原子物理学原子的精细结构电子自旋幻灯片.ppt

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1、原子物理学原子的精细结构电子自旋第1页，共91页，编辑于2022年，星期五3.1.3.1.原子中电子轨道运动的磁矩原子中电子轨道运动的磁矩磁矩的磁矩的经典表示式经典表示式磁矩的量子磁矩的量子表示式表示式角动量取向量子化角动量取向量子化第2页，共91页，编辑于2022年，星期五3.1.1.3.1.1.磁矩的经典表示式磁矩的经典表示式(1)(1)载流线圈的载流线圈的磁矩磁矩电流电流电流所围面积电流所围面积垂直面积的单位矢量垂直面积的单位矢量第3页，共91页，编辑于2022年，星期五3.1.1.3.1.1.磁矩的经典表示式磁矩的经典表示式(2)(2)电子轨道运动的磁矩电子轨道运动的磁矩旋磁比旋磁比,

2、第4页，共91页，编辑于2022年，星期五3.1.1.3.1.1.磁矩的磁矩的经典表示式经典表示式(3)(3)磁矩在磁矩在均匀外场均匀外场中的中的力矩力矩 角动量定理角动量定理第5页，共91页，编辑于2022年，星期五3.1.1.3.1.1.磁矩的经典表示式磁矩的经典表示式(4)(4)拉莫尔近动拉莫尔近动的角速度公式的角速度公式 的大小不变的大小不变,方向绕方向绕 以角以角速度速度 转动转动(近动近动)拉莫尔角速度拉莫尔角速度拉莫尔频率拉莫尔频率第6页，共91页，编辑于2022年，星期五3.1.2.3.1.2.磁矩的量子磁矩的量子表示式表示式电子轨道运动的磁矩电子轨道运动的磁矩玻尔磁子玻尔磁子

3、第7页，共91页，编辑于2022年，星期五3.1.3.3.1.3.角动量取向量子化角动量取向量子化(1)(1)角动量大小量子化角动量大小量子化角动量取向量子化角动量取向量子化 磁矩磁矩大小量子化大小量子化磁矩磁矩取向量子化取向量子化角动量矢量模型角动量矢量模型:形象表示形象表示角动量取向量子化角动量取向量子化第8页，共91页，编辑于2022年，星期五3.1.3.3.1.3.角动量取向量子化角动量取向量子化(2)(2)角动量矢量模型角动量矢量模型:形象表示形象表示角动量取向量子化角动量取向量子化l一定2l+1个ml第9页，共91页，编辑于2022年，星期五3.2.3.2.史特恩史特恩-盖拉赫实验

4、盖拉赫实验实验装置实验装置实验原理实验原理实验分析实验分析实验结果实验结果第10页，共91页，编辑于2022年，星期五3.2.1.3.2.1.实验装置实验装置电炉电炉O:原子气体原子气体;气体过气体过狭缝狭缝S1,S2:原子束原子束;原子束过原子束过磁场区磁场区SN(磁场磁场沿沿z方向方向);到达到达相片相片P:记录记录原子位置原子位置第11页，共91页，编辑于2022年，星期五3.2.2.3.2.2.实验原理实验原理(1)(1)电炉电炉O:氢原子气体氢原子气体温度温度T时时,热平衡速度热平衡速度T=7x104 K Ek=9.0eV 10.2eV(氢第一激发能氢第一激发能)氢原子处于氢原子处于

5、基态基态磁场区磁场区SN(磁场磁场:方向方向z;非均匀非均匀 )原子原子磁矩磁矩 受到受到力力:原子运动原子运动 第12页，共91页，编辑于2022年，星期五3.2.2.3.2.2.实验原理实验原理(2)(2)氢原子位置氢原子位置 z2第13页，共91页，编辑于2022年，星期五3.2.3.3.2.3.实验分析实验分析 一定一定,z非量子化非量子化 z2非量子化非量子化 一定一定,z 量子化量子化 z2 量子化量子化第14页，共91页，编辑于2022年，星期五3.2.4.3.2.4.实验结果实验结果(1)(1)第15页，共91页，编辑于2022年，星期五3.2.4.3.2.4.实验结果实验结果

6、(2)(2)z2 量子化量子化 z 量子化量子化(证实证实角动量取向量子化角动量取向量子化)氢原子处于氢原子处于基态基态l=0 z2=0与实验不符与实验不符,对原子的描述不完全对原子的描述不完全第16页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.电子自旋的假设电子自旋的假设电子自旋假设的提出电子自旋假设的提出朗德朗德 g 因子因子单电子单电子g 因子因子表达式表达式史特恩史特恩 盖拉赫实验的解释盖拉赫实验的解释第17页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.1.3.3.1.电子自旋假设的提出电子自旋假设的提出(1)(1)电子自旋假设电子自旋假设(1)(1)：(乌伦贝克乌伦贝克和和哥

7、德斯密特哥德斯密特在分析在分析史特恩史特恩 盖拉赫实验盖拉赫实验的基础上提出的基础上提出)(1)电子不是一个质点，它存在一种内秉的运动电子不是一个质点，它存在一种内秉的运动 自旋自旋，相应地有相应地有自旋角动量自旋角动量和和自旋磁矩。自旋磁矩。(2)电子电子自旋角动量自旋角动量 S 的大小类似于的大小类似于 “轨道轨道”角动量角动量,为为s=1/2 称为称为自旋量子数自旋量子数 第18页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.1.3.3.1.电子自旋假设的提出电子自旋假设的提出(2)(2)电子自旋假设电子自旋假设(2)(2)(3)电子自旋角动量在空间相对外磁场方向电子自旋角动量在空间相对外

8、磁场方向(z轴轴)的的 取向取向(类似于类似于“轨道轨道”角动量角动量),也是也是 空间量子化空间量子化的：的：称称自旋磁量子数自旋磁量子数(z)0电子在外磁场中的两种自旋运动状电子在外磁场中的两种自旋运动状态，常用图形象化地描述。态，常用图形象化地描述。第19页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.2.3.3.2.朗德朗德 g 因子因子(1)(1)轨道角动量轨道角动量 轨道磁矩轨道磁矩自旋角动量自旋角动量 自旋磁矩自旋磁矩(1)类比类比与实验不符与实验不符第20页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.2.3.3.2.朗德朗德 g 因子因子(2)(2)自旋角动量自旋角动量 自旋磁矩

9、自旋磁矩(2)假设假设与实验相符与实验相符,并可从理论导出并可从理论导出朗德朗德 g 因子因子(1)(1)角动量角动量 j 磁矩磁矩 j第21页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.2.3.3.2.朗德朗德 g 因子因子(3)(3)朗德朗德 g 因子因子(2)(2)第22页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因子因子表达式表达式(1)(1)轨道角动量轨道角动量,自旋角动量自旋角动量 电子电子总角动量总角动量 矢量量子化合成规则矢量量子化合成规则(1)(1)第23页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因子因

10、子表达式表达式(2)(2)矢量量子化合成规则矢量量子化合成规则(2)(2)电子轨道角动量电子轨道角动量和电子自旋角动和电子自旋角动量量 绕电子绕电子总角动总角动旋进旋进第24页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因子因子表达式表达式(3)(3)电子、电子、单电子单电子原子状态原子状态 (1)(1)单电子原子单电子原子:原子状态原子状态=电子状态电子状态 电子状态电子状态：(n,l,ml,ms)或或 (n,l,j,mj)对固对固 n(主壳主壳层层)共有态数共有态数第25页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因子因

11、子表达式表达式(4)(4)电子、电子、单电子单电子原子状态原子状态 (2)(2)考虑考虑自旋自旋后后,单电子单电子原子状态符号原子状态符号：第26页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因子因子表达式表达式(5)(5)轨道轨道磁矩磁矩,自旋自旋磁矩磁矩电子电子总总磁矩磁矩(1)(1)与与 的的方向不一致方向不一致 绕绕旋进旋进绕绕旋进旋进无确定的方向无确定的方向第27页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因子因子表达式表达式(6)(6)轨道轨道磁矩磁矩,自旋自旋磁矩磁矩电子电子总总磁矩磁矩(2)(2)绕绕旋进旋进

12、,对外平均效果抵消对外平均效果抵消沿沿的沿线方向的沿线方向,对外发生作对外发生作用用,定义为定义为电子电子总总磁矩磁矩第28页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因子因子表达式表达式(7)(7)轨道轨道磁矩磁矩,自旋自旋磁矩磁矩电子电子总总磁矩磁矩(3)(3)第29页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因子因子表达式表达式(8)(8)轨道轨道磁矩磁矩,自旋自旋磁矩磁矩电子电子总总磁矩磁矩(4)(4)单电子单电子 g 因子因子第30页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.3.3.单电子单电子 g 因

13、子因子表达式表达式(9)(9)推导推导单电子单电子 g 因子因子表达式的两个假定表达式的两个假定L-S耦合耦合:S与与L耦合成耦合成J,S与与L绕绕J J 旋进旋进.要求无外磁要求无外磁场场;或外磁场较弱或外磁场较弱,此时此时J 绕外磁场旋绕外磁场旋 进进.外磁场较强时外磁场较强时,S与与L绕绕外磁场旋外磁场旋 进进,L-S耦合不成立耦合不成立只考虑只考虑单电子原子单电子原子.多单电子原子多单电子原子g因子因子:原子自旋原子自旋,原子轨道原子轨道和和原子总角动量原子总角动量原子自旋原子自旋,轨道轨道和和总角动量总角动量由所有电子相应量由所有电子相应量耦合成耦合成第31页，共91页，编辑于202

14、2年，星期五3.3.4.3.3.4.史特恩史特恩 盖拉赫实验的解释盖拉赫实验的解释(1)(1)第32页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.4.3.3.4.史特恩史特恩 盖拉赫实验的解释盖拉赫实验的解释(2)(2)l=0 z2=0氢原子处于氢原子处于基态基态,仅考虑轨道角动量仅考虑轨道角动量,轨道轨道磁矩磁矩第33页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.4.3.3.4.史特恩史特恩 盖拉赫实验的解释盖拉赫实验的解释(3)(3)Z2Z2 0,理论与实验不符理论与实验不符第34页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.4.3.3.4.史特恩史特恩 盖拉赫实验的解释盖拉赫实验的解释(

15、4)(4)氢原子处于氢原子处于基态基态,考虑轨道及考虑轨道及自旋自旋角动量角动量第35页，共91页，编辑于2022年，星期五3.3.4.3.3.4.史特恩史特恩 盖拉赫实验的解释盖拉赫实验的解释(5)(5)实验值实验值:理论值理论值:理论与实验符合理论与实验符合史特恩史特恩 盖拉赫实验证明盖拉赫实验证明:空间量子化空间量子化电子自旋假设电子自旋假设电子自旋磁矩电子自旋磁矩第36页，共91页，编辑于2022年，星期五3.4.3.4.碱金属原子的双线碱金属原子的双线碱金属谱线的精细结构碱金属谱线的精细结构:定性考虑定性考虑自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考精细结构的定量考虑虑第3

16、7页，共91页，编辑于2022年，星期五3.4.1.3.4.1.碱金属谱线的精细结构碱金属谱线的精细结构:定性考虑定性考虑(1)(1)碱金属原子的碱金属原子的四个谱线系四个谱线系主线系：主线系：nP 2S锐线系：锐线系：nS 2P（第二辅（第二辅线系线系）漫线系：漫线系：nD 2P（第一辅（第一辅线系线系）基线系：基线系：nF 3D（柏格蔓线系柏格蔓线系）波数波数表为表为光光谱项之之差差定项定项：末态：末态动项动项：初态：初态第38页，共91页，编辑于2022年，星期五3.4.1.3.4.1.碱金属谱线的精细结构碱金属谱线的精细结构:定性考虑定性考虑(2)(2)光光谱线的的精精细结构构仔细仔细

17、观察察发现，每条光每条光谱线不不是是简单的一条的一条线，而是，而是二条二条或或三条三条线主线系主线系锐线系锐线系第39页，共91页，编辑于2022年，星期五理解理解碱金属原子的双线碱金属原子的双线一条一条线分裂成分裂成二条二条 初态初态分裂分裂,或或末末态态分裂分裂谱线系谱线系:末态末态固定固定,初态初态变动变动3.4.1.3.4.1.碱金属谱线的精细结构碱金属谱线的精细结构:定性考虑定性考虑(3)(3)谱系中谱系中,谱线分裂间距变动谱线分裂间距变动主线系主线系分裂分裂谱系中谱系中,谱线分裂间距固定谱线分裂间距固定锐线系锐线系分裂分裂nP 2S nS 2P 第40页，共91页，编辑于2022年

18、，星期五电子自旋电子自旋-轨道相互作用轨道相互作用产生光谱精细结构产生光谱精细结构(1)(1)3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(1)(1)+Zexyz+Z*ev,ilB-e-exyzvi碱金属原子中，在以碱金属原子中，在以电子子为静止的坐静止的坐标系系中，中，原子原子实速度速度v 绕电子子作作圆周运周运动，电子子处于由原子于由原子实产生生的的电流流磁磁场B中中.价电子有自旋和自旋磁矩价电子有自旋和自旋磁矩 s.电子静止电子静止原子原子实动动Z*e原子原子实静止静止电子运动电子运动第41页，共91页，编辑于2022年，星期五3.4.2.自旋自旋

19、-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(2)(2)电子自旋电子自旋-轨道相互作用轨道相互作用产生光谱精细结构产生光谱精细结构(2)(2)由由电磁学电磁学知道：价电子的自旋磁矩知道：价电子的自旋磁矩 s 在在原子原子实产 生的生的电流流磁磁场 B 中中有有磁能磁能 i第42页，共91页，编辑于2022年，星期五3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(3)(3)自旋磁矩自旋磁矩 s 在在原子原子实电流流磁磁场 B 中中的的磁能磁能(1)毕奥奥-萨伐伐尔定律定律 原子原子实作用于价作用于价电子的子的磁磁场Z*er-e-v电子子轨

20、道角道角动量量电子子静止能量静止能量第43页，共91页，编辑于2022年，星期五3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(4)(4)自旋磁矩自旋磁矩 s 在在原子原子实电流流磁磁场 B 中中的的磁能磁能(2)价电子的价电子的自旋磁矩自旋磁矩 s 在在B 中中有有磁能磁能(1)相对论修正相对论修正第44页，共91页，编辑于2022年，星期五自旋磁矩自旋磁矩 s 在在原子原子实电流流磁磁场 B 中中的的磁能磁能(3)s 在在B 中中有有磁能磁能(2)3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(5)(5)自旋自旋

21、轨道耦合道耦合能能磁矩磁矩磁磁场第45页，共91页，编辑于2022年，星期五氢原子氢原子自旋自旋 轨道耦合道耦合能能数量级的估计数量级的估计3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(6)(6)实验分裂实验分裂数量级数量级第46页，共91页，编辑于2022年，星期五氢原子氢原子自旋自旋 轨道耦合道耦合能能的计算的计算(1)3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(7)(7)第47页，共91页，编辑于2022年，星期五氢原子氢原子自旋自旋 轨道耦合道耦合能能的计算的计算(2)3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨

22、道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(8)(8)第48页，共91页，编辑于2022年，星期五氢原子氢原子自旋自旋 轨道耦合道耦合能能的计算的计算(3)3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(9)(9)第49页，共91页，编辑于2022年，星期五氢原子氢原子自旋自旋 轨道耦合道耦合能能的计算的计算(4)3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(10)(10)静电相互作用静电相互作用 能级能级粗结构粗结构 自旋自旋 轨道耦合道耦合能能能级能级精细结构精细结构精细结构常数精细结构常数第50页，共91

23、页，编辑于2022年，星期五氢原子氢原子 2P 态分裂态分裂3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(11)(11)与实验一致与实验一致第51页，共91页，编辑于2022年，星期五双线分裂规律双线分裂规律3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(12)(12)与实验一致与实验一致分裂随分裂随 n 增大而减少增大而减少分裂随分裂随 l 增大而减少增大而减少分裂随分裂随 Z*增大而增大增大而增大第52页，共91页，编辑于2022年，星期五钠原子钠原子黄色双线黄色双线3.4.2.自旋自旋-轨道相互作用轨道相互作用

24、:精细结构的定量考虑精细结构的定量考虑(13)(13)氢原子氢原子 2P 态分裂态分裂高分辨率谱仪高分辨率谱仪才能观察才能观察钠原子钠原子黄色双线黄色双线易观察易观察第53页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.5.塞曼效应塞曼效应正常正常塞曼效应塞曼效应塞曼谱线偏振特性塞曼谱线偏振特性反反常常塞曼效应塞曼效应格罗春图格罗春图第54页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.1.3.5.1.正常塞曼效应正常塞曼效应(1)(1)正常塞曼效正常塞曼效应的的观察观察 处于于磁磁场中的中的总自旋为零总自旋为零的的原原 子所子所发出的出的每一条光每一条光谱线都将都将分裂分裂为三条三条,彼此彼

25、此间隔相等间隔相等.镉原子镉原子无无 B观察观察等间隔等间隔分裂分裂原位原位第55页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.1.3.5.1.正常塞曼效应正常塞曼效应(2)(2)正常正常塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释(1)(1)原子具有原子具有磁矩磁矩加加磁场磁场 B(沿沿 Z 方向方向)后后磁矩磁矩 在在磁磁场 B 中中具有具有磁能磁能无无磁磁场,原子原子在两能级在两能级E2和和E1之间之间跃迁跃迁,发射发射光子光子第56页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.1.3.5.1.正常塞曼效应正常塞曼效应(3)(3)正常正常塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释(2)(2)无无磁磁场

26、,原子原子在两能级在两能级E2和和E1之间之间跃迁跃迁,发射发射光子光子加加磁场磁场 B,跃迁跃迁发射发射光子光子加加磁场磁场 B原原子子总自旋为零总自旋为零 第57页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.1.3.5.1.正常塞曼效应正常塞曼效应(4)(4)正常正常塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释(3)(3)加加磁场磁场 B,跃迁跃迁发射发射光子光子选择定则选择定则加磁场加磁场,一条一条谱线分分 裂成了裂成了三三条条谱线,彼此彼此间隔间隔()相等相等正常塞曼效正常塞曼效应得到了得到了圆满解解释。第58页，共91页，编辑于2022年，星期五例：例：镉原子镉原子 S=0(1)无无磁磁场加

27、加磁磁场分分裂裂五五条条分分裂裂三三条条九条跃迁九条跃迁三种能量三种能量三条谱线三条谱线第59页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.1.3.5.1.正常塞曼效应正常塞曼效应(6)(6)正常正常塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释(5)(5)例：例：镉原子镉原子 S=0(2)九条跃迁九条跃迁,三种能量三种能量(频率频率)洛洛伦伦兹兹单单位位洛伦兹单位洛伦兹单位 拉莫尔近动频率拉莫尔近动频率拉莫尔近动角速度拉莫尔近动角速度第60页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.1.3.5.1.正常塞曼效应正常塞曼效应(7)(7)正常正常塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释(6)(6)洛伦兹单位

28、洛伦兹单位 拉莫尔近动频率拉莫尔近动频率外加一个特斯拉外加一个特斯拉 B 14GHz分裂分裂第61页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.1.3.5.1.正常塞曼效应正常塞曼效应(8)(8)正常正常塞曼效应塞曼效应 电子荷质比电子荷质比正常正常塞曼效应塞曼效应,分裂能量间隔分裂能量间隔测量测量已知已知与其他测量一致与其他测量一致第62页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.2.3.5.2.塞曼谱线偏振特性塞曼谱线偏振特性(1)(1)塞曼谱线偏振特性的观察塞曼谱线偏振特性的观察/B 观察观察,圆偏振圆偏振观察观察,线偏振线偏振镉原子镉原子分裂分裂 电矢量平行于磁场的电矢量平行于磁场的

29、偏振偏振电矢量垂直于磁场的电矢量垂直于磁场的偏振偏振 m=-1 0 +1 m=-1 +1 -+-右旋右旋圆圆偏振光偏振光+左旋左旋圆圆偏振光偏振光第63页，共91页，编辑于2022年，星期五观察观察,线偏振线偏振/B 观察观察,圆偏振圆偏振 m-1 0 +1 m -1 +1 -+第64页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.2.3.5.2.塞曼谱线偏振特性塞曼谱线偏振特性(2)(2)塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱线偏振特性的理论解释(1)(1)圆圆偏振光偏振光 电磁波电磁波:z z方向传播方向传播;电场矢量电场矢量:xy平面平面,电场分解电场分解右旋右旋圆圆偏振光偏振光 沿沿z 轴对准

30、光传播方向观察轴对准光传播方向观察,电矢量电矢量顺时顺时转动转动左旋左旋圆圆偏振光偏振光 沿沿z 轴对准光传播方向观察轴对准光传播方向观察,电矢量电矢量逆时逆时转动转动圆圆偏振偏振线线偏振偏振第65页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.2.3.5.2.塞曼谱线偏振特性塞曼谱线偏振特性(3)(3)塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱线偏振特性的理论解释(2)(2)光的角动量方向光的角动量方向与与电矢量电矢量旋旋转转方向方向成成右手螺旋关系右手螺旋关系第66页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.2.3.5.2.塞曼谱线偏振特性塞曼谱线偏振特性(4)(4)塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱

31、线偏振特性的理论解释(3)(3)光子光子有有角动量角动量 j=1=1原子原子和和发出的光子发出的光子作为整体作为整体角动量守恒角动量守恒角动量守恒角动量守恒解释了塞曼谱线偏振解释了塞曼谱线偏振(1)(1)跃迁跃迁原子末态：原子末态：m 少少 1光子光子：m=1光子角动量光子角动量 j=1=1角动量守恒角动量守恒光子光子角动量角动量沿沿 z 轴轴右手螺旋关系右手螺旋关系沿沿 z 轴看轴看,左左旋旋圆圆偏振光偏振光光振动光振动沿沿x轴轴,y 轴轴;沿沿 x 轴看轴看,沿沿y轴轴线线偏振偏振光光光是横波光是横波第67页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.2.3.5.2.塞曼谱线偏振特性塞曼谱

32、线偏振特性(5)(5)塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱线偏振特性的理论解释(4)(4)角动量守恒角动量守恒解释了塞曼谱线偏振解释了塞曼谱线偏振(2)(2)跃迁跃迁原子末态：原子末态：m 多多 1光子光子：m=-1光子角动量光子角动量 j=1=1角动量守恒角动量守恒光子光子角动量角动量沿沿-z 轴轴右手螺旋关系右手螺旋关系沿沿 z 轴看轴看,右右旋旋圆圆偏振光偏振光光振动光振动沿沿x轴轴,y 轴轴;沿沿 x 轴看轴看,沿沿y轴的轴的线线偏振偏振光光光是横波光是横波第68页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.2.3.5.2.塞曼谱线偏振特性塞曼谱线偏振特性(6)(6)塞曼谱线偏振特性的理论

33、解释塞曼谱线偏振特性的理论解释(5)(5)角动量守恒角动量守恒解释了塞曼谱线偏振解释了塞曼谱线偏振(3)(3)跃迁跃迁原子末态：原子末态：m 不变不变光子光子：m=0光子角动量光子角动量 j=1=1角动量守恒角动量守恒光子光子角动量角动量沿沿 xy 平面任一方向平面任一方向右手螺旋关系右手螺旋关系沿沿 z 轴看轴看,无光无光(合成合成)?)?沿沿 x 轴看轴看,沿沿 z 轴轴的的线线偏振偏振光光光是横波光是横波光振动光振动沿沿z 轴轴,xy 平面任一方向平面任一方向第69页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(1)(1)反反常塞曼效常塞曼效应的的

34、观察观察原子在弱磁原子在弱磁场作用下，作用下，光光谱线发生生分裂分裂，分裂数分裂数目不一定是三条目不一定是三条。钠原子钠原子无无B观察观察第70页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(2)(2)反常反常塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释(1)(1)原子具有原子具有磁矩磁矩加加磁场磁场 B(沿沿 z 方向方向)后后磁矩磁矩 在在磁磁场 B 中中具有具有磁能磁能无无磁磁场,原子原子在两能级在两能级E2和和E1之间之间跃迁跃迁,发射发射光子光子第71页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(3)(3)反常

35、反常塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释(2)(2)无无磁磁场,原子原子在两能级在两能级E2和和E1之间之间跃迁跃迁,发射发射光子光子加加磁场磁场 B,跃迁跃迁发射发射光子光子加加磁场磁场 B第72页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(4)(4)反常反常塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释(3)(3)钠原子钠原子选择定则选择定则第73页，共91页，编辑于2022年，星期五第74页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(6)(6)反常塞曼谱线偏振特性的观察反常塞曼谱线偏振特性的观察钠原子钠原子无无B观

36、察观察,线偏振线偏振/B观察观察,圆偏振圆偏振 m -1 +1 m -1 0 0+1 m -1-1 0 0+1+1 m -1-1 +1+1 第75页，共91页，编辑于2022年，星期五观察观察,线偏振线偏振/B 观察观察,圆偏振圆偏振 m -1 +1 m -1 0 0+1 第76页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(8)(8)反反常常塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱线偏振特性的理论解释(1)(1)圆圆偏振光偏振光 电磁波电磁波:z z方向传播方向传播;电场矢量电场矢量:xy平面平面,电场分解电场分解右旋右旋圆圆偏振光偏振光 沿沿z 轴对准光传播

37、方向观察轴对准光传播方向观察,电矢量电矢量顺时顺时转动转动左旋左旋圆圆偏振光偏振光 沿沿z 轴对准光传播方向观察轴对准光传播方向观察,电矢量电矢量逆时逆时转动转动圆圆偏振偏振线线偏振偏振第77页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(9)(9)反反常常塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱线偏振特性的理论解释(2)(2)光的角动量方向光的角动量方向与与电矢量电矢量旋旋转转方向方向成成右手螺旋关系右手螺旋关系第78页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(10)(10)反反常常塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱线

38、偏振特性的理论解释(3)(3)光子光子有有角动量角动量 j=1=1原子原子和和发出的光子发出的光子作为整体作为整体角动量守恒角动量守恒角动量守恒角动量守恒解释了反解释了反常常塞曼谱线偏振塞曼谱线偏振(1)(1)跃迁跃迁原子末态：原子末态：m 少少 1光子光子：m=1光子角动量光子角动量 j=1=1角动量守恒角动量守恒光子光子角动量角动量沿沿 z 轴轴右手螺旋关系右手螺旋关系沿沿 z 轴看轴看,左左旋旋圆圆偏振光偏振光光振动光振动沿沿x轴轴,y 轴轴;沿沿 x 轴看轴看,沿沿y轴轴线线偏振偏振光光光是横波光是横波第79页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应

39、塞曼效应(11)(11)反反常常塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱线偏振特性的理论解释(4)(4)角动量守恒角动量守恒解释了反解释了反常常塞曼谱线偏振塞曼谱线偏振(2)(2)跃迁跃迁原子末态：原子末态：m 多多 1光子光子：m=-1光子角动量光子角动量 j=1=1角动量守恒角动量守恒光子光子角动量角动量沿沿-z 轴轴右手螺旋关系右手螺旋关系沿沿 z 轴看轴看,右右旋旋圆圆偏振光偏振光光振动光振动沿沿x轴轴,y 轴轴;沿沿 x 轴看轴看,沿沿y轴的轴的线线偏振偏振光光光是横波光是横波第80页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.3.3.5.3.反反常常塞曼效应塞曼效应(12)(12)反反常常

40、塞曼谱线偏振特性的理论解释塞曼谱线偏振特性的理论解释(5)(5)角动量守恒角动量守恒解释了反解释了反常常塞曼谱线偏振塞曼谱线偏振(3)(3)跃迁跃迁原子末态：原子末态：m 不变不变光子光子：m=0光子角动量光子角动量 j=1=1角动量守恒角动量守恒光子光子角动量角动量沿沿 xy 平面任一方向平面任一方向右手螺旋关系右手螺旋关系沿沿 z 轴看轴看,无光无光(合成合成)沿沿 x 轴看轴看,沿沿 z 轴轴的的线线偏振偏振光光光是横波光是横波光振动光振动沿沿z 轴轴,xy 平面任一方向平面任一方向第81页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.4.3.5.4.格罗春图格罗春图(1)(1)格罗春图格

41、罗春图:简便计算简便计算塞曼效应塞曼效应能级能级分裂分裂的方法的方法例：例：镉原子镉原子把有关数值排成下表把有关数值排成下表跃迁跃迁跃迁跃迁九条九条跃迁跃迁三条能级三条能级跃迁跃迁第82页，共91页，编辑于2022年，星期五九条九条跃迁跃迁三条能级三条能级第83页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.4.3.5.4.格罗春图格罗春图(2)(2)例：例：钠原子钠原子把有关数值排成下表把有关数值排成下表跃迁跃迁跃迁跃迁六条六条跃迁跃迁六条能级六条能级跃迁跃迁第84页，共91页，编辑于2022年，星期五3.5.4.3.5.4.格罗春图格罗春图(3)(3)例：例：钠原子钠原子把有关数值排成下表把

42、有关数值排成下表跃迁跃迁跃迁跃迁四条四条跃迁跃迁四条能级四条能级跃迁跃迁第85页，共91页，编辑于2022年，星期五第86页，共91页，编辑于2022年，星期五3.6.3.6.氢原子光谱的精细结构氢原子光谱的精细结构(1)(1)玻尔能级玻尔能级(1913):考虑电子与核的静电相互作用考虑电子与核的静电相互作用;索末菲索末菲（1916）考虑椭圆轨道及电子的相对论效应考虑椭圆轨道及电子的相对论效应 解释了解释了巴尔末系巴尔末系与与精密实验符合精密实验符合第87页，共91页，编辑于2022年，星期五3.6.3.6.氢原子光谱的精细结构氢原子光谱的精细结构(2)(2)海森堡海森堡(1926):):考虑

43、电子的相对论效应，用严格的量子力学导出考虑电子的相对论效应，用严格的量子力学导出狄拉克狄拉克 (1928)(1)1928)(1)相对论相对论量子力学中量子力学中,引入电子自旋引入电子自旋与实验不符与实验不符与与索末菲一致索末菲一致(k j+1/2),),与与实验相符实验相符 第88页，共91页，编辑于2022年，星期五3.6.3.6.氢原子光谱的精细结构氢原子光谱的精细结构(3)(3)狄拉克狄拉克 (1928)(2)1928)(2)索末菲与实验相符索末菲与实验相符,纯属巧合纯属巧合,最值得庆贺的失败最值得庆贺的失败(因引入因引入精细结构常数精细结构常数)j,n一定一定,能级对能级对l 简并简并兰姆位移兰姆位移(1974)(1974)实验观察实验观察:与与简并简并与与简并简并与与简并简并与与不简并不简并量子电动力学量子电动力学给予解释给予解释第89页，共91页，编辑于2022年，星期五氢原子氢原子n=3能级的演变能级的演变第90页，共91页，编辑于2022年，星期五3.6.3.6.氢原子光谱的精细结构氢原子光谱的精细结构(5)(5)H(n=3n=2)线的线的精细结构精细结构第91页，共91页，编辑于2022年，星期五