原子物理学课件 (9).ppt

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1、第五章第五章 磁场中的原子磁场中的原子5.15.1原子的总磁矩原子的总磁矩 5.25.2磁场中的原子磁场中的原子 5.3 5.3 原子光谱的塞曼效应原子光谱的塞曼效应 5.45.4磁共振磁能级之间的直接跃迁磁共振磁能级之间的直接跃迁 介绍介绍原子的总磁矩原子的总磁矩，磁矩和外磁场的作用能磁矩和外磁场的作用能以及以及两个重要实验：两个重要实验：施特恩盖拉赫实验施特恩盖拉赫实验和和塞曼效应塞曼效应实验实验 5.1原子的磁矩原子的磁矩 5.1.15.1.1单个价电子原子的磁矩（内层为满壳层）单个价电子原子的磁矩（内层为满壳层）单个价电子原子的磁矩（内层为满壳层）单个价电子原子的磁矩（内层为满壳层）(

2、gl=1，和和 共线反向共线反向共线反向共线反向)(gs=2，和和 共线反向共线反向共线反向共线反向)能否定义：能否定义：NoNo！Why?Why?和和 不共线！不共线！g gj j？为此，？为此，？为此，？为此，考查此三个角动量及其磁矩的耦合情况考查此三个角动量及其磁矩的耦合情况 为为使使从形式上定从形式上定义义：和和 共线共线,因为，gl gs 的的数值数值数值数值:的的方向方向方向方向:因为因为:均无确定的本征值均无确定的本征值,但但：两式相加得两式相加得：。用：用：的本征值的本征值 分别分别代替代替 ,得到：得到：5.1.15.1.1多个价电子原子的磁矩（内层为满壳层）多个价电子原子的

3、磁矩（内层为满壳层）多个价电子原子的磁矩（内层为满壳层）多个价电子原子的磁矩（内层为满壳层）L l,S s,J j,替代：替代：替代：替代：则有：则有：则有：则有：因为：因为：因为：因为：的本征值：所以：所以：所以：所以：的本征值：J J 的取值：Jmax=(L+S),L+S-1,LS=Jmin 因为：因为：因为：因为：的本征值：的本征值：所以：所以：所以：所以：mmJ J 的取值：mJ，max=J,J1，0，J=mJ，min5.25.2 磁场中的原子磁场中的原子 回顾：回顾：回顾：回顾：Chapt.3，和和 的相互作用，的相互作用，E EJ,BJ,B 5.2.1 5.2.1 5.2.1 5.

4、2.1 原子磁矩（原子磁矩（原子磁矩（原子磁矩（）和外加磁场（）和外加磁场（）和外加磁场（）和外加磁场（）的相互作用能量）的相互作用能量）的相互作用能量）的相互作用能量在第四章中，原子的能量在第四章中，原子的能量:E E0 E L,S E0=i（库仑力），（库仑力），E L,S:电子间的磁场力。电子间的磁场力。当具有磁矩的原子放入外加磁场当具有磁矩的原子放入外加磁场 时：时：E E0 EL,S EJ,B 问题：问题：问题：问题：E E J,BJ,B？设设 B z0，BJ,z E EJ,BJ,B g gJ J mmJ J B B B B E EJ,BJ,B g gJ J mmJ J B B B

5、B B B 例例例例1 1，基态，基态，基态，基态 AgAg（Z Z4747）原子，）原子，）原子，）原子，电子组态：电子组态：电子组态：电子组态：Kr4dKr4d10105s 5s：2 2S S1/2 1/2(原子能级原子态原子能级原子态原子能级原子态原子能级原子态)S S1/21/2；L L0 0；J J1/21/2 代入代入 g gJ J 公式公式公式公式 得：得：g gJ J 2 2；mmJ J （maxmax）=1/2=1/2；mmJ J（minmin）=1/2,1/2,3 3 B B 3 3 B B 例例2，原子能级：原子能级：在在 B B 中的分裂中的分裂 S S1 1；L L1

6、 1；J J1 1 代入代入 g gJ J 公式公式公式公式 得：得：g gJ J 3/23/2；mmJ J （maxmax）=1=1，0 0，mmJ J（minmin）=1 1 E E J,BJ,B g gJ J mmJ J B B-mJ=-1 可见，如果：可见，如果：（非非非非匀强磁场匀强磁场匀强磁场匀强磁场），具有磁矩），具有磁矩 的原子将受力的作用！的原子将受力的作用！5.2.2 5.2.2 施特恩盖拉赫实验施特恩盖拉赫实验施特恩盖拉赫实验施特恩盖拉赫实验（D.Stern-W.D.Stern-W.GerlachGerlach,德国人，德国人，德国人，德国人，19211921）E EJ,

7、BJ,B g gJ J mmJ J B B 的应用之一的应用之一的应用之一的应用之一 作用能作用能：E EJ,BJ,B g gJ J mmJ J B B B B 受力受力 ：对基态对基态对基态对基态 Ag Ag 原子原子原子原子:2,2,装置：装置：装置：装置：3,3,结果：结果：结果：结果：屏上出项两个亮斑！屏上出项两个亮斑！屏上出项两个亮斑！屏上出项两个亮斑！问题：问题：问题：问题：对处于对处于对处于对处于能级能级能级能级 的原子的原子的原子的原子,屏上应该出现几个亮斑？屏上应该出现几个亮斑？屏上应该出现几个亮斑？屏上应该出现几个亮斑？4,意义意义 A,A,从实验上，首次证实了从实验上，首

8、次证实了从实验上，首次证实了从实验上，首次证实了mmJ J 取值的量子化，取值的量子化，取值的量子化，取值的量子化，即：角动量的空间量子化。即：角动量的空间量子化。即：角动量的空间量子化。即：角动量的空间量子化。据量子力学理论，据量子力学理论，在空间只能有在空间只能有mmJ J 2 2J J1 1个取向：个取向：B,B,为实验上分离不同的原子态（同种原子，处于不同的为实验上分离不同的原子态（同种原子，处于不同的为实验上分离不同的原子态（同种原子，处于不同的为实验上分离不同的原子态（同种原子，处于不同的 磁能级），提供了一种重要的技术方法。磁能级），提供了一种重要的技术方法。磁能级），提供了一种重要的技术方法。磁能级），提供了一种重要的技术方法。如：如：（mJ=1，0，1）5,故事故事 （1943年获诺贝尔奖，年获诺贝尔奖，2003年重新表演）年重新表演）