第六章 在磁场中的原子.ppt
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1、原原 子子 物物 理理 学学主讲人:阎占元主讲人:阎占元第六章第六章 在磁场中的原子在磁场中的原子第六章第六章 在磁场中的原子在磁场中的原子本章综合讨论原子处在磁场中所发本章综合讨论原子处在磁场中所发生的一些现象和有关理论生的一些现象和有关理论 6.1 原子的磁矩原子的磁矩一、电子运动的磁矩一、电子运动的磁矩1.1.电子轨道运动磁矩电子轨道运动磁矩电子轨道运动磁矩电子轨道运动磁矩 量子化。量子化。量子化。量子化。磁矩大小磁矩大小磁矩大小磁矩大小:玻尔磁子玻尔磁子玻尔磁子玻尔磁子 磁矩磁矩磁矩磁矩空间取向量子化空间取向量子化空间取向量子化空间取向量子化 2.2.电子自旋运动磁矩电子自旋运动磁矩电
2、子自旋运动磁矩电子自旋运动磁矩自旋磁矩自旋磁矩自旋磁矩自旋磁矩比较下面四个式子比较下面四个式子磁矩与角动量的关系式并不普遍成立磁矩与角动量的关系式并不普遍成立6.1 原子的磁矩原子的磁矩二、单电子原子的总磁矩二、单电子原子的总磁矩6.1 原子的磁矩原子的磁矩 但但 和和 绕绕 旋进旋进 所所以以 都都绕绕 的的延延长线旋进长线旋进对外发生效果的是对外发生效果的是电子的总磁矩电子的总磁矩(有效磁矩有效磁矩)单电子原子总磁矩(有效磁矩)单电子原子总磁矩(有效磁矩):朗德因子朗德因子朗德因子朗德因子 6.1 原子的磁矩原子的磁矩总磁矩和角动量的关系总磁矩和角动量的关系三、多电子原子的磁矩三、多电子原
3、子的磁矩原子总磁矩仍表示为原子总磁矩仍表示为原子总磁矩仍表示为原子总磁矩仍表示为:(1 1)L-SL-S 耦耦耦耦 合合合合(2 2)j-jj-j耦合耦合耦合耦合6.1 原子的磁矩原子的磁矩解:解:(1):,(2):,例例 求下列原子求下列原子态态的的g g因子因子:(3):,6.1 原子的磁矩原子的磁矩原子在磁场中是否分裂,不能只用量子数原子在磁场中是否分裂,不能只用量子数j判断,还取决于朗德因子。判断,还取决于朗德因子。6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用一、拉莫尔旋进一、拉莫尔旋进将绕磁场进动将绕磁场进动将绕磁场进动将绕磁场进动,只改只改只改只改变方向而不改变数值变方向而不改变数
4、值变方向而不改变数值变方向而不改变数值.在外磁场在外磁场在外磁场在外磁场B B B B中中中中,原子磁矩原子磁矩原子磁矩原子磁矩 受磁场力矩的作用受磁场力矩的作用受磁场力矩的作用受磁场力矩的作用,绕绕绕绕B B B B连续进连续进连续进连续进动的现象。动的现象。动的现象。动的现象。绕绕绕绕 的方向进动的角频率的方向进动的角频率的方向进动的角频率的方向进动的角频率,与与与与 的方向一致的方向一致的方向一致的方向一致,称为称为称为称为拉拉拉拉莫尔进动莫尔进动莫尔进动莫尔进动角频率角频率角频率角频率:为为为为旋旋旋旋进进进进的角速度的角速度的角速度的角速度力矩力矩力矩力矩拉莫拉莫拉莫拉莫尔尔尔尔进动
5、频进动频进动频进动频率率率率旋磁比旋磁比旋磁比旋磁比6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用二、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外磁场的作用比原子内部轨道磁矩与自旋磁矩的耦合弱外磁场的作用比原子内部轨道磁矩与自旋磁矩的耦合弱外磁场的作用比原子内部轨道磁矩与自旋磁矩的耦合弱外磁场的作用比原子内部轨道磁矩与自旋磁矩的耦合弱.与外磁场耦合产生附加能量与外磁场耦合产生附加能量与外磁场耦合产生附加能量与外磁场耦合产生附加能量:在外磁场中在外磁场中在外磁场中在外磁场中,原子的能级分裂成原子的能级分裂成原子的能级分裂成原子的能级分裂成 个个个个,间隔为间隔为间隔为间隔为6.2 外磁场
6、对原子的作用外磁场对原子的作用1.1.弱磁场弱磁场例例例例:在磁场中能级的分裂情况在磁场中能级的分裂情况在磁场中能级的分裂情况在磁场中能级的分裂情况分裂为四个能级,裂距分裂为四个能级,裂距分裂为四个能级,裂距分裂为四个能级,裂距光光光光谱项谱项谱项谱项差差差差6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用2.2.强强磁磁场场在强外磁场作用下,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.取外磁场方向为取外磁场
7、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,没有没有没有没有g g因子出因子出因子出因子出现现现现6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用6.3 史特恩史特恩-革拉赫实验结果的再分析革拉赫实验结果的再分析1921192119211921年史特恩年史特恩年史特恩年史特恩-盖拉赫进行的实验是对盖拉赫进行的实验是对盖拉赫进行的实验是对盖拉赫进行的实验是对原子角动量空间原子角动量空间原子角动量空间原子角动量空间取向量子化取向量子化取向量子化取向量子化的首次直接观察,是原子物理学最重要的实的首次直接观察,是原子物理学最重
8、要的实的首次直接观察,是原子物理学最重要的实的首次直接观察,是原子物理学最重要的实验之一。验之一。验之一。验之一。1943194319431943年,年,年,年,史特恩史特恩史特恩史特恩获诺贝尔物获诺贝尔物获诺贝尔物获诺贝尔物理学奖,贡献:开发了分子理学奖,贡献:开发了分子理学奖,贡献:开发了分子理学奖,贡献:开发了分子束方法以及质子磁矩的测量束方法以及质子磁矩的测量束方法以及质子磁矩的测量束方法以及质子磁矩的测量 实验目的:实验目的:实验目的:实验目的:证明原子轨道角动量在外磁场中具有空间取向量子化证明原子轨道角动量在外磁场中具有空间取向量子化证明原子轨道角动量在外磁场中具有空间取向量子化证
9、明原子轨道角动量在外磁场中具有空间取向量子化特征。特征。特征。特征。每个角动量对应一个磁矩每个角动量对应一个磁矩量子化量子化即:即:量子化量子化1.1.实验目的实验目的无磁场有磁场NS银原子束通过非均匀磁场时将分裂成两束银原子束通过非均匀磁场时将分裂成两束6.3 史特恩史特恩-革拉赫实验革拉赫实验2.2.实验原理实验原理具有磁矩的原子在磁场中受力矩的作用而产生拉莫儿旋进具有磁矩的原子在磁场中受力矩的作用而产生拉莫儿旋进具有磁矩的原子在磁场中受力矩的作用而产生拉莫儿旋进具有磁矩的原子在磁场中受力矩的作用而产生拉莫儿旋进,在外在外在外在外磁场中的附加能量磁场中的附加能量磁场中的附加能量磁场中的附加
10、能量(势能势能势能势能):):):):而力而力而力而力:对均匀磁场对均匀磁场对均匀磁场对均匀磁场:,:,:,:,原子不改变运动路径原子不改变运动路径原子不改变运动路径原子不改变运动路径.对非均匀磁场对非均匀磁场对非均匀磁场对非均匀磁场:,:,:,:,原子除受力矩作用外原子除受力矩作用外原子除受力矩作用外原子除受力矩作用外,还受到力的作用还受到力的作用还受到力的作用还受到力的作用,而改变运动路径而改变运动路径而改变运动路径而改变运动路径.6.3 史特恩史特恩-革拉赫实验革拉赫实验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(1)由由于于mj 有有2j+1个个数数值值,故故相相应应的的
11、就就有有2j+1个个分分立立的的z值值。即即在在感光片上有感光片上有2j+1个黑条,这代表了角动量的个黑条,这代表了角动量的2j+1个空间取向。个空间取向。(2)基态的原子基态的原子l0,j1/2,mj=1/2,所以要分裂为两束。,所以要分裂为两束。(3)由感光条纹数可求出由感光条纹数可求出j值,从而确定值,从而确定mj,而从条纹的间距又可,而从条纹的间距又可确定确定mjg,并进而求出并进而求出g值,这是实验求值,这是实验求g值的一个重要方法。值的一个重要方法。(4)对对于于氢氢原原子子(单单电电子子原原子子),从从高高温温容容器器中中射射出出的是处于基态的原子的是处于基态的原子(n=1,l=
12、0,s=1/2,j=l+s=1/2,mj=1/2,g=2),故故mjg=1代入实验数据 ;d=1m;T=400k,并利用常数,k=8.61710-5ev/k;=0.5788 10-4 ev/T,即得z=0.56cm.这一结果表明,基态氢原子束在不均匀的磁场的作这一结果表明,基态氢原子束在不均匀的磁场的作用下分裂为两层,各距中线用下分裂为两层,各距中线 0.56cm.补:光的偏振补:光的偏振光波性质:光波性质:横波横波c 电矢量电矢量E E、磁矢量磁矢量H H有单一对应关系、同步性有单一对应关系、同步性 在许多方面磁场的作用比电场的作用小的多在许多方面磁场的作用比电场的作用小的多一般都选用电矢量
13、一般都选用电矢量E E代表光的振动代表光的振动光矢量光矢量光的偏振性光的偏振性一一.自然光自然光没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解沿沿光传播方向看光传播方向看自自然然光光中中E E在在任任意意方方向向都都是是均均匀匀分分布布的的每每一一个个光光矢矢量量都都可可以以分分解解为为x x、y y 方向分量方向分量二二.线偏振光线偏振光E E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光的表示法:线偏振光的表示法:光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面 完全偏振光、平面偏振光完全偏振光、平面偏振光补:光的偏振补:光的偏振右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 y y
14、x z传播方向传播方向 /2xE某时刻左旋圆偏振光某时刻左旋圆偏振光E 随随z 的变化的变化 0三三.圆偏振光圆偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光补:光的偏振补:光的偏振6.4 塞曼效应塞曼效应一、实验事实一、实验事实18961896年,荷兰物理学家塞曼发现:若把光源放入磁场中,则年,荷兰物理学家塞曼发现:若把光源放入磁场中,则一条谱线就会分裂成几条,且一条谱线就会分裂成几条,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,这种现象称为这种现象称为塞曼效应。塞曼效应。由于历史的习惯分为由于历史的习惯分为正常塞曼效应正常塞曼效应和和反常塞曼效应反常塞曼效应。正常塞曼效应:正常塞曼效应:正常塞曼效
15、应:正常塞曼效应:单线系单线系的每一条谱线的每一条谱线,在外磁场作用下,分在外磁场作用下,分在外磁场作用下,分在外磁场作用下,分裂为等间隔的三条谱线。裂为等间隔的三条谱线。裂为等间隔的三条谱线。裂为等间隔的三条谱线。镉的镉的6438.47 埃红色谱线的塞曼效应埃红色谱线的塞曼效应 6.4 塞曼效应塞曼效应反常塞曼效应:反常塞曼效应:反常塞曼效应:反常塞曼效应:双重或多重结构双重或多重结构的原子光谱的原子光谱,在较弱的在较弱的磁场磁场中中,谱线分裂成很多成分谱线分裂成很多成分谱线分裂成很多成分谱线分裂成很多成分 。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
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- 第六章 在磁场中的原子 第六 磁场 中的 原子
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