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1、第6章 外磁场中的原子,原子的磁矩与Land因子 Stern-Gerlach实验的解释 顺磁共振 塞曼效应 帕邢-巴克效应,6.1 原子的有效磁矩,原子中的核外电子，由于具有角动量，而产生磁矩 电子由于绕原子核运动的角动量pl，产生轨道磁矩l 电子由于自旋运动的自旋角动量ps，产生自旋磁矩磁矩s 原子的轨道角动量、自旋角动量合成为原子的总角动量 轨道磁矩、自旋磁矩合成为原子的总磁矩,1.单电子原子的有效总磁矩,磁矩的方向与角动量的方向相反 轨道和自旋角动量分别绕总角动量旋进（进动），相应的磁矩也绕总角动量旋进（进动） 轨道磁矩和自旋磁矩合成为一个总磁矩,原子的有效总磁矩,为使磁矩与角动量间有统
2、一的关系式,引入Land因子g,总磁矩Land因子的表达式,Land g因子,单电子原子的Land因子,多电子原子的有效总磁矩,LS耦合的Land因子,形式上与单电子一样,根据耦合之后所形成的原子态，可以得到g因子的数值,单重态,S态,J=0的特例,满次壳层，L=0，S=0，J=0 同时磁矩=0 对于非满次壳层，当L=S时，J=L+S，0 L=-S， J=0 ，轨道角动量与自旋角动量方向恰好相反 但由于gS2gL 所以总磁矩0 相当于朗德因子g=L,Jj耦合的Land因子,第p+1个电子,前p个电子耦合之后,6.2 外磁场中的原子,1、外磁场中的磁矩 有磁矩的原子在外磁场中，受到力和力矩的作用
3、,A、力矩的作用，使得角动量P绕外磁场B旋进（进动），这种进动称作Larmor进动,可以用矢量式表示,轨道角动量的Lamor进动,轨道回磁比,外磁场对原子的作用力,有磁矩的原子在外磁场中，受到力的作用,在均匀的外磁场中，由于,但是，力矩却不等于零,拉莫尔进动（Larmor precession）,非均匀磁场中的磁矩,如果外磁场不是均匀的，而是有梯度分布，则磁矩将受到力的作用 如果外磁场只在z方向上有梯度,原子有沿z方向的加速度,外磁场中原子的总角动量不再守恒,原子的总磁矩、总角动量都绕着外磁场作Larmor进动 总角动量不守恒 但总角动量的空间取向是量子化的 在磁场方向上的分量是量子化的,共2
4、j1个取值，pj共有2j1个取向,N,S,进入磁场的Ag原子受到力的作用,Ag,N,S,Stern-Gerlach实验的解释,总角动量增大，原子能量增大,外磁场对原子的作用,由于Lamor进动，产生一个附加的角动量，使得原子在B方向的总角动量改变,总角动量减小，原子能量减小,外磁场中原子能级的分裂,在外磁场中，总角动量的空间取向是量子化的；或者说总角动量在磁场方向的分量是量子化的,总角动量在磁场方向的分量,顺磁共振,具有磁矩的原子在外磁场中出现能级分裂 但能级的裂距较小 能级差与电磁波相匹配 电磁波能量被吸收，出现共振。称为“电子顺磁共振（EPR）”或“电子自旋共振（ESR）”,通常采用固定微
5、波频率，改变磁场强度的方式测量,可以测量原子的g因子,磁场,微波发生器,探测器,记录仪器,样品,核磁共振,一个顺磁共振峰分裂出多个共振峰,6.3 Zeeman效应（1896年）,一、现象 磁场中，光谱线发生分裂，原来的一条谱线分裂为多条，且均为偏振光。,Na原子,无磁场,有磁场,逆着磁场方向观察,垂直于磁场方向观察,左旋,右旋,二、解释,1、磁场中能级的分裂 原来的两个能级E1、E2 加上外磁场后，每一个能级都出现分裂,2、光谱移动,Lorentz单位,3、跃迁选择定则,安东洛伦兹 （1853 1928） (Hendrik Antoon Lorentz) 关于磁场对辐射现象影响的研究 ( 与彼
6、得塞曼分享 ),彼得塞曼 （19651943） (Pieter Zeeman) 关于磁场对辐射现象影响的研究 ( 与安东洛伦兹分享 ),1902年Nobel Prize,Grotrain图,反常Zeeman效应,Grotrain图,4、光谱线的偏振特性 光子角动量量子数为1,跃迁后，原子的角动量在磁场方向上，即Z方向上减少1,跃迁所发出的光子的角动量在磁场方向上，即Z方向上为1,在逆着+Z方向观察，为左旋圆偏光+,跃迁后，原子的角动量在磁场方向上，即Z方向上增加1,跃迁所发出的光子的角动量在磁场方向上，即Z方向上为1,在逆着+Z方向观察，为右旋圆偏光-,在XY平面观察，绕Z轴旋转的电矢量为平面
7、偏振光，成分,跃迁后，原子在磁场方向上的角动量不变，光子角动量垂直于Z轴,在XY平面内的角动量都垂直于Z轴，相应的电矢量分解为z方向的和XY平面内的；XY平面内的电矢量因相互叠加而消失，最后，仅仅剩下z方向的电矢量。由于光是横波，所以只能沿着与Z轴垂直方向传播，为成分；在Z方向观察不到。,多电子原子的Zeeman效应,磁场中，光谱线发生分裂，既有正常塞曼分裂，也有反常塞曼分裂,反常花样,Zn：4s2,4s5s4s4p,1S01P1,3S13P210,g2=2,g1=1,g2=1,g1=3/2,3/2,1,光谱移动,Lorentz单位,跃迁选择定则,Cd的红色谱线的塞曼分裂,48Cd：Kr4d1
8、05s2 5s5d5s5p，单重态，1D21P1 g2=g1=1，磁场中上下能级等间隔分裂,Grotrain图,48Cd红色谱线,正常Zeeman效应,5、正常Zeeman效应与反常Zeeman效应,1896年，Zeeman最初发现的现象是：光谱线的分裂是等间隔（波数差相等）的 1897年，Preston发现了不等间隔分裂的光谱线 将等间隔分裂的情况称为“正常Zeeman效应”；不等间隔分裂的情况称为“反常Zeeman效应” 其实，正常效应是因为S=0，单重态，因而g1=g2=1，上下能级分裂的间隔相等 如果是多重态，S0，g1 g2，上下能级分裂的间隔不相等。 在提出自旋假说后，上述问题自然解决。,