外磁场对原子的作用

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1、[教学内容]§6.1原子的磁矩§6.2外磁场对原子的作用§6.3史特恩-盖拉赫实验的结果§6.4顺磁共振§6.5塞曼效应§6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性[教学重点]原子有效磁矩．原子能级在磁场中的分裂;塞曼效应（正常、反常）．[教学难点]反常塞曼效应．帕邢—巴克效应．第六章、磁场中的原子问题的提出:玻尔：谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物理学家。原子具有磁性，在外加磁场中将产生磁效应，本章讨论有关的现象。1896年，塞曼(P·Zeeman)发现，当把发射原子光谱的光源放在静磁场中时，每一条谱线

2、都将分裂成频率相近的几条，它们都是偏振的，这就是塞曼效应。后来，人们又陆续从实验中发现并揭示了有关电子自旋、磁共振(包括电子自旋共振，核磁共振，原子束共振和双共振等)现象的规律。一方面，从这些效应可以窥见原子结构性质，尤其是原子的磁性(电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、核自旋磁矩)；另一方面，它们所提供的实验手段和理论方法在现代高新技术的许多领域有重要的应用，推动了物理学的发展。上述相应工作的创始人均曾获得诺贝尔物理学奖。如：塞曼(P·Zeeman)和洛伦兹(H·A·Lorentz)(1902，塞曼效应与电子论)；施特恩(O·Stern)(1943，施特恩—盖

3、拉赫实验)；拉比(I·I·Rabi)(1944，核磁共振方法)；布洛赫(F·Bloch)和珀塞尔(E·M·Purcell)(1952,磁共振能谱学)；兰姆(W·E·Lamb)和库什(P·Kusch)(1955，兰姆移位和电子磁矩)；卡斯特勒(A·Kastler)(1966，双共振方法)；拉姆赛(N·F·Ramsey)(1989，铯原子钟)。§6.1原子的磁矩6.1.1单个价电子原子的磁矩原子内部闭壳层的总轨道角动量和总自旋角动量均为零，对原子磁矩没有贡献，只须考虑外层价电子。电子作轨道运动时伴有轨道磁矩图6.1.1原子磁矩μJ与角动量J的矢量图朗德

4、因子或g因子（劈裂因子）得到6.1.2多电子原子的磁矩§6.2外磁场对原子的作用6.2.1拉莫尔(Larmor)进动我们用经典物理的方法，分析原子的微观磁矩μJ在外磁场B中的运动。这种外磁场的作用总是力图使μJ与B方向一致，因为这种取向时势能最小。但是在原子中，磁矩μJ与角动量J相联系，这样，在它们自己轨道上运动的电子(其角动量设为J)受到力矩N的作用：由于μJ与J方向相反，因此dJ垂直于B、J所构成的平面，如图，这将引起J绕B的转动(进动)称为拉莫尔进动。对比理解：例子由于原子在磁场中附加了拉莫尔旋进，会使其能量发生变化。旋进角动量叠加到J在磁

5、场方向的分量上，将使系统能量增加(J与B方向一致)，或使系统能量减少(J与B方向相反)。6.2.2原子在外磁场中的能级分裂设具有磁矩μ的粒子，处在沿z方向的静磁场B中，两者的相互作用能是-6.2.3史特恩—盖拉赫实验结果的再分析J§6.3塞曼(Zeeman)效应6.3.1塞曼效应的观察原子处在恒定外磁场中，它的光谱线常常发生复杂的分裂，裂距正比于磁场强度，且谱线各分量有特殊的偏振和方向特性。这就是光谱的塞曼效应。图6.3.1塞曼效应的实验结果：在垂直于磁场的方向观察到的现象.相片下面附加的线表示左右各一个洛仑兹单位的间距.1.镉(Cd)643.

6、847nm谱线的塞曼效应2.钠的黄色双线D1和D2(5895.93nm与588.996nm)的塞曼效应相应于单态谱线在外磁场中的分裂称为正常塞曼效应；相应于非单态谱线在外磁场中的分裂，称为反常塞曼效应。如果外磁场足够强，自旋—轨道耦合将被破坏，磁量子数mL，ms对应的简并能级将被外磁场消除，这种塞曼分裂称为帕邢一贝克效应。6.3.2正常塞曼效应电子发生跃迁前后两个原子态的总自旋都为零的谱线称为单态谱线，单态谱线分裂为三条的现象称为正常塞曼效应。当s1=s2=0例题6.3.1计算镉643.8nm。谱线(1D2到1P1跃迁)在外磁场B中发生的塞曼分裂

7、，并画出能级跃迁图。解：6.3.3反常塞曼效应反常塞曼效应是上下能级s1,s2都不等于零，g1,g2都不等于1，非单态能级之间的跃迁例题6.3.2求钠原子589.0nm和589.6nm谱线的塞曼效应解：这两条谱线是从2P3/2，1/2→2S1/2跃迁的结果，其M，g值如表6.3.1图6.3.5钠原子589.6nm和589.0nm谱线在外磁场中反常塞曼效应6.3.4塞曼效应的偏振特性为了说明塞曼效应的偏振与ΔM的关系，我们先复习一下电磁学中偏振及角动量方向的定义。对于沿Z方向传播的电磁波，它的电矢量必定在xy平面(横波特性)，并可分解为

8、Ex和Ey:当α=0时，电矢量就在某一方向做周期变化，此即线偏振；当α=π/2，