第六章在磁场中的电子精选文档.ppt
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1、第六章在磁场中的电子本讲稿第一页,共五十三页引入引入:具有磁矩的原子具有磁矩的原子,在磁场中怎样表现在磁场中怎样表现?中心中心:塞曼效应塞曼效应.中心中心:回顾回顾:6.1原子的磁矩原子的磁矩引入引入:原子磁矩的表示原子磁矩的表示原子磁矩原子磁矩电子磁矩电子磁矩核磁矩核磁矩轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩本讲稿第二页,共五十三页一一.单电子原子单电子原子(包括多电子原子中包括多电子原子中 LS耦合耦合)的总原子磁矩的总原子磁矩J:不在不在PJ的反向延长线上的反向延长线上.在在PJ的反向延长线上的分量的反向延长线上的分量J称为原子总磁矩或有效磁矩称为原子总磁矩或有效磁矩,平均磁矩平均磁矩.但由于
2、但由于绕绕PJ运动(旋进)只有运动(旋进)只有在在PJ方向的投影对外方向的投影对外平均效果不为零。平均效果不为零。本讲稿第三页,共五十三页J 表达式表达式:本讲稿第四页,共五十三页本讲稿第五页,共五十三页朗德因子朗德因子g 讨论讨论:1.朗德因子朗德因子g最初由朗德假最初由朗德假设设,经验经验地引入地引入,在量子力学中可自然在量子力学中可自然得出得出,是原子磁矩与角是原子磁矩与角动动量的一个比例系数量的一个比例系数,是一个无量是一个无量纲纲量量,叫叫回磁比回磁比.2.g 的物理意的物理意义义:本讲稿第六页,共五十三页2.g 的几个特殊的几个特殊值值:例例1:确定确定单电单电子原子子原子g取取值
3、值范范围围:解解:单电单电子原子子原子,本讲稿第七页,共五十三页例例2:确定确定单电单电子原子子原子S态电态电子子,g取取值值.例例3:确定确定单电单电子原子子原子P电电子子,g取取值值.例例4:确定多确定多电电子原子子原子S态态(除除单态单态)电电子子,g取取值值.只有自旋磁矩只有自旋磁矩记为记为gs例例5:确定多确定多电电子原子子原子单态单态(除除S态态)电电子子,g取取值值.叫叫轨轨道自旋磁矩道自旋磁矩记为记为gL本讲稿第八页,共五十三页例例5:确定多确定多电电子原子子原子单态单态(又是又是S态态)电电子子,g取取值值.例例6:什么什么时时候候 g=0?本讲稿第九页,共五十三页6.2外磁
4、外磁场对场对原子的作用原子的作用朗德因子朗德因子表征原子的表征原子的总总磁矩与磁矩与总总角角动动量的关系,而且决定了能量的关系,而且决定了能级级在磁在磁场场中分裂的大小。中分裂的大小。中心中心:一一.拉莫拉莫尔尔进动进动:本讲稿第十页,共五十三页当当a900,旋进角动量叠加在旋进角动量叠加在PJ在在B方向的分量的反方向上方向的分量的反方向上,使使L,E.本讲稿第十一页,共五十三页二二.原子受磁原子受磁场场作用的附加能量作用的附加能量:是是PJ在在B方向上的分量方向上的分量,应应量子化量子化,式中式中M是磁量子数是磁量子数.式中式中M是磁量子数是磁量子数.共共2J+1个个.一条能一条能级级中磁中
5、磁场场B中分裂中分裂为为2J+1条条.本讲稿第十二页,共五十三页三三.原子受磁原子受磁场场作用的光作用的光谱项谱项改改变变.称称为为洛洛仑兹单仑兹单位位.本讲稿第十三页,共五十三页四四.讨论讨论:1.上式上式虽虽右右边边有有负负号号,实际实际上上,当当900 时时,M0,E0.2.E是指量子数为是指量子数为L,S,J,M的能级在有外加的能级在有外加B时时,能量的增减能量的增减.3.量子数为量子数为L,S,J,M的能级在有外加的能级在有外加B下下,能能量简并全部解除量简并全部解除,分裂为分裂为2J+1层层.4.相邻能级间隔相邻能级间隔:gBB;最高和最低能级间隔最高和最低能级间隔:2JgBB5.
6、不同能不同能级级(L,S,J有不同的有不同的)分裂后分裂后,能能级间级间隔不一定相同隔不一定相同(g不一定相同不一定相同).本讲稿第十四页,共五十三页6.E=0的情况的情况:五五.举举例例:本讲稿第十五页,共五十三页E2ME1Mg相邻能级间隔相邻能级间隔:最高和最低能级间隔最高和最低能级间隔:相邻能级间隔相邻能级间隔:最高和最低能级间隔最高和最低能级间隔:本讲稿第十六页,共五十三页E2ME1Mg上面两套上面两套塞曼子能塞曼子能级级不不发发生生交叉的条交叉的条件是件是:对对H,第一激第一激发态发态能能级宽级宽度度:本讲稿第十七页,共五十三页6.3 Stern-Gerlach 实验结实验结果果引入
7、引入:玻尔理论玻尔理论,空间量子化都不能圆满解释空间量子化都不能圆满解释Stern-Gerlach 实验实验.中心中心:电子自旋的作用电子自旋的作用.几个相关问题几个相关问题:1.为什么是基态原子为什么是基态原子?2.为何选银原子为何选银原子?3.为什么不用电子束为什么不用电子束?(研究自旋研究自旋)本讲稿第十八页,共五十三页原子束偏转中心距离原子束偏转中心距离:SN无磁场无磁场有磁场有磁场P-eJ本讲稿第十九页,共五十三页M的个数的个数,等于黑线条数等于黑线条数=2J+1银原子银原子 47Ag基态电子组态基态电子组态:5s,原子态原子态:M的个数是的个数是2个个,黑线条数黑线条数2条条.SN
8、无磁场无磁场有磁场有磁场P本讲稿第二十页,共五十三页例例1:原子原子处处在状在状态态D2时时,磁矩投影最大磁矩投影最大值为值为4B,求求这这个个谱项谱项的多重性的多重性.多重性一般多重性一般为为2S+1,但是当但是当SL时时,多重性多重性为为2L+1解解:多重性多重性为为2L+1,等于等于5.例例2:已知两光已知两光谱项谱项的下列各量的下列各量,求光求光谱项谱项符号符号(原子原子态态).本讲稿第二十一页,共五十三页例例3:有一个原子系有一个原子系统统,含有若干个含有若干个电电子子,由由实验实验数据分析知数据分析知,其中一个其中一个态态是是 1F态态,问问(1)这这一原子系一原子系统统的的电电子
9、至少有多少个子至少有多少个?(2)求也相求也相应这应这一一态态的磁的磁矩大小和在外磁矩大小和在外磁场场中投影的数目中投影的数目?解解:(1)由由1F知知,L=3,S=0,电电子数目子数目为为偶数偶数,因此因此,至少有两个至少有两个电电子子.本讲稿第二十二页,共五十三页取外磁场方向为取外磁场方向为取外磁场方向为取外磁场方向为Z Z Z Z轴方向,轴方向,轴方向,轴方向,能量与量子数能量与量子数能量与量子数能量与量子数 有关。有关。有关。有关。由于不再出现由于不再出现由于不再出现由于不再出现 ,也就没有,也就没有,也就没有,也就没有 因子出现。因子出现。因子出现。因子出现。强磁场强磁场强磁场强磁场
10、在强外磁场作用下,在强外磁场作用下,在强外磁场作用下,在强外磁场作用下,不能再耦合成不能再耦合成不能再耦合成不能再耦合成 ,而是分别直接与,而是分别直接与,而是分别直接与,而是分别直接与 耦合产生附加能量耦合产生附加能量耦合产生附加能量耦合产生附加能量.本讲稿第二十三页,共五十三页6.4顺磁共振顺磁共振(EPR),电子自旋共振电子自旋共振(ESR)1.定定义义:顺磁质原子受到外加加变磁场作用而剧烈吸收能量的顺磁质原子受到外加加变磁场作用而剧烈吸收能量的现象现象,叫顺磁共振叫顺磁共振.2.实质实质:电子自旋磁矩与外磁场相互作用产生塞曼分裂电子自旋磁矩与外磁场相互作用产生塞曼分裂.具有磁矩的原子称
11、为顺磁原子具有磁矩的原子称为顺磁原子.顺磁原子中磁场中分裂为数层顺磁原子中磁场中分裂为数层.当两相邻能级间隔当两相邻能级间隔这时两相邻能级间有跃迁这时两相邻能级间有跃迁,可用仪器测量可用仪器测量.本讲稿第二十四页,共五十三页实验实验的交的交变电变电磁磁场场用超高用超高频电频电磁波磁波实现实现.Cm数量数量级级波波长长的的电电磁波是微波波段磁波是微波波段.实验时频实验时频率固定率固定,改改变变H,使上式使上式满满足足时时,则发则发生了生了顺顺磁共振磁共振,此此时时可可观观察到察到电电磁波的吸收和色散磁波的吸收和色散现现象象.朗德因子朗德因子:本讲稿第二十五页,共五十三页例:某原子例:某原子处处在
12、在 B=0.8特斯拉的磁特斯拉的磁场场中,当微波中,当微波发发生器的生器的频频率率调调到到 Hz时时,观观察到察到顺顺磁共振。磁共振。该该原子此原子此时时所所处处状状态态的朗德因子的朗德因子值为值为:A:3/2B:1C:2D:5/2本讲稿第二十六页,共五十三页顺磁共振波谱反映了原子受邻近原子作用顺磁共振波谱反映了原子受邻近原子作用的情况的情况,已经成为研究固体已经成为研究固体,液体分子结构液体分子结构的很好的方法的很好的方法.顺磁共振波谱精细结构顺磁共振波谱精细结构:顺磁共振波谱超精细结构顺磁共振波谱超精细结构:一个共振峰又分裂成为几个挨近的峰一个共振峰又分裂成为几个挨近的峰.这是由于原子核磁
13、矩影响而产生的这是由于原子核磁矩影响而产生的,核核磁矩磁矩 在足够强的磁场中可有在足够强的磁场中可有个取向个取向,是核角动量量子数是核角动量量子数,因此因此,顺顺磁共振也可以用来测量核角动量量子磁共振也可以用来测量核角动量量子数数.关于核磁共振关于核磁共振本讲稿第二十七页,共五十三页一、实验事实一、实验事实一、实验事实一、实验事实1.1.1.1.塞曼效应现象塞曼效应现象塞曼效应现象塞曼效应现象1896189618961896年,荷兰物理学家塞曼发现:若把光源放入磁场中,则一条谱年,荷兰物理学家塞曼发现:若把光源放入磁场中,则一条谱年,荷兰物理学家塞曼发现:若把光源放入磁场中,则一条谱年,荷兰物
14、理学家塞曼发现:若把光源放入磁场中,则一条谱线就会分裂成几条,且线就会分裂成几条,且线就会分裂成几条,且线就会分裂成几条,且分裂后的谱线成分是偏振的,分裂后的谱线成分是偏振的,分裂后的谱线成分是偏振的,分裂后的谱线成分是偏振的,这种现象称为这种现象称为这种现象称为这种现象称为塞曼效应。塞曼效应。塞曼效应。塞曼效应。6.5 塞曼效应塞曼效应本讲稿第二十八页,共五十三页正常塞曼效应:正常塞曼效应:正常塞曼效应:正常塞曼效应:一条谱线在外磁场作用下,分裂为等间隔的三条谱线。一条谱线在外磁场作用下,分裂为等间隔的三条谱线。一条谱线在外磁场作用下,分裂为等间隔的三条谱线。一条谱线在外磁场作用下,分裂为等
15、间隔的三条谱线。垂直于磁场方向观察垂直于磁场方向观察垂直于磁场方向观察垂直于磁场方向观察沿磁场方向观察沿磁场方向观察沿磁场方向观察沿磁场方向观察本讲稿第二十九页,共五十三页反常塞曼效应:反常塞曼效应:反常塞曼效应:反常塞曼效应:除正常塞曼效应外的塞曼效应。除正常塞曼效应外的塞曼效应。除正常塞曼效应外的塞曼效应。除正常塞曼效应外的塞曼效应。19021902年,洛仑兹、塞曼获诺贝尔物理学奖年,洛仑兹、塞曼获诺贝尔物理学奖年,洛仑兹、塞曼获诺贝尔物理学奖年,洛仑兹、塞曼获诺贝尔物理学奖本讲稿第三十页,共五十三页二、理论解释二、理论解释二、理论解释二、理论解释1.1.基本理论基本理论基本理论基本理论
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