原子物理在磁场中的原子幻灯片.ppt

《原子物理在磁场中的原子幻灯片.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原子物理在磁场中的原子幻灯片.ppt（75页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、原子物理在磁场中的原子第1页，共75页，编辑于2022年，星期五 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轨道磁矩：轨道磁矩：自旋磁矩：自旋磁矩：第2页，共75页，编辑于2022年，星期五磁矩和角动量的比值磁矩和角动量的比值为：为：其中其中 和和 分别是轨道和自旋分别是轨道和自旋 g 因子。因子。第3页，共75页，编辑于2022年，星期五 引引入入 g 因因子子之之后后，任任意意角角动动量量对对应应的的磁磁矩矩 可以统一表示为：可以统一表示为：量量子子数数j取取定定后后，mj=j,j-1,-j，共共2j+1个个值。取值。取j=l,s就可以分别得到轨道和自旋磁矩。

2、就可以分别得到轨道和自旋磁矩。第4页，共75页，编辑于2022年，星期五单电子原子的总磁矩，以及其分量的表达式单电子原子的总磁矩，以及其分量的表达式:第5页，共75页，编辑于2022年，星期五jlspspjpl第6页，共75页，编辑于2022年，星期五由于由于 ，所以，所以 不可能共线。不可能共线。在在外外磁磁场场不不太太强强时时，pl、ps分分别别绕绕pj旋旋进进，所所以以相应的相应的 合成的合成的 绕绕-pj方向旋进。方向旋进。我我们们可可以以将将 沿沿pj方方向向和和垂垂直直于于pj方方向向分分解解，在在 的的旋旋进进过过程程中中，垂垂直直于于pj方方向向的的分分量量绕绕着着pj转转动动

3、，对对外外总总效效果果为为0，对对外外发发生生效效果果的的是是沿沿pj方方向向的的分分量量 ，它它的方向保持不变，的方向保持不变，就是原子的总磁矩。就是原子的总磁矩。第7页，共75页，编辑于2022年，星期五计算计算 ：又又第8页，共75页，编辑于2022年，星期五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,第9页，共75页，编辑于2022年，星期五 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。二、多电子原子的磁矩二、多电子原子的磁矩（1）LS耦合耦合（2）Jj耦合耦合第10页，共75页，编辑于2022年，星期五例如：例如：氢原子

4、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可以求得可以求得而而所以所以从而从而第11页，共75页，编辑于2022年，星期五6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用 在在外外磁磁场场B中中，原原子子磁磁矩矩 受受磁磁场场力力矩矩的的作作用，绕用，绕B连续进动的现象。连续进动的现象。一、拉莫尔旋进一、拉莫尔旋进第12页，共75页，编辑于2022年，星期五dBdPPJ JPJ绕磁场旋进示意图绕磁场旋进示意图dBdPPJ J第13页，共75页，编辑于2022年，星期五旋进频率：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得得但但所以所以称为旋磁比。称

5、为旋磁比。第14页，共75页，编辑于2022年，星期五二、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磁量子数：磁量子数：共共2J+1个个第15页，共75页，编辑于2022年，星期五洛仑兹单位：洛仑兹单位：光谱项差：光谱项差：第16页，共75页，编辑于2022年，星期五 3、分分裂裂后后的的两两相相邻邻磁磁能能级级的的间间隔隔都都等等于于gBB，即即由由同同一一能能级级分分裂裂出出来来的的诸诸磁磁能能级级的的间间隔隔都都相相等等，但但从从不不同同的的能能级级分分裂裂出出来来的的磁磁能能级级的的间间隔隔彼彼此此不不一一定相等，因为定相等，因为g因子不同。因子不同。1、原原子子在在磁磁场场

6、中中所所获获得得的的附附加加能能量量与与B成成正正比；比；结论结论:2、因因为为M取取(2J+1)个个可可能能值值，因因此此无无磁磁场场时时的的原子的一个能级，在磁场中分为原子的一个能级，在磁场中分为(2J+1)个子能级。个子能级。第17页，共75页，编辑于2022年，星期五几种双重态的几种双重态的g因子和因子和Mg值值 gMg212/31/3 4/32/3,6/34/52/5,6/56/53/5,9/5,15/5第18页，共75页，编辑于2022年，星期五无磁场无磁场有磁场有磁场M 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

7、况第19页，共75页，编辑于2022年，星期五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：需需要要指指出出的的是是：只只有有外外加加磁磁场场B较较弱弱时时上上述述讨讨论论才才正正确确。因因为为只只有有在在这这一一条条件件下下，原原子子内内的的旋旋轨轨相相互互作作用用才才不不至至于于被被磁磁场场所所破破坏坏，S和和 L才才能能合合成成总总磁磁矩矩，且且 绕绕PJ旋旋转转很很快快，以以至至于于对对外外加加磁磁场场而而言言，有有效效磁磁矩矩仅仅为为 在在PJ方方向向的的投投影影 J。在在弱弱磁磁场场B中中原原子所获得的附加能量才为子所获得的附加能量才为 。第20页，共75页，编辑

8、于2022年，星期五 如如果果磁磁场场B加加强强到到一一定定程程度度，超超过过原原子子内内部部旋旋轨轨作作用用，使使PJ在在磁磁场场中中旋旋转转的的频频率率远远小小于于PL和和PS分分别别绕绕磁磁场场旋旋转转的的频频率率，以以至至于于在在磁磁场场中中可可以以认认为为PL和和PS的的耦耦合合被被破破坏坏，磁磁场场的的作作用用就就使使得得PL和和PS分分别别在在磁磁场场中中很很快快旋旋转转。这这时时原原子子在在磁磁场场中中的的附附加加能能量量主主要要由由 L和和 S在在磁磁场场中中的的能能量量来来决决定定，即即附附加加能能量量由由 和和 之和来确定。之和来确定。第21页，共75页，编辑于2022年

9、，星期五第22页，共75页，编辑于2022年，星期五 由于旋轨作用被破坏，在强磁场中原子能级应表为：由于旋轨作用被破坏，在强磁场中原子能级应表为：即即在在强强磁磁场场中中的的附附加加能能量量 的的值值由由ML和和MS的的组组合合决决定定，L一一定定时时ML有有（2L+1）个个可可能能值值，MS有有（2S+1）个个可可能能值值，组组合合结结果果使使附附加加能能量量有有若若干干个个可可能能值值，因因此此磁磁场场中中每每一一个个能能级级将将分分裂裂为为若若干干个个子子能级，在这些子能级间的跃迁要符合选择定则：能级，在这些子能级间的跃迁要符合选择定则：第23页，共75页，编辑于2022年，星期五第24

10、页，共75页，编辑于2022年，星期五第25页，共75页，编辑于2022年，星期五 6.3 史特恩史特恩-盖拉赫实验的结果盖拉赫实验的结果 1、非非均均匀匀磁磁场场中中，原原子子束束会会发发生生分分裂裂，分分裂裂的的条数为条数为(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第26页，共75页，编辑于2022年，星期五第27页，共75页，编辑于2022年，星期五无磁场无磁场有磁场有磁场NS第28页，共75页，编辑于2022年，星期五史特恩史特恩-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,K

11、Cu,Ag,AuTlO22/33/23/2 0 00第29页，共75页，编辑于2022年，星期五 固固体体在在恒恒定定磁磁场场和和高高频频交交变变电电磁磁场场的的共共同同作作用用下下，在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收现象。在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收现象。若若产产生生磁磁共共振振的的磁磁矩矩是是顺顺磁磁体体中中的的原原子子（或或离离子子）磁磁矩矩，则则称称为为顺顺磁磁共共振振；若若磁磁矩矩是是原原子子核核的的自自旋旋磁磁矩矩，则则称称为为核核磁磁共共振振。若若磁磁矩矩为为铁铁磁磁体体中中的的电电子自旋磁矩，则称为子自旋磁矩，则称为铁磁共振铁磁共振。6.4 顺磁共振和核磁共振

12、顺磁共振和核磁共振一、磁共振一、磁共振第30页，共75页，编辑于2022年，星期五 电电 子子 顺顺 磁磁 共共 振振（electron paramagnanetic resonance，EPR）是是由由不不配配对对电电子子的的磁磁矩矩发发源源的的一一种种磁磁共共振振技技术术，可可用用于于从从定定性性和和定定量量方方面面检检测测物物质质原原子子或或分分子子中中所所含含的的不不配配对对电电子子，并并探探索索其其周周围围环环境境的的结结构构特特性性。对对自自由由基基而而言言，轨轨道道磁磁矩矩几几乎乎不不起起作作用用，总总磁磁矩矩的的绝绝大大部部分分（99以以上上）的的贡贡献献来来自自电电子子自自旋

13、旋，所所以以电电子子顺顺磁磁共共振振亦亦称称“电电子子自自旋旋共共振振”（ESR）。）。二、顺磁共振二、顺磁共振第31页，共75页，编辑于2022年，星期五 顺顺磁磁性性原原子子(即即具具有有磁磁矩矩的的原原子子)置置于于磁磁场场中中，其其能能级级分分裂裂为为(2J+1)层层，如如果果在在原原子子所所在在的的稳稳定定磁磁场场区区域域又又叠叠加加一一个个与与稳稳定定磁磁场场相相垂垂直直的的交交变变磁磁场场，并并且且调调整整交交变变磁磁场的频率使场的频率使hv满足满足则则原原子子将将在在两两临临近近的的磁磁能能级级之之间间发发生生跃跃迁迁，可可通通过过仪仪器器探探测出来。测出来。第32页，共75页

14、，编辑于2022年，星期五 电电子子顺顺磁磁共共振振首首先先是是由由前前苏苏联联物物理理学学家家 EK扎扎沃沃伊伊斯斯基基于于1944年年从从MnCl2、CuCl2等等顺顺磁磁性性盐盐类类发发现现的的。物物理理学学家家最最初初用用这这种种技技术术研研究究某某些些复复杂杂原原子子的的电电子子结结构构、晶晶体体结结构构、偶偶极极距距及及分分子子结结构构等等问问题题。以以后后化化学学家家根根据据电电子子顺顺磁磁共共振振测测量量结结果果，阐阐明明了了复复杂杂的的有有机机化化合合物物中中的的化化学学键键和和电电子子密密度度分分布布以以及及与与反反应应机机理理有有关关的的许许多多问问题。题。美美国国的的B

15、康康芒芒纳纳等等人人于于1954年年首首次次将将电电子子顺顺磁磁共共振振技技术术引引入入生生物物学学的的领领域域之之中中，他他们们在在一一些些植植物物与与动动物物材材料料中中观观察察到到有有自自由由基存在。基存在。20世世纪纪60年年代代以以来来，由由于于仪仪器器不不断断改改进进和和技技术术不不断断创创新新，电电子子顺顺磁磁共共振振技技术术至至今今已已在在物物理理学学、半半导导体体、有有机机化化学学、络络合合物物化化学学、辐辐射射化化学学、化化工工、海海洋洋化化学学、催催化化剂剂、生生物物学学、生生物物化化学学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。医学、环境科学、地质探矿等许多

16、领域内得到广泛的应用。第33页，共75页，编辑于2022年，星期五 （1）提提供供必必要要的的共共振振频频率率的的电电磁磁波波发发生生器器速速调管调管(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）可可使使样样品品处处于于磁磁场场和和电电磁磁波波都都合合适适的的方方向向的的样样品品腔腔(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第34页，共75页，编辑于2022年，星期五C 微波谐振腔，微波谐振腔，放置顺磁性物放置顺磁性物质质G 电磁波发生电

17、磁波发生器，发出的电器，发出的电磁波经波导送磁波经波导送入谐振腔入谐振腔D 探测器探测器R 记录器记录器第35页，共75页，编辑于2022年，星期五第36页，共75页，编辑于2022年，星期五第37页，共75页，编辑于2022年，星期五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。第38页，共75页，编辑于2022年，星期五 对

18、对于于 的的原原子子束束或或 ，但但构构成成分分子子时时，整整个个分分子子的的磁磁矩矩为为零零，这这样样的的原原子子束束或或分分子子束束在在外外磁磁场场作作用用下下，将将产生由核磁矩产生由核磁矩 引起的磁能级。引起的磁能级。gI 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)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第39页，共75页，编辑于2022年，星期五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。这称为核磁共振。将发生核的磁能级之间的共振吸收。这称为核磁共振。

19、若已知若已知H和和N，则可求出，则可求出gI和和 I。第40页，共75页，编辑于2022年，星期五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”第41页，共75页，编辑于2022年，星期五 核核磁磁共共振振成成像像：是是将将人人体体置置于于特特殊殊的的磁磁场场中中，用用无无线线电电射射频频脉脉冲冲激激发发人人体体内内氢氢原原子子核核，引引起起氢氢原原子子核核共共振振，并并吸吸收收能能量量。在在停停止止射射频频脉脉冲冲后后，氢氢原原子子核核按按特特定定频频率率发发出出射射电电信信号号，并并将将吸吸收收的的能能量量释释放放出出来来，被被体体外外的

20、的接接受受器器收收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。它它对对疾疾病病的的诊诊断断具具有有很很大大的的潜潜在在优优越越性性。它它可可以以直直接接作作出出横横断断面面、矢矢状状面面、冠冠状状面面和和各各种种斜斜面面的的体体层层图图像像，不不会会产产生生CT检检测测中中的的伪伪影影；不不需需注注射射造造影影剂剂；无无电电离离辐辐射射，对对机机体体没没有有不不良良影影响响。MR对对检检测测脑脑内内血血肿肿、脑脑外外血血肿肿、脑脑肿肿瘤瘤、颅颅内内动动脉脉瘤瘤、动动静静脉脉血血管管畸畸形形、脑脑缺缺血血、椎椎管管内内肿肿瘤瘤、脊脊髓髓

21、空空洞洞症症和和脊脊髓髓积积水水等等颅颅脑脑常常见见疾疾病病非非常常有有效效，同同时时对对腰腰椎椎椎椎间间盘后突、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。盘后突、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。第42页，共75页，编辑于2022年，星期五EPR和和NMR的区别：的区别：(1)EPR是是研研究究电电子子磁磁矩矩与与外外磁磁场场的的相相互互作作用用，即即通通常常认认为为是是电电子子塞塞曼曼效效应应引引起起的的，而而NMR是是研研究究核核在在外外磁磁场场中中核核塞塞曼曼能能级级间间的的跃跃迁迁。换换言言之之，EPR和和NMR是是分分别别研研究究电电子子磁磁矩矩和和核核磁磁矩矩在在外外磁场中重新取向所需的能量

22、。磁场中重新取向所需的能量。(2)EPR的的共共振振频频率率在在微微波波波波段段(频频率率为为300MHz-300GHz即即波波长长在在1米米到到1毫毫米米之之间间的的电电磁磁波波，通通常常也也称称为为“超超高高频频电电磁磁波波”)，NMR的的共共振振频频率率在在射射频频波波段段(频频率率范范围围从从300KHz30GHz之之间间)。(3)EPR的的灵灵敏敏度度比比NMR的的灵灵敏敏度度高高，EPR检检出出所所需需自自由由基基的的绝绝对浓度约对浓度约10-8M数量级。数量级。(4)EPR和和NMR仪仪器器结结构构上上的的差差别别：前前者者是是恒恒定定频频率率，采采取取扫扫场场法法，后者是恒定磁

23、场，采取扫频法。后者是恒定磁场，采取扫频法。第43页，共75页，编辑于2022年，星期五6.5 塞曼效应塞曼效应 1896年年开开始始荷荷兰兰物物理理学学家家塞塞曼曼（P.Zeeman)逐逐步步发发现现，当当光光源源放放在在足足够够强强的的磁磁场场中中时时，所所发发射射的的每每一一条条光光谱谱线线都都分分裂裂成成几几条条，条条数数随随能能级级的的类类别别而而不不同同，分分裂裂后后的的谱谱线线成成分分是是偏偏振振的的。人人们们称称这这种种现现象象为为塞塞曼曼效效应应(原原子子光光谱谱在外磁场中进一步发生分裂的现象在外磁场中进一步发生分裂的现象）。一、塞曼效应一、塞曼效应第44页，共75页，编辑于

24、2022年，星期五 根根据据谱谱线线分分裂裂情情况况的的不不同同，塞塞曼曼效效应应分分为为正正常常塞塞曼效应曼效应与与反常塞曼效应反常塞曼效应。一一般般情情况况下下，谱谱线线分分裂裂成成很很多多成成分分。称称为为反反常常塞曼效应塞曼效应，也叫，也叫复杂塞曼效应复杂塞曼效应。特特殊殊情情况况下下，谱谱线线分分裂裂成成三三种种成成分分。称称为为正正常常塞塞曼曼效应效应，也叫，也叫简单塞曼效应简单塞曼效应。塞塞曼曼效效应应反反映映了了原原子子所所处处状状态态，从从塞塞曼曼效效应应的的实实验验结结果果可可以以推推断断有有关关能能级级的的分分裂裂情情况况，是是研研究究原原子结构的重要途径之一。子结构的重

25、要途径之一。第45页，共75页，编辑于2022年，星期五NA*SEESP EE B B第46页，共75页，编辑于2022年，星期五 单单线线系系的的每每一一条条谱谱线线，在在垂垂直直磁磁场场方方向向观观察察时时，每每一一条条分分裂裂为为三三条条，彼彼此此间间隔隔相相等等，中中间间一一条条()线线频频率率不不变变；左左右右两两条条()频频率率的的改改变变为为=L(一一个个洛洛仑仑兹兹单单位位)，它它们们都都是是线线偏偏振振的的。线线的的电电矢矢量量振振动动方方向向平平行行于于磁磁场场；线线的的电电矢量振动方向垂直于磁场。矢量振动方向垂直于磁场。当当沿沿磁磁场场方方向向观观察察时时，中中间间的的

26、成成分分看看不不到到，只只能能看看到两条到两条 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、正常塞曼效应第47页，共75页，编辑于2022年，星期五2、反常塞曼效应、反常塞曼效应 双双重重或或多多重重结结构构的的原原子子光光谱谱，在在较较弱弱的的磁磁场场中，每一条谱线分裂成许多条分线。中，每一条谱线分裂成许多条分线。第48页，共75页，编辑于2022年，星期五 Na58965890无磁场无磁场在垂直于在垂直于B方向观方向观察察沿沿 B方向方向观察观察Cd 6438BBB 第49页，共75页，编辑于2022年，星期五正常三重线正常三重线锌的正常塞曼效应锌

27、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第50页，共75页，编辑于2022年，星期五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第51页，共75页，编辑于2022年，星期五2、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)差差第52页，共75页，编辑于2022年，星期五 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

28、事实。(1)对对于于单单线线系系的的一一条条谱谱线线，由由于于S=0，2S+1=1，所所以以可以算出可以算出g2=g1=1，因而：，因而：第53页，共75页，编辑于2022年，星期五 例例如如镉镉6438.47埃埃红红线线在在磁磁场场中中的的分分裂裂情情况况就就是是正常塞曼效应正常塞曼效应：这条线对应的跃迁是这条线对应的跃迁是1D21P1LSJMgMg1D22020，1，210，1，21P11010，110，1第54页，共75页，编辑于2022年，星期五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-

29、M1g1）=0 0 0-1-1-11 1 1第55页，共75页，编辑于2022年，星期五Cd6438的正常塞曼效应跃迁图的正常塞曼效应跃迁图第56页，共75页，编辑于2022年，星期五 0L 01D21P16438无磁场无磁场有磁场有磁场MMg-1-2-1-2210210-1-11010第57页，共75页，编辑于2022年，星期五 (2)对对于于具具有有双双重重或或多多重重结结构构的的光光谱谱线线在在磁磁场场中中的的分分裂裂情况，由于情况，由于 因而，因而，由由 的组合，结合选择定则，就可得到许的组合，结合选择定则，就可得到许多条分线。多条分线。第58页，共75页，编辑于2022年，星期五这两

30、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情况如下：埃双线在磁场中的分裂情况如下：LSJMgMg2S1/201/21/21/2212P1/211/21/21/22/31/32P3/211/23/21/23/24/32/3 6/3第59页，共75页，编辑于2022年，星期五2P3/22S1/2M 3/2 1/2 -1/2 -3/2 M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3M1g1 1 -1（M2g2-M1g1）=-1/3 1/3-5/3 -3/33/3 5/3第60页，共75页，编辑于2022年，

31、星期五2P1/22S1/2M 1/2 -1/2 M2g2 1/3 -1/3 M1g1 1 -1（M2g2-M1g1）=-2/3 2/3-4/34/3第61页，共75页，编辑于2022年，星期五钠的反常塞曼效应跃迁图钠的反常塞曼效应跃迁图第62页，共75页，编辑于2022年，星期五2P3/22P1/22S1/2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第63页，共75页，编辑于2022年，星期五 为为了了解解释释正正常常塞塞曼曼效效应应中中的的偏偏振振光光

32、，我我们们首首先先介介绍绍下下面几个基本概念：面几个基本概念：1)当当原原子子处处在在某某能能级级分分裂裂后后的的新新能能级级M上上时时，其其角角动动量在量在 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)原原子子在在不不同同能能级级间间辐辐射射跃跃迁迁时时，角角动动量量是是守守恒恒的的，换换句句话话说说，系系统统辐辐射射前前的的总总角角动动量量等等于于辐辐射射后后系系统的角动量加上光子的角动量；统的角动量加上光子的角动量；3)辐辐射射跃跃迁迁遵遵从从选选择择定定则则 ，但但新新的的跃跃迁迁不不能发生在同一能级分裂的诸新能级之间。能发生在同一能级分裂的诸新能级之间。3、偏振

33、情况、偏振情况第64页，共75页，编辑于2022年，星期五 a.当当 时时，意意味味着着原原子子在在磁磁场场方方向向的的角角动动量量减减少少 ，所所发发光光子子必必定定具具有有在在磁磁场场方方向向的的角角动动量量 ，在在磁磁场场指指向向观观察察者者的的方方向向观观察察光光源源时时是是左左旋旋光光，垂垂直直于于 方向上看是线偏振光。方向上看是线偏振光。b.当当 时时，光光子子的的角角动动量量与与 方方向向相相反反，以以抵抵消消总总角角动动量量的的增增加加，所所以以平平行行于于 方方向向上上看看是是右右旋旋光光，垂垂直于直于 方向上看是线偏振光。方向上看是线偏振光。c.当当 时时，光光子子的的角角

34、动动量量应应垂垂直直于于 方方向向，使使其其不不影影响响 方方向向角角动动量量的的守守恒恒，这这时时在在平平行行于于 方方向向看不到此光，而在垂直于看不到此光，而在垂直于 方向看到线偏振的方向看到线偏振的线。线。利利用用上上面面几几条条，我我们们可可以以对对各各种种偏偏振振现现象象给给出出合合理理的的解解释：释：第65页，共75页，编辑于2022年，星期五 正正常常塞塞曼曼效效应应，产产生生于于S=0,g=1 的的系系统统，此此时时不不涉涉及及自自旋旋，所所以以经经典典理理论论就就可可以以对对它它作作出出解释。解释。在在发发现现并并解解释释了了正正常常塞塞曼曼效效应应的的同同时时，人人们们观观

35、察察到到，一一般般情情况况下下，光光谱谱的的分分裂裂数数目目并并不不是是三三个，间隔也不相同。个，间隔也不相同。从从1897年年发发现现反反常常塞塞曼曼效效应应，在在长长达达三三十十年年的的时时间间内内，人人们们一一直直无无法法解解释释它它，直直到到电电子子自自旋旋假假设设提提出出后，反常塞曼效应才得到合理的解释。后，反常塞曼效应才得到合理的解释。第66页，共75页，编辑于2022年，星期五4、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)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。LSJMgMg3S101

36、10，120，23P11110，13/20，3/2第67页，共75页，编辑于2022年，星期五M 1 0 -1M2g2 2 0 -2M1g1 3/2 0 -3/2(M2g2-M1g1)=1/2 -1/2-3/2 -22 3/23S13P1第68页，共75页，编辑于2022年，星期五3S13P1无磁场无磁场有磁场有磁场MMg10-120-210-13/2 0-3/2第69页，共75页，编辑于2022年，星期五 1、上上述述塞塞曼曼效效应应是是在在弱弱磁磁场场中中(即即磁磁场场不不破破坏坏LS耦耦合合的的情情况况)观观察察到到的的。若若外外磁磁场场增增加加到到很很强强时时，破破坏坏了了LS耦耦合合

37、，则则一一切切反反常常塞塞曼曼效效应应将将趋趋于于正正常塞曼效应，这种现象称为帕邢常塞曼效应，这种现象称为帕邢巴克效应。巴克效应。四、帕邢四、帕邢巴克效应巴克效应第70页，共75页，编辑于2022年，星期五 磁磁场场很很强强破破坏坏了了LS耦耦合合，此此时时PL和和PS互互不不相相干干的的各各自自绕绕外外磁磁场场B进进动动，因因此此原原子子系系统统受受外外磁磁场场B作作用用所所获得的附加能量为两部分进动能量之和。获得的附加能量为两部分进动能量之和。2、理论解释、理论解释式中式中而而第71页，共75页，编辑于2022年，星期五6.6 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

38、性 当当磁磁化化强强度度为为负负时时，固固体体表表现现为为抗抗磁磁性性。Bi、Cu、Ag、Au等等金金属属具具有这种性质。有这种性质。在在外外磁磁场场中中，这这类类磁磁化化了了的的介介质质内内部部的的磁磁感感应应强强度度小小于于真真空空中中的的磁磁感感应应强强度度。抗抗磁磁性性物物质质的的原原子子（离离子子）的的磁磁矩矩应应为为零零，即即不不存存在在永永久久磁磁矩矩。当当抗抗磁磁性性物物质质放放入入外外磁磁场场中中，外外磁磁场场使使电电子子轨轨道道改改变变，感感生生一一个个与与外外磁磁场场方方向向相相反反的的磁磁矩矩，表表现现为为抗抗磁磁性性。所所以以抗抗磁磁性性来来源源于于原原子子中中电电子

39、子轨轨道道状状态态的的变变化化。抗抗磁磁性性物物质质的的抗抗磁磁性性一一般般很很微微弱弱，磁化率一般约为磁化率一般约为-10-6，为负值。，为负值。第72页，共75页，编辑于2022年，星期五二、顺磁性二、顺磁性 顺顺磁磁性性物物质质的的主主要要特特征征是是，不不论论外外加加磁磁场场是是否否存存在在，原原子子内内部部存存在在永永久久磁磁矩矩。但但在在无无外外加加磁磁场场时时，由由于于顺顺磁磁物物质质的的原原子子做做无无规规则则的的热热振振动动，宏宏观观看看来来，没没有有磁磁性性；在在外外加加磁磁场场作作用用下下，每每个个原原子子磁磁矩矩比比较较规规则则地地取取向向，物物质质显显示示极极弱弱的的

40、磁磁性性。磁磁化化强强度度与与外外磁磁场场方方向向一一致致，为为正，而且严格地与外磁场正，而且严格地与外磁场H成正比。成正比。顺顺磁磁性性物物质质的的磁磁性性除除了了与与H有有关关外外，还还依依赖赖于于温温度度。其其磁磁化化率率与与绝绝对对温温度度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。顺顺磁磁性性物物质质的的磁磁化化率率一一般般也也很很小小，室室温温下下约约为为10-5。一一般般含含有有奇奇数数个个电电子子的的原原子子或或分分子子，电电子子未未填填满满壳壳层层的的原原子子或或离离子子，如如过过

41、渡渡元元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。第73页，共75页，编辑于2022年，星期五三、铁磁性三、铁磁性 过过渡渡族族金金属属（如如Fe、Co、Ni等等）及及它它们们的的合合金金和和化化合合物物所所具具有有的的磁磁性。室温下磁化率可达性。室温下磁化率可达103数量级。数量级。研究简史：研究简史：铁铁磁磁理理论论的的奠奠基基者者，法法国国物物理理学学家家P.E.外外斯斯于于1907年年提提出出了了铁铁磁磁现现象象的的唯唯象象理理论论。他他假假定定铁铁磁磁体体内内部部存存在在强强大大的的“分分子子场场”，即即使使无无外

42、外磁磁场场，也也能能使使内内部部自自发发地地磁磁化化；自自发发磁磁化化的的小小区区域域称称为为磁磁畴畴，每每个个磁磁畴畴的的磁磁化化均均达达到到磁磁饱饱和和。实实验验表表明明，磁磁畴畴磁磁矩矩起起因因于于电电子子的的自自旋旋磁磁矩矩。1928年年W.K.海海森森伯伯首首先先用用量量子子力力学学方方法法计计算算了了铁铁磁磁体体的的自自发发磁磁化化强强度度，给给予予外外斯斯的的“分分子子场场”以以量量子子力力学学解解释释。1930年年F.布布洛洛赫赫提提出出了了自自旋旋波波理理论论。海海森森伯伯和和布布洛洛赫赫的的铁铁磁磁理理论论认认为为铁铁磁磁性性来来源源于于不不配配对对的的电电子子自自旋旋的的

43、直直接交换作用。接交换作用。第74页，共75页，编辑于2022年，星期五铁磁性的特点：铁磁性的特点：在在外外磁磁场场作作用用下下较较易易达达到到磁磁饱饱和和，此此时时磁磁化化强强度度不不再再随随外磁场的增加而增加，而一般顺磁体则很难达到磁饱和。外磁场的增加而增加，而一般顺磁体则很难达到磁饱和。磁磁化化强强度度与与磁磁场场强强度度间间的的关关系系不不是是线线性性的的，即即磁磁化化率率和和磁磁导导率率不不是是常数，而顺磁体的磁化率和磁导率在一定温度下是常数。常数，而顺磁体的磁化率和磁导率在一定温度下是常数。存存在在一一个个临临界界温温度度Tc，当当温温度度高高于于Tc时时铁铁磁磁性性消消失失，铁铁

44、磁磁体体转转变变成成顺顺磁磁体体，Tc称称为为居居里里温温度度或或居居里里点点。在在居居里里温温度度附附近近磁磁导导率和比热容呈现反常增加。率和比热容呈现反常增加。外外磁磁场场变变化化时时，磁磁化化强强度度的的变变化化滞滞后后于于外外磁磁场场的的变变化化，此此称称磁磁滞滞效效应应，磁磁滞滞效效应应表表明明铁铁磁磁体体的的磁磁化化过过程程包包含含了了明明显显的的不不可可逆逆过过程程。当当撤撤去去外外磁磁场场时时，铁铁磁磁体体仍仍保保留留部部分分磁磁性性，磁磁化化强强度度不不为为零零，称称为为剩剩磁磁。而而顺顺磁磁体体在撤去外磁场时，磁化强度立即变为零。在撤去外磁场时，磁化强度立即变为零。第75页，共75页，编辑于2022年，星期五