塞曼效应-山西大学激光光谱研究所.ppt

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1、第四章：原子的精细结构：电子的自旋第一节原子中电子轨道运动磁矩第二节史特恩—盖拉赫实验第三节电子自旋的假设第四节碱金属双线第五节塞曼效应第六节氢原子能谱研究进展第一节：原子中电子轨道运动的磁矩相互作用方式库仑相互作用磁偶极矩和外磁场的相互作用原子中磁偶极矩之间相互作用原子谱线的精细结构原子的能级的主要结构塞曼效应第四章：原子的精细结构：电子的自旋第一节原子中电子轨道运动磁矩第二节史特恩—盖拉赫实验第三节电子自旋的假设第四节碱金属双线第五节塞曼效应第六节氢原子能谱研究进展1、载流闭合回路的磁矩经典物理：封闭矩形线圈对应力矩：1、载流闭合回路的磁矩2、回转运

2、动电子的角动量与磁矩1、载流闭合回路的磁矩2、回转运动电子的角动量与磁矩证明：力矩等于角动量的变化3、拉莫尔进动1、载流闭合回路的磁矩2、回转运动电子的角动量与磁矩3、拉莫尔进动4、量子表达式bohr磁子是轨道磁矩的最小单元。是原子物理学中的一个重要常数。玻尔（bohr）磁子磁场中磁偶极矩的能量电场中电偶极矩的能量比较运动电子在磁场中的能量和电子对在电场中的能量第一节原子中电子轨道运动磁矩第二节施特恩—盖拉赫实验第三节电子自旋的假设第四节碱金属双线第五节塞曼效应第六节氢原子能谱研究进展第四章：原子的精细结构：电子的自旋1888年2月17日，美国籍德国物理

3、学家奥托．施特恩出生于波兰的兰扎里（后划归德国）。斯特恩发展了研究原子和原子核性质的分子束方法，证实了原子磁矩的存在，并于1937年找出了测量原子磁矩的方法。由于在分子束方法和质子磁矩研究中做出的重大贡献，斯特恩荣获了1943年度的诺贝尔物理学奖。法兰克福大学纪念施特恩-格拉赫实验的铭牌第二节施特恩—盖拉赫实验第二节施特恩—盖拉赫实验原子在容器中被加热成蒸汽热平衡时容器内的原子速率为麦克斯韦分布：从小孔出射的原子速率分布是碰壁原子的速率分布函数：第二节史特恩—盖拉赫实验最可几速率：T=7×104K，EK=9.0eV<10.2eV(第一激发能)，在一般实验

4、条件下，容器内的温度远低于105K，氢原子处于基态。沿X水平方向运动的氢原子束，其速度：为了使进入磁场的氢原子束受到力的作用，这个磁场必须是不均匀的磁场区（0.1nm的线度范围内）。沿着-x方向观察：NS磁场沿Z方向是变化的，即磁场沿Z方向是变化的，即磁场沿z方向是不均匀的，原子束在垂直方向Z受力为在磁场中，磁矩在磁场中的势能：由此磁场产生的不均匀力x方向：Z方向：（2）（1）时刻，原子沿z方向的速度为在磁场区域Z讨论：1、如果量子化，可以是任意的，不是量子化的，z2不是量子化的。2、只有当空间量子化时，是量子化的，Z2才可能是量子化的。NS实验结果史特

5、恩-盖拉赫实验的结果证明，氢原子在磁场中只有两个取向，有力的证明了原子在磁场中的取向是量子化的。它第一次量度原子的基态性质的实验，进一步开辟了原子束及分子束实验的领域。But…很多原子的磁矩分量并不是奇数，而是偶数。例如，氢原子，还有Li，Na，K,Cu,Ag,Au等观察到两个取向；难道是轨道角动量矢量合成？第四章：原子的精细结构：电子的自旋第一节原子中电子轨道运动磁矩第二节史特恩—盖拉赫实验第三节电子自旋的假设第四节碱金属双线第五节塞曼效应第六节氢原子能谱研究进展埃伦费斯特和他的学生，1924年，莱顿.左起：第开,古兹密特,汀柏根,埃伦费斯特,克罗尼格

6、,和费米。古兹密特是一位天才物理学家。他1902年出生于荷兰海牙，物理学生涯开始于1921年，当时，他是荷兰著名物理学家保罗·埃伦费斯特（PaulEhrenfest）的研究生，因此几乎熟悉欧洲大陆每位有影响的物理学家。1925年时，他已经在荷兰、德国和英国的期刊上发表了10篇论文，之后，他和研究生同学乔治·乌伦贝克（GeorgeE.Uhlenbeck）提出了电子自旋的假设，为量子力学的成立作出贡献。1952年，《物理评论》主编塞缪尔•古兹密特在办公室。第三节电子的自旋实验背景23碱金属光谱中出现的精细结构（双线）史特恩-盖拉赫实验出现的偶数分裂意味着（2

7、l+1）为偶数，只有角动量量子数为半整数，而轨道量子数l却只能为整数。反常塞曼效应出现谱线多重分裂，也不能用电子轨道运动的磁矩加以解释。1量子论的发展几乎就是年轻人的天下。爱因斯坦1905年提出光量子假说的时候，也才26岁。玻尔1913年提出他的原子结构的时候，28岁。德布罗意1923年提出相波的时候，31岁（还应该考虑到他并非科班出身）。而1925年，当量子力学在海森堡的手里得到突破的时候，后来在历史上闪闪发光的那些主要人物也几乎都和海森堡一样年轻：泡利25岁，狄拉克23岁，乌仑贝克25岁，古兹密特23岁，约尔当23岁。和他们比起来，36岁的薛定谔和4

8、3岁的波恩简直算是老爷爷了。量子力学被人们戏称为“男孩物理学”，波恩在哥廷根的理