第六章-磁场中的原子优秀PPT.ppt

教学内容教学内容 6.1 6.1 原子的磁矩原子的磁矩6.2 6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用6.3 6.3 史特恩史特恩-盖拉赫试验的结果盖拉赫试验的结果6.4 6.4 顺磁共振顺磁共振6.5 6.5 塞曼效应塞曼效应6.6 6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性 教学重点教学重点 原子有效磁矩原子有效磁矩原子能级在磁场中的分裂原子能级在磁场中的分裂;塞曼效应（正常、反常）塞曼效应（正常、反常）教学难点教学难点 反常塞曼效应反常塞曼效应帕邢帕邢巴克效应巴克效应第六章第六章 、磁场中的原子、磁场中的原子 问题的提出问题的提出:玻尔：谁假如在量子面前不感玻尔：谁假如在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理到震惊，他就不懂得现代物理学；同样假如谁不为此理论感学；同样假如谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物到困惑，他也不是一个好的物理学家。理学家。原原子子具具有有磁磁性性，在在外外加加磁磁场场中中将将产产生生磁磁效效应应，本本章章探探讨讨有有关关的的现现象象。18961896年年，塞塞曼曼(PZeeman)(PZeeman)发发觉觉，当当把把放放射射原原子子光光谱谱的的光光源源放放在在静静磁磁场场中中时时，每每一一条条谱谱线线都都将将分分裂裂成成频频率率相相近近的的几几条条，它它们们都都是是偏偏振振的的，这这就就是是塞塞曼曼效效应应。后后来来，人人们们又又接接连连从从试试验验中中发发觉觉并并揭揭示示了了有有关关电电子子自自旋旋、磁磁共共振振(包包括括电电子子自自旋旋共共振振，核核磁磁共共振振，原原子子束束共共振振和和双双共共振振等等)现现象象的的规规律律。一一方方面面，从从这这些些效效应应可可以以窥窥见见原原子子结结构构性性质质，尤尤其其是是原原子子的的磁磁性性(电电子子轨轨道道磁磁矩矩、电电子子自自旋旋磁磁矩矩、核核自自旋旋磁磁矩矩)；另另一一方方面面，它它们们所所供供应应的的试试验验手手段段和和理理论论方方法法在在现现代代高高新新技技术术的的很很多多领领域域有有重重要要的的应应用用，推推动动了了物物理理学学的的发发展展。上上述述相应工作的创始人均曾获得诺贝尔物理学奖。相应工作的创始人均曾获得诺贝尔物理学奖。如：塞曼如：塞曼(PZeeman)(PZeeman)和洛伦兹和洛伦兹(HALorentz)(1902(HALorentz)(1902，塞曼效应与电子论，塞曼效应与电子论)；施特恩；施特恩(OStern)(1943(OStern)(1943，施特恩，施特恩盖拉赫试盖拉赫试验验)；拉比；拉比(IIRabi)(1944(IIRabi)(1944，核磁共振方法，核磁共振方法)；布洛赫；布洛赫(FBloch)(FBloch)和珀塞尔和珀塞尔(EMPurcell)(1952,(EMPurcell)(1952,磁共振能谱学磁共振能谱学)；兰姆；兰姆(WELamb)(WELamb)和库什和库什(PKusch)(1955(PKusch)(1955，兰姆移，兰姆移位和电子磁矩位和电子磁矩)；卡斯特勒；卡斯特勒(AKastler)(1966(AKastler)(1966，双共振方法，双共振方法)；拉姆赛；拉姆赛(NFRamsey)(1989(NFRamsey)(1989，铯原子钟，铯原子钟)。6.1 6.1 原子的磁矩原子的磁矩6.1.1 6.1.1 单个价电子原子的磁矩单个价电子原子的磁矩 原原子子内内部部闭闭壳壳层层的的总总轨轨道道角角动动量量和和总总自自旋旋角角动动量量均均为为零零，对对原原子子磁磁矩矩没没有有贡贡献献，只只须须考考虑虑外外层层价价电电子子。电电子子作作轨轨道道运运动动时伴有轨道磁矩时伴有轨道磁矩 图图6.1.1 6.1.1 原子磁矩原子磁矩J J与角动量与角动量J J的矢量图的矢量图朗德因子或朗德因子或g g因子（劈裂因子）因子（劈裂因子）得到得到6.1.2 6.1.2 多电子原子的磁矩多电子原子的磁矩 6.2 6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用6.2.1 6.2.1 拉莫尔拉莫尔(Larmor)(Larmor)进动进动我们用经典物理的方法，分析原子的微观磁矩我们用经典物理的方法，分析原子的微观磁矩JJ在外在外磁场磁场B B中的运动。这种外磁场的作用总是力图使中的运动。这种外磁场的作用总是力图使JJ与与B B方向一样，因为这种取向时势能最小。但是在原子中，方向一样，因为这种取向时势能最小。但是在原子中，磁矩磁矩JJ与角动量与角动量J J相联系，这样，在它们自己轨道上相联系，这样，在它们自己轨道上运动的电子运动的电子(其角动量设为其角动量设为J)J)受到力矩受到力矩N N的作用：的作用：由由于于J J与与J J方方向向相相反反，因因此此dJdJ垂垂直直于于B B、J J所所构构成成的的平平面面，如如图图，这这将将引引起起J J绕绕B B的的转转动动(进进动动)称称为为拉拉莫莫尔尔进动。进动。对比理解：例子对比理解：例子由由于于原原子子在在磁磁场场中中附附加加了了拉拉莫莫尔尔旋旋进进，会会使使其其能能量量发发生生变变更更。旋旋进进角角动动量量叠叠加加到到J J在在磁磁场场方方向向的的重重量量上上，将将使使系系统统能能量量增增加加(J(J与与B B方向一样方向一样)，或使系统能量削减，或使系统能量削减(J(J与与B B方向相反方向相反)。6.2.2 6.2.2 原子在外磁场中的能级分裂原子在外磁场中的能级分裂设设具具有有磁磁矩矩的的粒粒子子，处处在在沿沿z z方方向向的的静静磁磁场场B B中中，两两者者的的相互作用能是相互作用能是-6.2.3 6.2.3 史特恩史特恩盖拉赫试验结果的再分析盖拉赫试验结果的再分析 J J6.3 6.3 塞曼塞曼(Zeeman)(Zeeman)效应效应6.3.1 6.3.1 塞曼效应的视察塞曼效应的视察原子处在恒定外磁场中，它的光谱线常常发生困难原子处在恒定外磁场中，它的光谱线常常发生困难的分裂，裂距正比于磁场强度，且谱线各重量有特的分裂，裂距正比于磁场强度，且谱线各重量有特殊的偏振和方向特性。这就是光谱的塞曼效应。殊的偏振和方向特性。这就是光谱的塞曼效应。图图6.3.1 6.3.1 塞塞曼曼效效应应的的试试验验结结果果：在在垂垂直直于于磁磁场场的的方方向向视视察察到到的的现现象象.相相片片下下面面附附加加的的线线表表示示左左右右各各一一个个洛洛仑仑兹兹单位的间距单位的间距.1.1.镉镉(Cd)643.847nm(Cd)643.847nm谱线的塞曼效应谱线的塞曼效应 2.2.钠的黄色双线钠的黄色双线D1D1和和D2(5895.93nmD2(5895.93nm与与588.996nm)588.996nm)的塞曼效应的塞曼效应相相应应于于单单态态谱谱线线在在外外磁磁场场中中的的分分裂裂称称为为正正常常塞塞曼曼效效应应；相相应应于于非非单单态态谱谱线线在在外外磁磁场场中中的的分分裂裂，称称为为反反常常塞塞曼曼效效应应。假假如如外外磁磁场场足足够够强强，自自旋旋轨轨道道耦耦合合将将被被破破坏坏，磁磁量量子子数数mLmL，msms对对应应的的简简并并能能级级将将被被外外磁磁场场消消退退，这这种种塞塞曼曼分分裂裂称称为帕邢一贝克效应。为帕邢一贝克效应。6.3.2 6.3.2 正常塞曼效应正常塞曼效应 电电子子发发生生跃跃迁迁前前后后两两个个原原子子态态的的总总自自旋旋都都为为零零的的谱谱线线称称为为单单态谱线，单态谱线分裂为三条的现象称为正常塞曼效应。态谱线，单态谱线分裂为三条的现象称为正常塞曼效应。l当当s s1 1=s=s2 2=0=0例例题题6.3.16.3.1计计算算镉镉643.8nm643.8nm。谱谱线线(1 1D D2 2到到1 1P P1 1跃跃迁迁)在在外外磁磁场场B B中发生的塞曼分裂，并画出能级跃迁图。中发生的塞曼分裂，并画出能级跃迁图。l解：解：6.3.3 6.3.3 反常塞曼效应反常塞曼效应 l反常塞曼效应是上下能级反常塞曼效应是上下能级s s1 1,s,s2 2都不等于零，都不等于零，g g1 1,g,g2 2都不等于都不等于1 1，非单态能级之间的跃迁非单态能级之间的跃迁l例题例题6.3.2 6.3.2 求钠原子求钠原子589.0nm589.0nm和和589.6nm589.6nm谱线的塞曼效应谱线的塞曼效应l解解：这这两两条条谱谱线线是是从从2 2P P3/23/2，1/21/22 2S S 1/21/2跃跃迁迁的的结结果，其果，其M M，g g值如表值如表6.3.16.3.1l图图钠钠原原子子589.6nm589.6nm和和589.0nm589.0nm谱谱线线在在外外磁磁场场中中反反常常塞塞曼曼效效应应6.3.4 6.3.4 塞曼效应的偏振特性塞曼效应的偏振特性为为了了说说明明塞塞曼曼效效应应的的偏偏振振与与MM的的关关系系，我我们们先先复复习习一一下下电电磁学中偏振及角动量方向的定义。磁学中偏振及角动量方向的定义。对对于于沿沿Z Z方方向向传传播播的的电电磁磁波波，它它的的电电矢矢量量必必定定在在xyxy平平面面(横横波特性波特性)，并可分解为，并可分解为ExEx和和Ey:Ey:当当=0=0时时，电电矢矢量量就就在在某某一一方方向向做做周周期期变变更更，此此即即线线偏偏振振；当当=/2=/2，A=BA=B时时，合合成成的的电电矢矢量量的的大大小小为为常常数数，方方向向做做周周期期性性变变更更，矢矢量量箭箭头头绕绕圆圆周周运运动动，此此即即圆圆偏偏振振。下下面面定定义义右右旋旋偏偏振振和和左左旋旋偏偏振振：若若沿沿着着z z轴轴对对准准光光传传播播方方向向视视察察见见到到的的电电矢矢量量作作顺顺时时针针转转动动，称称右右旋旋(圆圆)偏偏振振(图图6.3.6(a)6.3.6(a)；假假如如见见到到的的电电矢矢量量作作逆逆时时针针转转动动，则则称称为为左左旋旋(圆圆)偏偏振振(图图6.3.6(b)6.3.6(b)。圆圆偏偏振振光光具具有有角角动动量量的的试试验验事事实实，是是由由贝贝思思(RABeth)(RABeth)在在19361936年年视视察察到到的的，光光的的角角动动量量方方向向和和电电矢矢量量旋旋转转方方向向组组成成右右手手螺螺旋旋定定则则。因因而而对对右右旋旋偏偏振，角动量方向与传播方向相反，对左旋偏振，两者相同。振，角动量方向与传播方向相反，对左旋偏振，两者相同。l图图6.3.6 6.3.6 偏振及角动量的定义偏振及角动量的定义 对对于于M=M2-M1=1M=M2-M1=1，原原子子在在磁磁场场方方向向(z)(z)的的角角动动量量削削减减1 1个个；把把原原子子和和发发出出的的光光子子作作为为一一个个整整体体，角角动动量量必必需需守守恒恒，因因此此，所所发发光光子子必必定定在在磁磁场场方方向向具具有有角角动动量量。因因此此，当当面面对对磁磁场场方方向向视视察察时时，由由于于磁磁场场方方向向即即光光传传播播方方向向，所所以以J J与与光光传传播播方方向向一一样样，我我们们将将视视察察到到+偏偏振振。同同理理，对对于于M=M2-M1=-1,M=M2-M1=-1,原原子子在在磁磁场场方方向向的的角角动动量量增增加加1 1个个，所所发发光光子子必必定定在在与与磁磁场场相相反反的的方方向向上上具具有有角角动动量量，因因此此，面面对对磁磁场场方方向向时时，将将视视察察到到-偏偏振振。在在如如图图6.3.76.3.7中中给给出出了了面面对对磁磁场场方方向向视视察察到到的的偏偏振振的的状况。状况。图图6.3.76.3.7面对磁场视察到的面对磁场视察到的谱线谱线对对于于这这两两条条谱谱线线，电电矢矢量量在在xyxy平平面面，因因此此，在在与与磁磁场场B B垂垂直直的的方方向向(例例如如x x方方向向)视视察察时时，只只能能见见到到EyEy重重量量(横横波波特特性性)，我我们们视视察察到到二二条条与与B B垂垂直直的的线线偏偏振振光光。对对于于M=M2-M1=0M=M2-M1=0的的状状况况，原原子子在在磁磁场场方方向向(z(z方方向向)的的角角动动量量不不变变，光光子子必必定定具具有有在在与与磁磁场场垂垂直直方方向向(设设为为x x方方向向)的的角角动动量量，光光的的传传播播方方向向与与磁磁场场方方向向垂垂直直，与与光光相相应应的的电电矢矢量量必必定定在在yzyz平平面面内内，它它可可以以有有EyEy和和EzEz重重量量。但但是是，凡凡角角动动量量方方向向在在xyxy平平面面上上的的全全部部光光子子都都满满足足M=0M=0的的条条件件，因因此此，平平均均的的效效果果将将使使EyEy重重量量为为零零。于于是是，在在沿沿磁磁场场方方向向(z)(z)上上既既视视察察不不到到EyEy重重量量，也也不不会会有有EzEz重重量量(横横波波特特性性)，因因此此就就观观测测不不到到M=0M=0相相应应的的偏偏振振谱线。谱线。6.3.5 6.3.5 帕邢帕邢贝克效应贝克效应 J JL LlS SL LS SlB BlB Bl无场无场l弱场弱场l强场强场lM MJ JM ML LM ML L+2M+2MS S3/23/2-1/2-1/2-3/2-3/2-1/2-1/2-1/2-1/2l1 1l0 0l-1,1-1,1l0 0l-1-12 21 10 0-1-1-2-20,+10,+10,-10,-12 2P P3/23/22 2P P1/21/22 2S S1/21/26.3.66.3.6原子能级的超精细结构原子能级的超精细结构能能级级和和谱谱线线的的超超精精细细结结构构是是由由原原子子核核自自旋旋和和原原子子的的角角动动量量相相互互作作用用而而引引起起的的。原原子子核核是是由由质质子子和和中中子子构构成成的的，质质子子和和中中子子一一样样也也都都有有轨轨道道和和自自旋旋角角动动量量，核核内内全全部部质质子子和和中中子子的的自自旋旋与与轨轨道道角角动动量量的的矢矢量量和和就就是是原原子子核核角角动动量量，习习惯惯称称为为原原子子核核的的自自旋旋，以以I I来表示来表示m mP P是是质质子子的的质质量量，g gI I是是核核磁磁g g因因子子。定定义义IZIZ的的最最大大值值作作为为衡量核磁矩大小的量衡量核磁矩大小的量