高二物理竞赛在磁场中的原子课件.ppt

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1、在磁场中的原子在磁场中的原子一、原子的磁矩一、原子的磁矩二、二、拉莫尔进动拉莫尔进动旋磁比旋磁比旋磁比旋磁比三、三、原子受磁场作用产生的附加能量原子受磁场作用产生的附加能量能级间隔为：能级间隔为：四、史特恩四、史特恩-盖拉赫实验盖拉赫实验史特恩盖拉赫实验证明了史特恩盖拉赫实验证明了史特恩盖拉赫实验证明了史特恩盖拉赫实验证明了:1.1.1.1.角动量空间量子化行为；角动量空间量子化行为；角动量空间量子化行为；角动量空间量子化行为；2.2.2.2.电子自旋假设的正确性，自旋量子数电子自旋假设的正确性，自旋量子数电子自旋假设的正确性，自旋量子数电子自旋假设的正确性，自旋量子数s s s s1/21/

2、21/21/2；3.3.3.3.电子自旋磁矩数值的正确性，电子自旋磁矩数值的正确性，电子自旋磁矩数值的正确性，电子自旋磁矩数值的正确性，g g g gs s s s2 2 2 2，五、塞曼效应五、塞曼效应 磁能级之间的磁能级之间的跃迁选择定则跃迁选择定则:产生产生 线线(但但 时时,禁戒禁戒)产生产生产生产生 线线线线垂直磁场方向：垂直磁场方向：迎磁场方向：迎磁场方向：六、电子顺磁共振六、电子顺磁共振例题：例题：例题：例题：例题例题例题例题1 1：原子态原子态原子态原子态1 1D D2 2的能级在磁感应强度为的能级在磁感应强度为的能级在磁感应强度为的能级在磁感应强度为B B的弱磁场的弱磁场的弱

3、磁场的弱磁场 中分裂为多少个子能级？中分裂为多少个子能级？中分裂为多少个子能级？中分裂为多少个子能级？A.3 B.53 B.5C.2 D.4C.2 D.4例题例题例题例题2 2：某原子处于某原子处于某原子处于某原子处于4 4D D1/21/2态，若将该原子放置于弱磁态，若将该原子放置于弱磁态，若将该原子放置于弱磁态，若将该原子放置于弱磁场中，则原能级：场中，则原能级：场中，则原能级：场中，则原能级：A.分裂为分裂为分裂为分裂为2 2个；个；个；个；B.B.分裂为分裂为分裂为分裂为9 9个；个；个；个；C.C.不分裂；不分裂；不分裂；不分裂；D.D.分裂为分裂为分裂为分裂为4 4个。个。个。个。

4、不能仅从不能仅从不能仅从不能仅从(2J+1)(2J+1)判断，还要看判断，还要看判断，还要看判断，还要看g g值值值值;g=0g=0时，不分裂。时，不分裂。时，不分裂。时，不分裂。例题例题例题例题4 4：碱金属原子的漫线系的第一条精细结构光谱碱金属原子的漫线系的第一条精细结构光谱碱金属原子的漫线系的第一条精细结构光谱碱金属原子的漫线系的第一条精细结构光谱线线线线2 2D D3/23/22 2P P3/23/2在磁场中发生塞曼效应而光谱线在磁场中发生塞曼效应而光谱线在磁场中发生塞曼效应而光谱线在磁场中发生塞曼效应而光谱线分裂，沿磁场方向拍摄到的光谱线条数为：分裂，沿磁场方向拍摄到的光谱线条数为：

5、分裂，沿磁场方向拍摄到的光谱线条数为：分裂，沿磁场方向拍摄到的光谱线条数为：A.3 B.93 B.9C.4 D.6C.4 D.6考虑谱线的简并情况；考虑谱线的简并情况；考虑谱线的简并情况；考虑谱线的简并情况；注意塞曼谱线的偏振特性；注意塞曼谱线的偏振特性；注意塞曼谱线的偏振特性；注意塞曼谱线的偏振特性；沿磁场方向只能观察到沿磁场方向只能观察到沿磁场方向只能观察到沿磁场方向只能观察到 线。线。线。线。例题例题例题例题3 3：HeHe原子的基线系的单重态的第一条光谱线原子的基线系的单重态的第一条光谱线原子的基线系的单重态的第一条光谱线原子的基线系的单重态的第一条光谱线1 1F F3 31 1D D

6、2 2在磁场中发生塞曼效应，则该光谱线在磁场中发生塞曼效应，则该光谱线在磁场中发生塞曼效应，则该光谱线在磁场中发生塞曼效应，则该光谱线将分裂的线条数为：将分裂的线条数为：将分裂的线条数为：将分裂的线条数为：A.3 B.93 B.9C.15 D.6C.15 D.62P3/22D3/2mj 3/2 1/2 -1/2 -3/2 mj2g2 6/5 2/5 -2/5 -6/5-4/15 4/15-24/15 -16/15 -8/158/15 16/15 24/15分为分为8条，分裂谱线与原谱线波数差：条，分裂谱线与原谱线波数差：g2=4/5；g1=4/3mj2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3+

7、-例题例题例题例题5.15.1：在在在在CaCa的一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察的一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察的一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察的一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察到钙的到钙的到钙的到钙的422.6nm422.6nm谱线在磁场中分裂成间距为谱线在磁场中分裂成间距为谱线在磁场中分裂成间距为谱线在磁场中分裂成间距为0.05nm0.05nm的的的的两条线，试求磁场强度两条线，试求磁场强度两条线，试求磁场强度两条线，试求磁场强度.（电子的荷质比为（电子的荷质比为（电子的荷质比为（电子的荷质比为1.75101.75101111C/kgC/kg）（）（）

8、（）（20012001中科院固体所）中科院固体所）中科院固体所）中科院固体所）正常塞曼效应中，谱线波数移动量：正常塞曼效应中，谱线波数移动量：所以两相邻谱线间隔等于一个洛仑兹单位，所以两相邻谱线间隔等于一个洛仑兹单位，沿磁场方向观察到的是两条沿磁场方向观察到的是两条线，它们之间的波数差是线，它们之间的波数差是2L。例题例题例题例题5.25.2：在一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察到钙的在一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察到钙的在一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察到钙的在一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察到钙的422.6nm422.6nm谱线在谱线在谱线在谱线在3T3T的

9、磁场中分裂成间距为的磁场中分裂成间距为的磁场中分裂成间距为的磁场中分裂成间距为0.05nm0.05nm的两条的两条的两条的两条线，试由这些数据求出电子的荷质比线，试由这些数据求出电子的荷质比线，试由这些数据求出电子的荷质比线，试由这些数据求出电子的荷质比e/me/me e.沿磁场方向观察到的是两条沿磁场方向观察到的是两条线，它们之间的波数差是线，它们之间的波数差是2L。例题例题例题例题6 6：CaCa原子原子原子原子3 3F F2 2 3 3P P2 2跃迁的光谱线在磁场中，跃迁的光谱线在磁场中，跃迁的光谱线在磁场中，跃迁的光谱线在磁场中，（1 1）可分裂为多少谱线？）可分裂为多少谱线？）可分

10、裂为多少谱线？）可分裂为多少谱线？（2 2）它们与原来的谱线的波数差是多少（以洛仑兹单位）它们与原来的谱线的波数差是多少（以洛仑兹单位）它们与原来的谱线的波数差是多少（以洛仑兹单位）它们与原来的谱线的波数差是多少（以洛仑兹单位表示）？表示）？表示）？表示）？（3 3）若迎着磁场方向观察可看到几条谱线？它们是圆偏）若迎着磁场方向观察可看到几条谱线？它们是圆偏）若迎着磁场方向观察可看到几条谱线？它们是圆偏）若迎着磁场方向观察可看到几条谱线？它们是圆偏振光，线偏振光，还是二者皆是？（中科院）振光，线偏振光，还是二者皆是？（中科院）振光，线偏振光，还是二者皆是？（中科院）振光，线偏振光，还是二者皆是？

11、（中科院）3P23F2mj 2 1 0 -1 -2mj2g2 4/3 2/3 0 -2/3 -4/3分为分为12条，分裂谱线与原谱线波数差：条，分裂谱线与原谱线波数差：g2=2/3；g1=3/2mj2g2 6/2 3/2 0 -3/2 -6/2迎着磁场方向观察可看到迎着磁场方向观察可看到迎着磁场方向观察可看到迎着磁场方向观察可看到8 8条圆偏振谱线。条圆偏振谱线。条圆偏振谱线。条圆偏振谱线。-1/6 4/6 9/6 14/6+-14/6 -9/6 -4/6 1/6-10/6 -5/6 0 5/6 10/6 CaCa原子原子原子原子3 3F F2 23 3P P2 2跃迁跃迁跃迁跃迁B0mj m

12、jg 能级间隔能级间隔 (mjg)B=03 3F F2 23 3P P2 2210-1-24/32/30-2/3-4/3g2=2/3；g1=3/2210-1-26/23/20-3/2-6/22/33/2例题例题例题例题7 7：HeHe原子原子原子原子1s3d1s3d1 1D D2 21s2p1s2p1 1P P1 1跃迁的光谱线波长为跃迁的光谱线波长为跃迁的光谱线波长为跃迁的光谱线波长为6678.106678.10埃，埃，埃，埃，今将今将今将今将HeHe原子放在原子放在原子放在原子放在B=2.5TB=2.5T的磁场中，从垂直磁场方向观的磁场中，从垂直磁场方向观的磁场中，从垂直磁场方向观的磁场中

13、，从垂直磁场方向观察，问：察，问：察，问：察，问：（1 1）谱线分裂为几条？）谱线分裂为几条？）谱线分裂为几条？）谱线分裂为几条？（2 2）画出越迁的能级图和对应的）画出越迁的能级图和对应的）画出越迁的能级图和对应的）画出越迁的能级图和对应的GrotrainGrotrain图；图；图；图；（3 3）最长的波长是多少？）最长的波长是多少？）最长的波长是多少？）最长的波长是多少？2 1 0 -1 -22 1 0 -1 -22 1 0 -1 -22 1 0 -1 -21 0 -11 0 -1-1 -1 -1 0 0 0 1 1 1-1 -1 -1 0 0 0 1 1 1MMMM2 2 g g2 2M

14、M1 1 g g1 1MM2 2 g g2 2-M-M1 1 g g1 1格罗春图格罗春图格罗春图格罗春图:g g2 2=1,g=1,g1 1=1=1 正常塞曼效应，九种跃迁，三条谱线正常塞曼效应，九种跃迁，三条谱线HeHe原子原子原子原子1s3d1s3d1 1D D2 21s2p1s2p1 1P P1 1例题例题例题例题7 7：HeHe原子原子原子原子1s3d1s3d1 1D D2 21s2p1s2p1 1P P1 1跃迁的光谱线波长为跃迁的光谱线波长为跃迁的光谱线波长为跃迁的光谱线波长为667.810nm667.810nm，今将，今将，今将，今将HeHe原子放在原子放在原子放在原子放在B=

15、2.5TB=2.5T的磁场中，从垂的磁场中，从垂的磁场中，从垂的磁场中，从垂直磁场方向观察，问：直磁场方向观察，问：直磁场方向观察，问：直磁场方向观察，问：（1 1）谱线分裂为几条？）谱线分裂为几条？）谱线分裂为几条？）谱线分裂为几条？（2 2）画出越迁的能级图和对应的）画出越迁的能级图和对应的）画出越迁的能级图和对应的）画出越迁的能级图和对应的GrotrainGrotrain图；图；图；图；（3 3）最长的波长是多少？）最长的波长是多少？）最长的波长是多少？）最长的波长是多少？讨论讨论NaNa双双线线：，在外场中的分裂在外场中的分裂 解：跃迁选择定则：(除外)(1)：1/2 -1/2：1/2 -1/2 0,+1,-1 ，分为4条。(2)格格罗罗春春图图：3/2 1/2 -1/2 -3/2 ：1/2 -1/2 0,+1,-1 ，分为六条。