最新原子物理6在磁场中的原子精品课件.ppt
《最新原子物理6在磁场中的原子精品课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《最新原子物理6在磁场中的原子精品课件.ppt(76页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、 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
2、 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BH
3、LJJ0dtPdLdBdPPJ 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
4、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/ 12D
5、DPPS 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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、(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
17、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
18、,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
19、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
20、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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 最新 原子 物理 磁场 中的 精品 课件
限制150内