第二章原子磁矩(1).ppt

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1、宏观物质由原子组成，原子由原子核及核外电子组成，由于电子及组成原子核的质子和中子都具有一定的磁矩，所以宏观物质毫无例外的都具有一定的磁性，宏观物质磁性是构成物质原子磁矩的集体反映。电子质量比质子和中子质量小3个量级，电子磁矩比原子核磁矩大3个量级，因此宏观物质的磁性主要由电子磁矩所决定。物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性：1.原子中外层电子的轨道磁矩2.电子的自旋磁矩3.原子核的核磁矩第二章孤立原子的磁性从经典观点看：一个绕原子核运动的电子，相当于一个环形电流，根据定义，它的轨道磁矩为：S是环形轨道面积电子具有质量m，其轨道运动同时具有角动量pl，在圆形轨道近似下计

2、入方向称作轨道旋磁比§2.1电子轨道运动产生的轨道磁矩原子中的电子应该服从量子力学规律，其运动状态应该由波函数确定，角动量是量子化的，当电子运动的主量子数为n时，角动量的绝对值为：其中l是角量子数，式中，l的可能值为：所以电子的轨道磁矩为：可以作为原子磁矩的基本单位，称作玻尔磁子如果使用磁偶极矩的概念，其单位是：从pl和μl的表达式可以看出：电子处于l=0,即s态时电子的轨道角动量和轨道磁矩都等于0，这是一种特殊的统计分布状态。而l≠0时电子轨道磁矩不为0，其绝对值并不是玻尔磁子的整数倍，但轨道角动量和轨道磁矩在空间都是量子化的，它们在外磁场方向的分量不连续，只是一些

3、由磁量子数ml=0,±1,±2,±3,···,±l确定的（2l+1)个间断，所以在磁场方向，磁矩分量都是玻尔磁子的整数倍。电子磁矩的第二个来源是电子具有自旋磁矩，它是电子的本征性质，电子的自旋角动量取决于自旋量子数，自旋角动量的绝对值：而自旋角动量在外场中的分量只取决于自旋量子数实验表明：与自旋角动量相联系的自旋磁矩S在外磁场方向上的投影刚好等于一个玻尔磁子。称作自旋旋磁比2.2电子的自旋磁矩电子具有自旋磁矩清楚而直接的证明是Stern-Gerlah所做的使原子束在不均匀磁场中偏转的实验，而理论证明则是Dirac建立的相对论量子力学。一直有人把电子自旋看作是电子的自

4、转运动（如图所示，把原子中电子绕原子核做轨道运动和自旋运动比作行星绕太阳做轨道运动和自转运动。这样理解是错误的，电子具有自旋及自旋磁矩是相对论量子力学的必然结果，是包括电子在内的微观粒子(例如中子)都具有的内禀性质。把电子的自旋磁矩看作是电子自转运动产生的磁矩，除去理论计算难以解决外，也难以解释电子自旋磁矩的空间量子化，而在相对论量子力学里它们都可以得到很好的解释。一个电子的L和S总是方向相反，同时轨道磁矩µL和µs也是反平行。电子绕核运动核绕电子运动2.3自旋-轨道耦合核外电子结构用四个量子数n.l.ml.ms表征：(多电子体系)电子轨道大小由主量子数n决定n=1,

5、2,3,4,………的轨道群又称为K,L,M,N,…….的电子壳层轨道的形状由角动量l决定l=0,1,2,3,……..n-1又称为s,p,d,f,g,……..电子当施加一个磁场在一个原子上时，平行于磁场的角动量也是量子化的。l在磁场方向上的分量由磁量子数ml决定ml=l,l-1,l-2,……0,…..-(l-1),-l共有(2l+1)个值电子自旋量子数由ms决定●KLMZe2.3原子的电子分布大多数原子基态的电子组态可以按此规律给出。少数元素有些变化，如：Cu:······3d10,4s1Cr::······3d5,4s1基态原子的电子在原子轨道中填充的顺序是：1s,2

6、s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d当电子填满某一电子壳层时，各电子的轨道运动和自旋取向就占据了所有可能方向，形成一个球形对称集合，这样电子自身具有的动量矩和磁矩必然相互抵消，因而，凡是占满电子的壳层，其总动量矩和总磁矩都为零。只有未填满电子的壳层上的电子才会对原子磁矩作出贡献。这种未满壳层称为磁性电子壳层。占满电子的壳层对原子磁矩无贡献当某未满壳层中包含多个电子时，该支壳层的电子按角动量耦合原则耦合成一个总角动量。原子磁矩是和这个总角动量相联系的。电子角动量耦合的方式有两种：1.L－S耦合：适用于原子序数

7、较小的原子，在这类原子中，不同电子之间的轨道-轨道耦合和自旋-自旋耦合较强，而同一电子的轨道-自旋耦合较弱，因而，各个电子的轨道角动量和自旋角动量先分别合成为一个总轨道角动量和总自旋角动量，然后，总轨道角动量和总自旋角动量再耦合成为该支壳层电子的总角动量。2.j-j耦合：适用于原子序数Z＞82的原子，在这类原子中，同一电子的轨道-自旋耦合较强，每个电子的轨道角动量和自旋角动量先合成为电子的总角动量，然后各个电子的总角动量再合成为该电子壳层的总角动量。原子序数Z≤32的元素都采用第一种耦合方式，原子序数Z＞32到Z＝82之间元素角动量的耦合方式将逐渐地