第六章-磁场中的原子.ppt
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1、 教学内容教学内容 6.1 6.1 原子的磁矩原子的磁矩6.2 6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用6.3 6.3 史特恩史特恩-盖拉赫实验的结果盖拉赫实验的结果6.4 6.4 顺磁共振顺磁共振6.5 6.5 塞曼效应塞曼效应6.6 6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性 教学重点教学重点 原子有效磁矩原子有效磁矩原子能级在磁场中的分裂原子能级在磁场中的分裂;塞曼效应(正常、反常)塞曼效应(正常、反常)教学难点教学难点 反常塞曼效应反常塞曼效应帕邢帕邢巴克效应巴克效应第六章第六章 、磁场中的原子、磁场中的原子 问题的提出问题的提出:玻尔:谁如果在量子面前不感玻尔:谁如果在
2、量子面前不感到震惊,他就不懂得现代物理到震惊,他就不懂得现代物理学;同样如果谁不为此理论感学;同样如果谁不为此理论感到困惑,他也不是一个好的物到困惑,他也不是一个好的物理学家。理学家。原原子子具具有有磁磁性性,在在外外加加磁磁场场中中将将产产生生磁磁效效应应,本本章章讨讨论论有有关关的的现现象象。18961896年年,塞塞曼曼(P PZeemanZeeman)发发现现,当当把把发发射射原原子子光光谱谱的的光光源源放放在在静静磁磁场场中中时时,每每一一条条谱谱线线都都将将分分裂裂成成频频率率相相近近的的几几条条,它它们们都都是是偏偏振振的的,这这就就是是塞塞曼曼效效应应。后后来来,人人们们又又陆
3、陆续续从从实实验验中中发发现现并并揭揭示示了了有有关关电电子子自自旋旋、磁磁共共振振(包包括括电电子子自自旋旋共共振振,核核磁磁共共振振,原原子子束束共共振振和和双双共共振振等等)现现象象的的规规律律。一一方方面面,从从这这些些效效应应可可以以窥窥见见原原子子结结构构性性质质,尤尤其其是是原原子子的的磁磁性性(电电子子轨轨道道磁磁矩矩、电电子子自自旋旋磁磁矩矩、核核自自旋旋磁磁矩矩);另另一一方方面面,它它们们所所提提供供的的实实验验手手段段和和理理论论方方法法在在现现代代高高新新技技术术的的许许多多领领域域有有重重要要的的应应用用,推推动动了了物物理理学学的的发发展展。上上述述相相应应工工作
4、作的的创创始始人人均均曾曾获得诺贝尔物理学奖。获得诺贝尔物理学奖。如:塞曼如:塞曼(P PZeemanZeeman)和洛伦兹和洛伦兹(H HA ALorentzLorentz)(1902)(1902,塞曼效应与电子论塞曼效应与电子论);施特恩;施特恩(O(OStern)(1943Stern)(1943,施特恩施特恩盖拉赫实盖拉赫实验验);拉比;拉比(I(II IRabi)(1944Rabi)(1944,核磁共振方法核磁共振方法);布洛赫;布洛赫(F(FBloch)Bloch)和珀塞尔和珀塞尔(E(EM MPurcell)(1952,Purcell)(1952,磁共振能谱学磁共振能谱学);兰姆;
5、兰姆(W(WE ELamb)Lamb)和库什和库什(P(PKusch)(1955Kusch)(1955,兰姆移兰姆移位和电子磁矩位和电子磁矩);卡斯特勒;卡斯特勒(A(AKastler)(1966Kastler)(1966,双共振方法双共振方法);拉姆赛;拉姆赛(N(NF FRamsey)(1989Ramsey)(1989,铯原子钟铯原子钟)。6.1 6.1 原子的磁矩原子的磁矩6.1.1 6.1.1 单个价电子原子的磁矩单个价电子原子的磁矩 原原子子内内部部闭闭壳壳层层的的总总轨轨道道角角动动量量和和总总自自旋旋角角动动量量均均为为零零,对对原原子子磁磁矩矩没没有有贡贡献献,只只须须考考虑虑
6、外外层层价价电电子子。电电子子作作轨轨道道运运动动时伴有轨道磁矩时伴有轨道磁矩 图图6.1.1 6.1.1 原子磁矩原子磁矩J J与角动量与角动量J J的矢量图的矢量图朗德因子或朗德因子或g g因子(劈裂因子)因子(劈裂因子)得到得到6.1.2 6.1.2 多电子原子的磁矩多电子原子的磁矩 6.2 6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用6.2.1 6.2.1 拉莫尔拉莫尔(LarmorLarmor)进动进动我我们们用用经经典典物物理理的的方方法法,分分析析原原子子的的微微观观磁磁矩矩J J在在外外磁磁场场B B中中的的运运动动。这这种种外外磁磁场场的的作作用用总总是是力力图图使使J J与
7、与B B方方向向一一致致,因因为为这这种种取取向向时时势势能能最最小小。但但是是在在原原子子中中,磁磁矩矩J J与与角角动动量量J J相相联联系系,这这样样,在在它它们们自自己己轨轨道道上上运运动动的的电电子子(其其角角动动量量设设为为J)J)受受到力矩到力矩N N的作用:的作用:由由于于J J与与J J方方向向相相反反,因因此此dJdJ垂垂直直于于B B、J J所所构构成成的的平平面面,如如图图,这这将将引引起起J J绕绕B B的的转转动动(进进动动)称称为为拉拉莫莫尔尔进动。进动。对比理解:例子对比理解:例子由由于于原原子子在在磁磁场场中中附附加加了了拉拉莫莫尔尔旋旋进进,会会使使其其能能
8、量量发发生生变变化化。旋旋进进角角动动量量叠叠加加到到J J在在磁磁场场方方向向的的分分量量上上,将将使使系系统统能能量量增增加加(J(J与与B B方向一致方向一致),或使系统能量减少,或使系统能量减少(J(J与与B B方向相反方向相反)。6.2.2 6.2.2 原子在外磁场中的能级分裂原子在外磁场中的能级分裂设设具具有有磁磁矩矩的的粒粒子子,处处在在沿沿z z方方向向的的静静磁磁场场B B中中,两两者者的的相互作用能是相互作用能是-6.2.3 6.2.3 史特恩史特恩盖拉赫实验结果的再分析盖拉赫实验结果的再分析 J J6.3 6.3 塞曼塞曼(ZeemanZeeman)效应效应6.3.1 6
9、.3.1 塞曼效应的观察塞曼效应的观察原原子子处处在在恒恒定定外外磁磁场场中中,它它的的光光谱谱线线常常常常发发生生复复杂杂的的分分裂裂,裂裂距距正正比比于于磁磁场场强强度度,且且谱谱线线各各分分量量有有特特殊殊的的偏偏振振和和方方向向特性。这就是光谱的塞曼效应。特性。这就是光谱的塞曼效应。图图6.3.1 6.3.1 塞塞曼曼效效应应的的实实验验结结果果:在在垂垂直直于于磁磁场场的的方方向向观观察察到到的的现现象象.相相片片下下面面附附加加的的线线表表示示左左右右各各一一个个洛洛仑仑兹兹单位的间距单位的间距.1.1.镉镉(Cd)643.847nm(Cd)643.847nm谱线的塞曼效应谱线的塞
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- 第六 磁场 中的 原子
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