原子物理6在磁场中的原子省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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1、第六章第六章 在磁场中原子在磁场中原子6.1 原子磁矩原子磁矩6.2 外磁场对原子作用外磁场对原子作用6.3 史特恩盖拉赫试验结果史特恩盖拉赫试验结果6.4 顺磁共振顺磁共振6.5 塞曼效应塞曼效应6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性第1页 6.1 原子磁矩原子磁矩一、单电子原子总磁矩一、单电子原子总磁矩轨道磁矩：轨道磁矩：自旋磁矩：自旋磁矩：第2页磁矩和角动量比值磁矩和角动量比值为：为：其中其中 和和 分别是轨道和自旋分别是轨道和自旋 g 因子。因子。第3页 引引入入 g 因因子子之之后后，任任意意角角动动量量对对应应磁磁矩矩 能够统一表示为：能够统一表示为：量量子子数数j取

2、取定定后后，mj=j,j-1,-j，共共2j+1个个值值。取取j=l,s就就能能够够分分别别得得到到轨轨道道和和自自旋旋磁磁矩。矩。第4页单电子原子总磁矩，以及其分量表示式单电子原子总磁矩，以及其分量表示式:第5页jlspspjpl第6页因因为为 ，所以，所以 不可能共线。不可能共线。在在外外磁磁场场不不太太强强时时，pl、ps分分别别绕绕pj旋旋进进，所所以对应以对应 合成合成 绕绕-pj方向旋进。方向旋进。我我们们能能够够将将 沿沿pj方方向向和和垂垂直直于于pj方方向向分分解解，在在 旋旋进进过过程程中中，垂垂直直于于pj方方向向分分量量绕绕着着pj转转动动，对对外外总总效效果果为为0，

3、对对外外发发生生效效果果是是沿沿pj方方向向分分量量 ，它方向保持不变，它方向保持不变，就是原子总磁矩。就是原子总磁矩。第7页计算计算 ：又又第8页其中其中称为朗德称为朗德g因子。因子。当当 s=0,时时,当当 l=0,时时,第9页 是最终一个电子是最终一个电子,是是(n-1)个电子集体个电子集体。二、多电子原子磁矩二、多电子原子磁矩（1）LS耦合耦合（2）Jj耦合耦合第10页比如：比如：氢原子处于基态时，氢原子处于基态时，所以其基态状态为所以其基态状态为能够求得能够求得而而所以所以从而从而第11页6.2 外磁场对原子作用外磁场对原子作用 在在外外磁磁场场B中中，原原子子磁磁矩矩 受受磁磁场场

4、力力矩矩作作用用，绕绕B连续进动现象。连续进动现象。一、拉莫尔旋进一、拉莫尔旋进第12页dBdPPJ JPJ绕磁场旋进示意图绕磁场旋进示意图dBdPPJ J第13页旋进频率：旋进频率：其中其中 旋进角速度。旋进角速度。由上图可得由上图可得由由得得但但所以所以称为旋磁比。称为旋磁比。第14页二、原子受磁场作用附加能量二、原子受磁场作用附加能量磁量子数：磁量子数：共共2J+1个个第15页洛仑兹单位：洛仑兹单位：光谱项差：光谱项差：第16页 3、分分裂裂后后两两相相邻邻磁磁能能级级间间隔隔都都等等于于gBB，即即由由同同一一能能级级分分裂裂出出来来诸诸磁磁能能级级间间隔隔都都相相等等，但但从从不不一

5、一样样能能级级分分裂裂出出来来磁磁能能级级间间隔隔彼彼此此不不一一定相等，因为定相等，因为g因子不一样。因子不一样。1、原原子子在在磁磁场场中中所所取取得得附附加加能能量量与与B成成正正比；比；结论结论:2、因因为为M取取(2J+1)个个可可能能值值，所所以以无无磁磁场场时时原原子子一一个个能能级级，在在磁磁场场中中分分为为(2J+1)个个子子能能级。级。第17页几个双重态几个双重态g因子和因子和Mg值值 gMg212/31/3 4/32/3,6/34/52/5,6/56/53/5,9/5,15/5第18页无磁场无磁场有磁场有磁场M Mg3/2 6/31/2 2/3-1/2 -2/3-3/2

6、-6/3能级在磁场中分裂情况能级在磁场中分裂情况第19页所以在弱磁场中原子能级可表为：所以在弱磁场中原子能级可表为：需需要要指指出出是是：只只有有外外加加磁磁场场B较较弱弱时时上上述述讨讨论论才才正正确确。因因为为只只有有在在这这一一条条件件下下，原原子子内内旋旋轨轨相相互互作作用用才才不不至至于于被被磁磁场场所所破破坏坏，S和和 L才才能能合合成成总总磁磁矩矩，且且 绕绕PJ旋旋转转很很快快，以以至至于于对对外外加加磁磁场场而而言言，有有效效磁磁矩矩仅仅为为 在在PJ方方向向投投影影 J。在在弱弱磁磁场场B中中原原子子所所取取得附加能量才为得附加能量才为 。第20页 假假如如磁磁场场B加加强

7、强到到一一定定程程度度，超超出出原原子子内内部部旋旋轨轨作作用用，使使PJ在在磁磁场场中中旋旋转转频频率率远远小小于于PL和和PS分分别别绕绕磁磁场场旋旋转转频频率率，以以至至于于在在磁磁场场中中能能够够认认为为PL和和PS耦耦合合被被破破坏坏，磁磁场场作作用用就就使使得得PL和和PS分分别别在在磁磁场场中中很很快快旋旋转转。这这时时原原子子在在磁磁场场中中附附加加能能量量主主要要由由 L和和 S在在磁磁场场中中能能量量来来决决定定，即即附附加加能能量量由由 和和 之和来确定。之和来确定。第21页第22页 因因为为旋旋轨轨作作用用被被破破坏坏，在在强强磁磁场场中中原原子子能能级级应表为：应表为

8、：即即在在强强磁磁场场中中附附加加能能量量 值值由由ML和和MS组组合合决决定定，L一一定定时时ML有有（2L+1）个个可可能能值值，MS有有（2S+1）个个可可能能值值，组组合合结结果果使使附附加加能能量量有有若若干干个个可可能能值值，所所以以磁磁场场中中每每一一个个能能级级将将分分裂裂为为若若干干个个子子能能级级，在在这这些些子子能能级级间间跃跃迁迁要要符符合合选选择择定则：定则：第23页第24页第25页 6.3 史特恩史特恩-盖拉赫试验结果盖拉赫试验结果 1、非非均均匀匀磁磁场场中中，原原子子束束会会发发生生分分裂裂，分分裂条数为裂条数为(2J+1)条。条。2、原子束偏离原方向横向位移为

9、、原子束偏离原方向横向位移为第26页第27页无磁场无磁场有磁场有磁场NS第28页史特恩史特恩-盖拉赫试验结果盖拉赫试验结果 原子原子 基态基态 g Mg 相片图样相片图样 Cd,HgSn,PbH,Li,Na,KCu,Ag,AuTlO22/33/23/2 0 00第29页 固固体体在在恒恒定定磁磁场场和和高高频频交交变变电电磁磁场场共共同同作作用用下下，在在某某一一频频率率附附近近产产生生对对高高频频电电磁磁场场共共振振吸吸收收现象。现象。若若产产生生磁磁共共振振磁磁矩矩是是顺顺磁磁体体中中原原子子（或或离离子子）磁磁矩矩，则则称称为为顺顺磁磁共共振振；若若磁磁矩矩是是原原子子核核自自旋旋磁磁矩

10、矩，则则称称为为核核磁磁共共振振。若若磁磁矩矩为为铁铁磁磁体体中中电电子子自自旋磁矩，则称为旋磁矩，则称为铁磁共振铁磁共振。6.4 顺磁共振和核磁共振顺磁共振和核磁共振一、磁共振一、磁共振第30页 电电子子顺顺磁磁共共振振（electron paramagnanetic resonance，EPR）是是由由不不配配对对电电子子磁磁矩矩发发源源一一个个磁磁共共振振技技术术，可可用用于于从从定定性性和和定定量量方方面面检检测测物物质质原原子子或或分分子子中中所所含含不不配配对对电电子子，并并探探索索其其周周围围环环境境结结构构特特征征。对对自自由由基基而而言言，轨轨道道磁磁矩矩几几乎乎不不起起作作

11、用用，总总磁磁矩矩绝绝大大部部分分（99以以上上）贡贡献献来来自自电电子子自自旋旋，所所以以电电子子顺顺磁磁共共振振亦亦称称“电子自旋共振电子自旋共振”（ESR）。）。二、顺磁共振二、顺磁共振第31页 顺顺磁磁性性原原子子(即即含含有有磁磁矩矩原原子子)置置于于磁磁场场中中，其其能能级级分分裂裂为为(2J+1)层层，假假如如在在原原子子所所在在稳稳定定磁磁场场区区域域又又叠叠加加一一个个与与稳稳定定磁磁场场相相垂垂直直交交变变磁磁场场，而而且且调调整整交交变变磁场频率使磁场频率使hv满足满足则则原原子子将将在在两两临临近近磁磁能能级级之之间间发发生生跃跃迁迁，可可经经过过仪仪器器探测出来。探测

12、出来。第32页 电电子子顺顺磁磁共共振振首首先先是是由由前前苏苏联联物物理理学学家家 EK扎扎沃沃伊伊斯斯基基于于1944年年从从MnCl2、CuCl2等等顺顺磁磁性性盐盐类类发发觉觉。物物理理学学家家最最初初用用这这种种技技术术研研究究一一些些复复杂杂原原子子电电子子结结构构、晶晶体体结结构构、偶偶极极距距及及分分子子结结构构等等问问题题。以以后后化化学学家家依依据据电电子子顺顺磁磁共共振振测测量量结结果果，说说明明了了复复杂杂有有机机化化合合物物中中化化学学键键和和电电子子密密度度分分布布以以及及与与反反应应机机理理相相关许多问题。关许多问题。美美国国B康康芒芒纳纳等等人人于于1954年年

13、首首次次将将电电子子顺顺磁磁共共振振技技术术引引入入生生物物学学领领域域之之中中，他他们们在在一一些些植植物物与与动动物物材材料料中中观观察察到到有有自自由由基存在。基存在。20世世纪纪60年年代代以以来来，因因为为仪仪器器不不停停改改进进和和技技术术不不停停创创新新，电电子子顺顺磁磁共共振振技技术术至至今今已已在在物物理理学学、半半导导体体、有有机机化化学学、络络合合物物化化学学、辐辐射射化化学学、化化工工、海海洋洋化化学学、催催化化剂剂、生生物物学学、生生物物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛应用。化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛应用。第33页 （1）提提

14、供供必必要要共共振振频频率率电电磁磁波波发发生生器器速速调调管管(微波系统微波系统)（2）由电磁铁提供稳定磁场）由电磁铁提供稳定磁场(磁铁系统磁铁系统)（3）可可使使样样品品处处于于磁磁场场和和电电磁磁波波都都适适当当方方向向样样品腔品腔(谐振腔谐振腔)（4）检检测测系系统统(包包含含检检波波器器、放放大大器器、统统计计器器等等)电子顺磁共振仪器组成部分电子顺磁共振仪器组成部分第34页C 微波谐振微波谐振腔，放置顺腔，放置顺磁性物质磁性物质G 电磁波发电磁波发生器，发出生器，发出电磁波经波电磁波经波导送入谐振导送入谐振腔腔D 探测器探测器R 统计器统计器第35页第36页第37页电子顺磁共振波谱

15、仪惯用微波频率有以下电子顺磁共振波谱仪惯用微波频率有以下3种情况：种情况：波带波带频率频率v(千兆赫千兆赫)波长波长(厘米厘米)对应共振磁场H(高斯)X9.53.160.3390K241.250.8560Q350.861.2490其中尤以其中尤以X波带最为惯用。波带最为惯用。第38页 对对于于 原原子子束束或或 ，但但组组成成份份子子时时，整整个个分分子子磁磁矩矩为为零零，这这么么原原子子束束或或分分子子束束在在外外磁磁场场作作用用下，将产生由核磁矩下，将产生由核磁矩 引发磁能级。引发磁能级。gI 核朗德因子核朗德因子二、核磁共振二、核磁共振(Nuclear Magnetic Resonanc

16、e即即NMR)核磁子核磁子两邻近磁能级之间间隔为两邻近磁能级之间间隔为第39页当交变磁场频率满足下面关系时当交变磁场频率满足下面关系时将发生核磁能级之间共振吸收。这称为核磁共振。将发生核磁能级之间共振吸收。这称为核磁共振。若已知若已知H和和N，则可求出，则可求出gI和和 I。第40页恩施州中心医院恩施州中心医院“美国美国GE Signa HDe 1.5T超导磁共振超导磁共振”第41页 核核磁磁共共振振成成像像：是是将将人人体体置置于于特特殊殊磁磁场场中中，用用无无线线电电射射频频脉脉冲冲激激发发人人体体内内氢氢原原子子核核，引引发发氢氢原原子子核核共共振振，并并吸吸收收能能量量。在在停停顿顿射

17、射频频脉脉冲冲后后，氢氢原原子子核核按按特特定定频频率率发发出出射射电电信信号号，并并将将吸吸收收能能量量释释放放出出来来，被被体体外外接接收收器器收收录录，经经电电子子计计算算机机处处理理取取得得图图像像，这这就就叫叫做核磁共振成像。做核磁共振成像。它它对对疾疾病病诊诊疗疗含含有有很很大大潜潜在在优优越越性性。它它能能够够直直接接作作出出横横断断面面、矢矢状状面面、冠冠状状面面和和各各种种斜斜面面体体层层图图像像，不不会会产产生生CT检检测测中中伪伪影影；不不需需注注射射造造影影剂剂；无无电电离离辐辐射射，对对机机体体没没有有不不良良影影响响。MR对对检检测测脑脑内内血血肿肿、脑脑外外血血肿

18、肿、脑脑肿肿瘤瘤、颅颅内内动动脉脉瘤瘤、动动静静脉脉血血管管畸畸形形、脑脑缺缺血血、椎椎管管内内肿肿瘤瘤、脊脊髓髓空空洞洞症症和和脊脊髓髓积积水水等等颅颅脑脑常常见见疾疾病病非非常常有有效效，同同时时对对腰腰椎椎椎椎间间盘盘后后突突、原原发发性性肝癌等疾病诊疗也很有效。肝癌等疾病诊疗也很有效。第42页EPR和和NMR区分：区分：(1)EPR是是研研究究电电子子磁磁矩矩与与外外磁磁场场相相互互作作用用，即即通通常常认认为为是是电电子子塞塞曼曼效效应应引引发发，而而NMR是是研研究究核核在在外外磁磁场场中中核核塞塞曼曼能能级级间间跃跃迁迁。换换言言之之，EPR和和NMR是是分分别别研研究究电电子子

19、磁磁矩矩和和核核磁磁矩矩在在外外磁场中重新取向所需能量。磁场中重新取向所需能量。(2)EPR共共振振频频率率在在微微波波波波段段(频频率率为为300MHz-300GHz即即波波长长在在1米米到到1毫毫米米之之间间电电磁磁波波，通通常常也也称称为为“超超高高频频电电磁磁波波”)，NMR共共振振频频率率在在射射频频波波段段(频频率率范范围围从从300KHz30GHz之之间间)。(3)EPR灵灵敏敏度度比比NMR灵灵敏敏度度高高，EPR检检出出所所需需自自由由基基绝绝对浓度约对浓度约10-8M数量级。数量级。(4)EPR和和NMR仪仪器器结结构构上上差差异异：前前者者是是恒恒定定频频率率，采采取取扫

20、场法，后者是恒定磁场，采取扫频法。扫场法，后者是恒定磁场，采取扫频法。第43页6.5 塞曼效应塞曼效应 1896年年开开始始荷荷兰兰物物理理学学家家塞塞曼曼（P.Zeeman)逐逐步步发发觉觉，当当光光源源放放在在足足够够强强磁磁场场中中时时，所所发发射射每每一一条条光光谱谱线线都都分分裂裂成成几几条条，条条数数随随能能级级类类别别而而不不一一样样，分分裂裂后后谱谱线线成成份份是是偏偏振振。人人们们称称这这种种现现象象为为塞塞曼曼效效应应(原原子子光光谱谱在在外外磁磁场场中中深深入入发发生生分分裂现象裂现象）。一、塞曼效应一、塞曼效应第44页 依依据据谱谱线线分分裂裂情情况况不不一一样样，塞塞

21、曼曼效效应应分分为为正常塞曼效应正常塞曼效应与与反常塞曼效应反常塞曼效应。普普通通情情况况下下，谱谱线线分分裂裂成成很很多多成成份份。称称为为反常塞曼效应反常塞曼效应，也叫，也叫复杂塞曼效应复杂塞曼效应。特特殊殊情情况况下下，谱谱线线分分裂裂成成三三种种成成份份。称称为为正常塞曼效应正常塞曼效应，也叫，也叫简单塞曼效应简单塞曼效应。塞塞曼曼效效应应反反应应了了原原子子所所处处状状态态，从从塞塞曼曼效效应应试试验验结结果果能能够够推推断断相相关关能能级级分分裂裂情情况况，是是研研究原子结构主要路径之一。究原子结构主要路径之一。第45页NA*SEESP EE B B第46页 单单线线系系每每一一条

22、条谱谱线线，在在垂垂直直磁磁场场方方向向观观察察时时，每每一一条条分分裂裂为为三三条条，彼彼此此间间隔隔相相等等，中中间间一一条条()线线频频率率不不变变；左左右右两两条条()频频率率改改变变为为=L(一一个个洛洛仑仑兹兹单单位位)，它它们们都都是是线线偏偏振振。线线电电矢矢量量振振动动方方向向平行于磁场；平行于磁场；线电矢量振动方向垂直于磁场。线电矢量振动方向垂直于磁场。当当沿沿磁磁场场方方向向观观察察时时，中中间间 成成份份看看不不到到，只只能能看到两条看到两条 线，它们都是圆偏振。线，它们都是圆偏振。二、试验规律二、试验规律1、正常塞曼效应、正常塞曼效应第47页2、反常塞曼效应、反常塞曼

23、效应 双双重重或或多多重重结结构构原原子子光光谱谱，在在较较弱弱磁磁场场中中，每一条谱线分裂成许多条分线。每一条谱线分裂成许多条分线。第48页 Na58965890无磁场无磁场在垂直在垂直于于B方向方向观察观察沿沿 B方方向观察向观察Cd 6438BBB 第49页正常三重线正常三重线锌正常塞曼效应锌正常塞曼效应锌单线锌单线无磁场无磁场加磁场加磁场第50页钠根本系双线钠根本系双线加磁场加磁场反常花样反常花样钠反常塞曼效应钠反常塞曼效应无磁场无磁场第51页2、磁能级之间跃迁选择定则、磁能级之间跃迁选择定则 产生产生 线线 (但但 时，时，除外除外)产生产生 线线三、塞曼效应理论解释三、塞曼效应理论

24、解释1、分裂后谱线与原来谱线波数、分裂后谱线与原来谱线波数(或频率或频率)差差第52页 依据上述理论能够解释塞曼效应试验事实。依据上述理论能够解释塞曼效应试验事实。(1)对对于于单单线线系系一一条条谱谱线线，因因为为S=0，2S+1=1，所所以能够算出以能够算出g2=g1=1，因而：，因而：第53页 比比如如镉镉6438.47埃埃红红线线在在磁磁场场中中分分裂裂情情况况就就是正常塞曼效应是正常塞曼效应：这条线对应跃迁是这条线对应跃迁是1D21P1LSJMgMg1D22020，1，210，1，21P11010，110，1第54页简便方法计算波数改变：简便方法计算波数改变：M 2 1 0 -1 -

25、2 M2g2 2 1 0 -1 -2M1g1 1 0 -1（M2g2-M1g1）=0 0 0-1-1-11 1 1第55页Cd6438正常塞曼效应跃迁图正常塞曼效应跃迁图第56页 0L 01D21P16438无磁场无磁场有磁场有磁场MMg-1-2-1-2210210-1-11010第57页 (2)对对于于含含有有双双重重或或多多重重结结构构光光谱谱线线在在磁磁场场中中分裂情况，因为分裂情况，因为 因而，因而，由由 组合，结合选择定则，就可得组合，结合选择定则，就可得到许多条分线。到许多条分线。第58页这两条线对应跃迁是：这两条线对应跃迁是：2P3/22P1/22S1/22S1/2 比比如如Na

26、5890埃埃和和5896埃埃双双线线在在磁磁场场中中分分裂裂情情况以下：况以下：LSJMgMg2S1/201/21/21/2212P1/211/21/21/22/31/32P3/211/23/21/23/24/32/3 6/3第59页2P3/22S1/2M 3/2 1/2 -1/2 -3/2 M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3M1g1 1 -1（M2g2-M1g1）=-1/3 1/3-5/3 -3/33/3 5/3第60页2P1/22S1/2M 1/2 -1/2 M2g2 1/3 -1/3 M1g1 1 -1（M2g2-M1g1）=-2/3 2/3-4/34/3第61页钠反常塞曼效应

27、跃迁图钠反常塞曼效应跃迁图第62页2P3/22P1/22S1/2无磁场无磁场有磁场有磁场-3/2 -6/3Mg-1/2 -2/3M3/2 6/31/2 2/31/2 1/3-1/2 -1/31/2 1-1/2 -1 5896589058965890第63页 为为了了解解释释正正常常塞塞曼曼效效应应中中偏偏振振光光，我我们们首首先先介介绍下面几个基本概念：绍下面几个基本概念：1)当当原原子子处处于于某某能能级级分分裂裂后后新新能能级级M上上时时，其其角动量在角动量在 方向分量是方向分量是 ，光子角动量是，光子角动量是 ；2)原原子子在在不不一一样样能能级级间间辐辐射射跃跃迁迁时时，角角动动量量是

28、是守守恒恒，换换句句话话说说，系系统统辐辐射射前前总总角角动动量量等等于于辐辐射射后后系统角动量加上光子角动量；系统角动量加上光子角动量；3)辐辐射射跃跃迁迁遵遵从从选选择择定定则则 ，但但新新跃跃迁不能发生在同一能级分裂诸新能级之间。迁不能发生在同一能级分裂诸新能级之间。3、偏振情况、偏振情况第64页 a.当当 时时，意意味味着着原原子子在在磁磁场场方方向向角角动动量量降降低低 ，所所发发光光子子必必定定含含有有在在磁磁场场方方向向角角动动量量 ，在在磁磁场场指指向向观观察察者者方方向向观观察察光光源源时时是是左左旋旋光光，垂垂直于直于 方向上看是线偏振光。方向上看是线偏振光。b.当当 时时

29、，光光子子角角动动量量与与 方方向向相相反反，以以抵抵消消总总角角动动量量增增加加，所所以以平平行行于于 方方向向上上看看是是右右旋旋光，垂直于光，垂直于 方向上看是线偏振光。方向上看是线偏振光。c.当当 时时，光光子子角角动动量量应应垂垂直直于于 方方向向，使使其其不不影影响响 方方向向角角动动量量守守恒恒，这这时时在在平平行行于于 方方向向看看不到此光，而在垂直于不到此光，而在垂直于 方向看到线偏振方向看到线偏振线。线。利利用用上上面面几几条条，我我们们能能够够对对各各种种偏偏振振现现象象给给出出合理解释：合理解释：第65页 正正常常塞塞曼曼效效应应，产产生生于于S=0,g=1 系系统统，

30、此此时时不不包包括括自自旋旋，所所以以经经典典理理论论就就能能够够对对它它作作出出解释。解释。在在发发觉觉并并解解释释了了正正常常塞塞曼曼效效应应同同时时，人人们们观观察察到到，普普通通情情况况下下，光光谱谱分分裂裂数数目目并并不不是是三三个，间隔也不相同。个，间隔也不相同。从从1897年年发发觉觉反反常常塞塞曼曼效效应应，在在长长达达三三十十年年时时间间内内，人人们们一一直直无无法法解解释释它它，直直到到电电子子自自旋假设提出后，反常塞曼效应才得到合理解释。旋假设提出后，反常塞曼效应才得到合理解释。第66页4、对、对Zeeman跃迁选择定则解释跃迁选择定则解释 产生产生 线线 (但但 时，时

31、，除外除外)例：讨论锌例：讨论锌3S1态向态向3P1态跃迁塞曼效应。态跃迁塞曼效应。LSJMgMg3S10110，120，23P11110，13/20，3/2第67页M 1 0 -1M2g2 2 0 -2M1g1 3/2 0 -3/2(M2g2-M1g1)=1/2 -1/2-3/2 -22 3/23S13P1第68页3S13P1无磁场无磁场有磁场有磁场MMg10-120-210-13/2 0-3/2第69页 1、上上述述塞塞曼曼效效应应是是在在弱弱磁磁场场中中(即即磁磁场场不不破破坏坏LS耦耦合合情情况况)观观察察到到。若若外外磁磁场场增增加加到到很很强强时时，破破坏坏了了LS耦耦合合，则则一

32、一切切反反常常塞塞曼曼效效应应将将趋趋于于正正常常塞塞曼曼效效应应，这这种种现现象象称称为为帕帕邢邢巴巴克效应。克效应。四、帕邢四、帕邢巴克效应巴克效应第70页 磁磁场场很很强强破破坏坏了了LS耦耦合合，此此时时PL和和PS互互不不相相干干各各自自绕绕外外磁磁场场B进进动动，所所以以原原子子系系统统受受外外磁磁场场B作用所取得附加能量为两部分进动能量之和。作用所取得附加能量为两部分进动能量之和。2、理论解释、理论解释式中式中而而第71页6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性一、抗磁性一、抗磁性 当当磁磁化化强强度度为为负负时时，固固体体表表现现为为抗抗磁磁性性。Bi、Cu、Ag、

33、Au等金属含有这种性质。等金属含有这种性质。在在外外磁磁场场中中，这这类类磁磁化化了了介介质质内内部部磁磁感感应应强强度度小小于于真真空空中中磁磁感感应应强强度度。抗抗磁磁性性物物质质原原子子（离离子子）磁磁矩矩应应为为零零，即即不不存存在在永永久久磁磁矩矩。当当抗抗磁磁性性物物质质放放入入外外磁磁场场中中，外外磁磁场场使使电电子子轨轨道道改改变变，感感生生一一个个与与外外磁磁场场方方向向相相反反磁磁矩矩，表表现现为为抗抗磁磁性性。所所以以抗抗磁磁性性起起源源于于原原子子中中电电子子轨轨道道状状态态改改变变。抗抗磁磁性性物物质质抗抗磁磁性性普普通通很微弱，磁化率普通约为很微弱，磁化率普通约为-

34、10-6，为负值。，为负值。第72页二、顺磁性二、顺磁性 顺顺磁磁性性物物质质主主要要特特征征是是，不不论论外外加加磁磁场场是是否否存存在在，原原子子内内部部存存在在永永久久磁磁矩矩。但但在在无无外外加加磁磁场场时时，因因为为顺顺磁磁物物质质原原子子做做无无规规则则热热振振动动，宏宏观观看看来来，没没有有磁磁性性；在在外外加加磁磁场场作作用用下下，每每个个原原子子磁磁矩矩比比较较规规则则地地取取向向，物物质质显显示示极极弱弱磁磁性性。磁磁化化强强度度与与外外磁磁场场方方向向一致，为正，而且严格地与外磁场一致，为正，而且严格地与外磁场H成正比。成正比。顺顺磁磁性性物物质质磁磁性性除除了了与与H相

35、相关关外外，还还依依赖赖于于温温度度。其其磁磁化化率率与绝对温度与绝对温度T成反比：成反比：=C/T式中，式中，C称为居里常数，取决于顺磁物质磁化强度和磁矩大小。称为居里常数，取决于顺磁物质磁化强度和磁矩大小。顺顺磁磁性性物物质质磁磁化化率率普普通通也也很很小小，室室温温下下约约为为10-5。普普通通含含有有奇奇数数个个电电子子原原子子或或分分子子，电电子子未未填填满满壳壳层层原原子子或或离离子子，如如过过渡渡元元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。第73页三、铁磁性 过渡族金属（如Fe、Co、Ni等）及它们合金和化合

36、物所含有磁性。室温下磁化率可达103数量级。研究简史：铁磁理论奠基者，法国物理学家P.E.外斯于19提出了铁磁现象唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化小区域称为磁畴，每个磁畴磁化均到达磁饱和。试验表明，磁畴磁矩起因于电子自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体自发磁化强度，给予外斯“分子场”以量子力学解释。1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫铁磁理论认为铁磁性起源于不配正确电子自旋直接交换作用。第74页铁磁性特点：铁磁性特点：在在外外磁磁场场作作用用下下较较易易到到达达磁磁饱饱和和，此此时时磁磁化化强

37、强度度不不再再随外磁场增加而增加，而普通顺磁体则极难到达磁饱和。随外磁场增加而增加，而普通顺磁体则极难到达磁饱和。磁磁化化强强度度与与磁磁场场强强度度间间关关系系不不是是线线性性，即即磁磁化化率率和和磁磁导导率率不不是是常常数数，而而顺顺磁磁体体磁磁化化率率和和磁磁导导率率在在一一定定温温度度下下是是常常数。数。存存在在一一个个临临界界温温度度Tc，当当温温度度高高于于Tc时时铁铁磁磁性性消消失失，铁铁磁磁体体转转变变成成顺顺磁磁体体，Tc称称为为居居里里温温度度或或居居里里点点。在在居居里里温温度度附附近磁导率和比热容展现反常增加。近磁导率和比热容展现反常增加。外外磁磁场场改改变变时时，磁磁化化强强度度改改变变滞滞后后于于外外磁磁场场改改变变，此此称称磁磁滞滞效效应应，磁磁滞滞效效应应表表明明铁铁磁磁体体磁磁化化过过程程包包含含了了显显著著不不可可逆逆过过程程。当当撤撤去去外外磁磁场场时时，铁铁磁磁体体仍仍保保留留部部分分磁磁性性，磁磁化化强强度度不不为为零零，称称为为剩剩磁磁。而而顺顺磁磁体体在在撤撤去去外外磁磁场场时时，磁磁化化强强度度马上变为零。马上变为零。第75页