第4章2磁场中的原子.ppt
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1、第四章-2 磁场中的原子,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(PZeeman)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:
2、塞曼(PZeeman)和洛伦(HALorentz)(1902,塞曼效应与电子论);施特恩(OStern)(1943,施特恩盖拉赫实验);拉比(IIRabi)(1944,核磁共振方法);布洛赫(FBloch)和珀塞尔(EMPurcell)(1952,磁共振能谱学);兰姆(WELamb)和库什(PKusch)(1955,兰姆移位和电子磁矩);卡斯特勒(AKastler)(1966,双共振方法);拉姆赛(NFRamsey)(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
3、时伴有轨道磁矩,守恒量和本征值“一 一 对应”对应的量子数为好量子数。,非守恒量;,J2,L2,S2 Jz:守恒量;,好量子数?,叫做朗德因子或g因子(劈裂因子),得到,称之为玻尔磁子,是轨道磁矩的最小单元.它是原子物理学中的一个重要常数.,式中 是精细结构常数(1/137),a为玻尔第一半径,把它改写一下:,是原子的电偶极矩的量度,而,是原子的磁偶极矩的量度,当电磁波与物质中原子相互作用时,由于电场振幅与磁场振幅有关系式,磁相互作用,与电相互作用,之比,即磁相互作用比电相互作用至少小两个数量级,6.1.2 多电子原子的磁矩,6.2 原子在外磁场中的能级分裂设具有磁矩的粒子,处在沿z方向的静磁
4、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)643.847nm谱线的塞曼效应,2.钠Na的黄色双线D1和D2(589.593nm与588.996nm)的塞曼效应,相应于非单态谱线在外磁场中的分裂,称为反常塞曼效应。,相应于单态谱线在外磁场中的分裂
5、称为正常塞曼效应;,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,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
6、线是从2P3/2,1/22S 1/2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,The magnetic field of the sun and stars can be determined by measuring the Zeeman-effect splitting of spectral lines.Suppose that the sodium D1 line emitted in a particular region of the solar disc is observed to be split int
7、o the four-component Zeeman effect.What is the strength of the solar magnetic field B in that region if the wavelength difference between the shortest and the longest wavelengths is 0.022 nm?(The wavelength of the D1 line is 589.8 nm.),Exercise:,6.3.4 塞曼效应的偏振特性,为了说明塞曼效应的偏振与M的关系,我们先复习一下电磁学中偏振及角动量方向的定
8、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Ex和Ey:,当=0时,电矢量就在某一方向做周期变化,此即线偏振;当=/2,A=B时,合成的电矢量的大小为常数,方向做周期性变化,矢量箭头绕圆周运动,此即圆偏振。下面定义右旋偏振和左旋偏振:若沿着z轴对准光传播方向观察见到的电矢量作顺时针转动,称右旋(圆)偏振(图6.3.6(a);假如见到的电矢量作逆时针转动,则称为左旋(圆)偏振(图6.3.6(b)。圆偏振光具有角动量的实验事实,是由贝思(RABeth)在1936年观察到的,光的角动量方向和电矢量旋转方向组成右手螺旋定则。因而对右旋偏振,角动量方向与传播方向相反,对
9、左旋偏振,两者相同。,6.3.4 塞曼效应的偏振特性,设 E 为光场的电矢量方向,,0:E B的线偏光,记为;,1:E B 的圆偏光,记为(,左旋);,-1:E B 的圆偏光,记为(,右旋)。,分量:,横向观察:可见,线偏!,纵向观察:不可见!,分量:,横向观察:可见,线偏!,纵向观察:可见,圆偏!,5.3.3 反常塞曼效应,弱磁场中非三线分裂的塞曼效应,例如:Na:589.6 nm 线(3 2P1/2 3 2S1/2),上能级,,S=1/2,L=1,J=1/2;gJ=2/3;mJ=1/2,-1/2,下能级,,S=1/2,L=0,J=1/2;gJ=2;mJ=1/2,-1/2,1 2 3 4,又
10、例:Na:589.0 nm 线(3 2P3/2 3 2S1/2),下能级,,S=1/2,L=0,J=1/2;gJ=2;mJ=1/2,-1/2,1 2 3 4 5 6,+-,上能级,,S=1/2,L=1,J=3/2;gJ=4/3;mJ=3/2,1/2,-1/2,-2/3,图6.3.6 偏振及角动量的定义,对于M=M2(初)-M1(末)=1,原子在磁场方向(z)的角动量减少1个;把原子和发出的光子作为一个整体,角动量必须守恒,因此,所发光子必定在磁场方向具有角动量。因此,当面对磁场方向观察时,由于磁场方向即光传播方向,所以J与光传播方向一致,我们将观察到+偏振。同理,对于M=M=M2(初-M1(末
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- 磁场 中的 原子

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