上面几条，我们可以对各种偏振现象给出利用上面几条，我们可以对各种偏振现象给出合理的解释：合理的解释： BB0MBBBB 1B 正常塞曼效应，产生于正常塞曼效应，产生于S=0, g=1 的系统，的系统，此时不涉及自旋，所以经典理论就可以对它此时不涉及自旋，所以经典理论就可以对它作出解释。作出解释。 在发现并解释了正常塞曼效应的同时，在发现并解释了正常塞曼效应的同时，人们观察到，一般情况下，光谱的分裂数目人们观察到，一般情况下，光谱的分裂数目并不是三个，间隔也不相同。并不是三个，间隔也不相同。 从从1897年发现反常塞曼效应，在长达三年发现反常塞曼效应，在长达三十年的时间内，人们一直无法解释它，直到十年的时间内，人们一直无法解释它，直到电子自旋假设提出后，反常塞曼效应才得到电子自旋假设提出后，反常塞曼效应才得到合理的解释。合理的解释。4、对、对Zeeman跃迁的选择定则的解释跃迁的选择定则的解释 产生产生 线线 (但但 时，时， 除外除外) 0M0J0012MM例：讨论锌例：讨论锌3S1态向态向3P1态跃迁的塞曼效应。态跃迁的塞曼效应。LSJMgMg3S10110，120，23P11110， 13/20， 3/2M 1 0 -1M2g2 2 0 -2M1g1 3/2 0 -3/2(M2g2 - M1g1)=1/2 -1/2-3/2 -22 3/23S13P1L)2 ,23,21,21,23, 2()1(3S13P1无磁场无磁场有磁场有磁场MMg10-120-210-13/2 0-3/2L)2 ,23,21,21,23, 2()1( 1、上述塞曼效应是在弱磁场中、上述塞曼效应是在弱磁场中(即磁场不即磁场不破坏破坏LS耦合的情况耦合的情况)观察到的。若外磁场增加观察到的。若外磁场增加到很强时，破坏了到很强时，破坏了LS耦合，则一切反常塞曼耦合，则一切反常塞曼效应将趋于正常塞曼效应，这种现象称为帕效应将趋于正常塞曼效应，这种现象称为帕邢邢巴克效应。巴克效应。四、帕邢四、帕邢巴克效应巴克效应 磁场很强破坏了磁场很强破坏了LS耦合，此时耦合，此时PL和和PS互不相互不相干的各自绕外磁场干的各自绕外磁场B进动，因此原子系统受外磁进动，因此原子系统受外磁场场B作用所获得的附加能量为两部分进动能量之作用所获得的附加能量为两部分进动能量之和。和。 BMMBBEBSLSL)2( SSSMLLLMSL, 1, 1,2、理论解释、理论解释式中式中而而LMMMMSLSL) 1, 0(1, 0)2(01, 06.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性一、抗磁性一、抗磁性 当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性。当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这种性质。等金属具有这种性质。 在外磁场中，这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真在外磁场中，这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度。抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，空中的磁感应强度。抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般约为质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般约为-10-6，为负值。，为负值。 二、顺磁性二、顺磁性 顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强度与外磁场方向一致，为正，而且严格地与外磁场度与外磁场方向一致，为正，而且严格地与外磁场H成正比。成正比。 顺磁性物质的磁性除了与顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度。其磁化有关外，还依赖于温度。其磁化率率与绝对温度与绝对温度T成反比：成反比： =C/T式中，式中，C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。 顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下约为顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下约为10-5。一般含。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。顺磁物质。三、铁磁性三、铁磁性 过渡族金属（如过渡族金属（如Fe、Co、Ni等）及它们的合金和化合物等）及它们的合金和化合物所具有的磁性。室温下磁化率可达所具有的磁性。室温下磁化率可达103数量级。数量级。 研究简史：研究简史： 铁磁理论的奠基者，法国物理学家铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.E.外斯于外斯于1907年提出年提出了铁磁现象的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的了铁磁现象的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的“分分子场子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。1928年年W.K.海森伯首海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的的“分子场分子场”以量子力学解释。以量子力学解释。1930年年F.布洛赫提出了自旋布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。对的电子自旋的直接交换作用。铁磁性的特点：铁磁性的特点： 在外磁场作用下较易达到磁饱和，此时磁化强度不再在外磁场作用下较易达到磁饱和，此时磁化强度不再随外磁场的增加而增加，而一般顺磁体则很难达到磁饱和。随外磁场的增加而增加，而一般顺磁体则很难达到磁饱和。 磁化强度与磁场强度间的关系不是线性的，即磁化率磁化强度与磁场强度间的关系不是线性的，即磁化率和磁导率不是常数，而顺磁体的磁化率和磁导率在一定温度和磁导率不是常数，而顺磁体的磁化率和磁导率在一定温度下是常数。下是常数。 存在一个临界温度存在一个临界温度Tc，当温度高于，当温度高于Tc时铁磁性消失，时铁磁性消失，铁磁体转变成顺磁体，铁磁体转变成顺磁体，Tc称为居里温度或居里点。在居里温称为居里温度或居里点。在居里温度附近磁导率和比热容呈现反常增加。度附近磁导率和比热容呈现反常增加。 外磁场变化时，磁化强度的变化滞后于外磁场的变化，外磁场变化时，磁化强度的变化滞后于外磁场的变化，此称磁滞效应，磁滞效应表明铁磁体的磁化过程包含了明显此称磁滞效应，磁滞效应表明铁磁体的磁化过程包含了明显的不可逆过程。当撤去外磁场时，铁磁体仍保留部分磁性，的不可逆过程。当撤去外磁场时，铁磁体仍保留部分磁性，磁化强度不为零，称为剩磁。而顺磁体在撤去外磁场时，磁磁化强度不为零，称为剩磁。而顺磁体在撤去外磁场时，磁化强度立即变为零。化强度立即变为零。