在磁場(chǎng)中的原子作用和效應(yīng)

1、在磁場(chǎng)中的原子作用和效應(yīng)6.1 原子的磁矩6.2 外磁場(chǎng)對(duì)原子的作用6.3 史特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果6.4 順磁共振6.5 塞曼效應(yīng)6.6 抗磁性，順磁性赫鐵磁性塞曼效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)1896年開始荷蘭物理學(xué)家塞曼（P.Zeeman)逐步發(fā)現(xiàn),當(dāng)光源放在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中時(shí)，所發(fā)射的每一條光譜線都分裂成幾條,條數(shù)隨能級(jí)的類別而不同,分裂后的譜線成分是偏振的。人們稱這種現(xiàn)象為塞曼效應(yīng)。(原子光譜在外磁場(chǎng)中進(jìn)一步發(fā)生分裂的現(xiàn)象）一、塞曼效應(yīng)NA*SEESPEE B B 單線系的每一條譜線,在垂直磁場(chǎng)方向觀察時(shí),每一條分裂為三條,彼此間隔相等,中間一條( ) 線頻率不變;左右兩條( )頻率的改變?yōu)?L（一個(gè)洛

2、侖茲單位），它們都是線偏振的。線的電矢量振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)； 線的電矢量振動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)； 當(dāng)沿磁場(chǎng)方向觀察時(shí),中間的 成分看不到,只能看到兩條 線,，它們都是圓偏振的。二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.正常塞曼效應(yīng) 垂直于磁場(chǎng)方向觀察沿著磁場(chǎng)方向觀察 在投影儀下觀察2.反常塞曼效應(yīng) 雙重或多重結(jié)構(gòu)的原子光譜,在較弱的磁場(chǎng)中,每一條譜線分裂成許多條分線。 Na58965890無(wú)磁場(chǎng)在垂直于B方向觀察沿 B方向觀察Cd6438BBB 正常三重線鋅的正常塞曼效應(yīng)鋅的單線鈉主線系的雙線加磁場(chǎng)反?；逾c的反常塞曼效應(yīng)無(wú)磁場(chǎng)返回目錄 6.2 原子的有效磁矩一、單電子原子的總磁矩軌道磁矩：自旋磁矩：jlsPsPjPl 朗

3、德因子 當(dāng) s = 0, 時(shí) 當(dāng) , 時(shí)單電子原子總磁矩（有效磁矩） 是最后一個(gè)電子的, 是(n-1)個(gè)電子集體的 。 二、多電子原子的磁矩（1）L-S耦合（2）j-j耦合返回目錄外磁場(chǎng)對(duì)原子的作用 在外磁場(chǎng)B中,原子磁矩 受磁場(chǎng)力矩的作用, 繞B連續(xù)進(jìn)動(dòng)的現(xiàn)象。 一、拉莫旋進(jìn)旋進(jìn)頻率：旋進(jìn)角速度:dBdPPJJPj繞磁場(chǎng)旋進(jìn)示意圖JdBdPPJJJ二、原子受磁場(chǎng)作用的附加能量磁量子數(shù)：共（2J+1）個(gè)洛侖茲單位：光譜項(xiàng)差： 3.分裂后的兩相鄰磁能級(jí)的間隔都等于 即由同一能級(jí)分裂出來(lái)的諸磁能級(jí)的間隔都相等, 但從不同的能級(jí)分裂出來(lái)的磁能級(jí)的間隔彼此 不一定相等,因?yàn)間因子不同。 1.原子在磁場(chǎng)

4、中所獲得的附加能量與B成正比；結(jié)論:2.因?yàn)镸取(2J+1)個(gè)可能值,因此無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的原子 的一個(gè)能級(jí),在磁場(chǎng)中分為(2J+1)個(gè)子能級(jí)。表4.1 幾種雙重態(tài)g因子和Mg的值2 1/2gMg2/34/34/56/5 1/3 2/3,6/3 2/5,6/5 3/5,9/5,15/5無(wú)磁場(chǎng)有磁場(chǎng)M Mg3/2 6/31/2 2/3-1/2 -2/3-3/2 -6/3能級(jí)在磁場(chǎng)中分裂情況需要指出的是：只有外加磁場(chǎng)B較弱時(shí)上述討論才正確。因?yàn)橹挥性谶@一條件下，原子內(nèi)的旋軌相互作用才不至于被磁場(chǎng)所破壞， S 和L才能合成總磁矩，且繞PJ旋轉(zhuǎn)很快，以至于對(duì)外加磁場(chǎng)而言，有效磁矩僅為在PJ方向的投影 J。在弱

5、磁場(chǎng)B中原子所獲得的附加能量才為 。所以在弱磁場(chǎng)中原子的能級(jí)可表為：在分裂后的磁能級(jí)間的躍遷要符合選擇定則：時(shí)除外。如果磁場(chǎng)B加強(qiáng)到一定程度，超過(guò)原子內(nèi)部旋軌作用，使PJ在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的頻率遠(yuǎn)小于PL和PS分別繞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的頻率，以至于在磁場(chǎng)中可以認(rèn)為PL和PS的耦合被破壞，磁場(chǎng)的作用就是使得PL和PS分別在磁場(chǎng)中很快旋轉(zhuǎn)。這時(shí)原子在磁場(chǎng)中的附加能量主要由S 和L在磁場(chǎng)中的能量來(lái)決定，即附加能量由-S B和-L B之和來(lái)確定。由于旋軌作用被破壞，在強(qiáng)磁場(chǎng)中原子能級(jí)應(yīng)表為：即在強(qiáng)磁場(chǎng)中的附加能量 的值由ML和MS的組合決定,L一定時(shí)ML有（2L+1）個(gè)可能值，MS有（2S+1）個(gè)可能值，組合結(jié)果使附

6、加能量有若干個(gè)可能值，因此磁場(chǎng)中每一個(gè)能級(jí)將分裂為若干個(gè)子能級(jí)，在這些子能級(jí)間的躍遷要符合選擇定則：(a)弱磁場(chǎng)PS快B慢PLPJPL、PS圍繞PJ旋轉(zhuǎn)PJ圍繞B旋轉(zhuǎn)PL、PS圍繞PJ旋轉(zhuǎn)，同時(shí)PJ圍繞B旋轉(zhuǎn)BPLPs(b) 強(qiáng)磁場(chǎng)返回目錄二、磁能級(jí)之間的躍遷選擇定則 產(chǎn)生 線(但 時(shí) 除外) 產(chǎn)生 線塞曼效應(yīng)的理論解釋一、分裂后的譜線與原來(lái)譜線的波數(shù)(或頻率)差根據(jù)上述理論可以解釋塞曼效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。 對(duì)于單線系的一條譜線，由于S=0，2S+1=1，所以可以算出g2=g1=1,因而：例如鎘埃紅線在磁場(chǎng)中的分裂情況就是正常塞曼效應(yīng):這條線對(duì)應(yīng)的躍遷是1D21P11P11D2L S J M g

7、Mg2 0 2 0，1， 2 1 21 0 1 0， 1 1 1 簡(jiǎn)便方法計(jì)算波數(shù)的改變：M 2 1 0 -1 -2 M2g2 2 1 0 -1 -2M1g1 1 0 -1（M2g2 - M1g1）=0 0 0-1 -1 -11 1 1Cd6438鈉的正常塞曼效應(yīng)1D21P1無(wú)磁場(chǎng)1D21P1無(wú)磁場(chǎng) 0L01D21P16438無(wú)磁場(chǎng)有磁場(chǎng)Cd6438的正常塞曼效應(yīng)躍遷圖MMg-1-2-1-2210210-1-11010對(duì)于具有雙重或多重結(jié)構(gòu)的光譜線在磁場(chǎng)中的分裂情況，由于 因而，由 的組合，結(jié)合選擇定則，就可得到許多條分線。例如Na鈉5890埃和5896埃雙線在磁場(chǎng)中的分裂情況如下：這兩條線對(duì)

8、應(yīng)的躍遷是：2P3/22P1/22S1/22S1/22S1/22P3/22P1/2L S J M g Mg 0 1/2 1/2 1/2 2 1 1 1/2 1/2 1/2 2/3 1/3 1 1/2 3/2 1/23/2 4/3 2/3 6/32P3/22S1/2M 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 5/32P1/22S1/2M 1/2 -1/2 M2g2 1/3 -1/3 M1g1 1 -1（M2g2 - M1g1）=-2/3 2/3-4/34/3鈉的反常塞曼

9、效應(yīng)躍遷圖2P2/32P1/22S1/2能級(jí)分裂無(wú)磁場(chǎng)有磁場(chǎng)2P2/32P1/22S1/2無(wú)磁場(chǎng)有磁場(chǎng)2P3/22P1/22S1/2無(wú)磁場(chǎng)有磁場(chǎng)-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 譜線的偏振情況可以用原子發(fā)光時(shí)遵從角動(dòng)量守恒定律來(lái)說(shuō)明:發(fā)光前原子系統(tǒng)的角動(dòng)量等于發(fā)光后原子系統(tǒng)的角動(dòng)量與所發(fā)光子的角動(dòng)量的矢量和(光子的角動(dòng)量為 ).三、偏振情況 1.上述塞曼效應(yīng)是在弱磁場(chǎng)中(即磁場(chǎng)不破壞L-S耦合的情況)觀察到的。若外磁場(chǎng)增加到很強(qiáng)時(shí),破壞了L-S耦合,則一切反常塞曼效應(yīng)

10、將趨于正常塞曼效應(yīng),這種現(xiàn)象稱為帕邢-背克效應(yīng)。四、帕邢-背克效應(yīng)磁場(chǎng)很強(qiáng)破壞了L-S耦合,此時(shí) 和 互不相干的各自繞外磁場(chǎng)B進(jìn)動(dòng),因此原子系統(tǒng)受外磁場(chǎng)B作用所獲得的附加能量為兩部分進(jìn)動(dòng)能量之和. 2.理論解釋式中而返回目錄 6.5 史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果1.非均勻磁場(chǎng)中,原子束會(huì)發(fā)生分裂,分裂的條 數(shù)為(2J+1)條.2.原子束偏離原方向的橫向位移為無(wú)磁場(chǎng)有磁場(chǎng)NS 史特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)結(jié)果 原子 基態(tài) g Mg 相片圖樣Su, Cd, Hg, PbSu, PbH, Li, Na, KCu, Ag, AuTlO22/33/23/2 0 00返回目錄一、順磁共振 順磁性原子(即具有磁矩的原子)置于磁場(chǎng)中,其能級(jí)分裂為(2J+1)層,如果在原子所在的穩(wěn)定磁場(chǎng)區(qū)域又疊加一個(gè)與穩(wěn)定磁場(chǎng)相垂直的交變磁場(chǎng),并且調(diào)整交變磁場(chǎng)的頻率使hv滿足 則原子將在兩臨近的磁能級(jí)之間發(fā)生躍遷,可通過(guò)儀器探測(cè)出來(lái)。5.6 順次共振和核磁共振C 微波諧振腔放置順磁性物質(zhì)G 電磁波發(fā)生器發(fā)出的電磁波經(jīng)波導(dǎo)送入諧振腔D 探測(cè)器R 記錄器微波順磁共