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1、关于原子的精细结构电子的自旋第1页，讲稿共115张，创作于星期日2玻尔的原子理论很好地解释氢原子的谱线系主要考虑原子核与电子的静电相互作用问题：碱金属谱线的双线结构需要考虑电子运动时产生的磁相互作用第2页，讲稿共115张，创作于星期日34.1 原子中电子轨道运动的磁矩4.3 电子自旋的假设4.2 施特恩-盖拉赫实验4.4 碱金属双线教学内容教学内容 4.5 塞曼效应第3页，讲稿共115张，创作于星期日4 4.1 原子中电子轨道运动的原子中电子轨道运动的磁矩磁矩v一、电子轨道运动的磁矩v二、轨道取向量子化理论第4页，讲稿共115张，创作于星期日5一、电子轨道运动的磁矩一、电子轨道运动的磁矩由经典
2、电磁理论，载流线圈的磁矩：1.经典表示式第5页，讲稿共115张，创作于星期日6电子绕核运动等效于一载流线圈,必有一个磁矩。电子旋转频率:则原子中电子绕核旋转的磁矩为：电流产生磁矩示意图旋磁比：旋磁比：则电子绕核运动的磁矩为：2.电子轨道运动的磁矩负号电子轨道运动的磁矩与轨道角动量反向负号电子轨道运动的磁矩与轨道角动量反向第6页，讲稿共115张，创作于星期日7B(z)此力矩将引起角动量的变化，即：磁矩在均匀外磁场中受到一个力矩作用：电子轨道如何变化？电子轨道如何变化？3.拉莫尔进动http:/ B靠拢，而靠拢，而是以一定的进动角速度是以一定的进动角速度绕绕B B作进动，作进动，B B的方向与的方
3、向与一致。如（一致。如（a a）示。）示。第8页，讲稿共115张，创作于星期日9拉莫尔进动http:/ 在Z 方向的投影：L 的大小：对于l=1和l=2,电子角动量的大小及空间取向？ZZ第11页，讲稿共115张，创作于星期日12第12页，讲稿共115张，创作于星期日13玻尔（玻尔（bohrbohr）磁子）磁子其中，磁量子数的空间量子化，来源于角动量L的空间量子化。共有 个取值磁矩大小量子化磁矩的空间取向量子化第13页，讲稿共115张，创作于星期日14电偶极矩在均匀电场中的势能为电偶极矩磁偶极矩在均匀磁场中的势能为B补充第14页，讲稿共115张，创作于星期日15玻尔（玻尔（bohrbohr）磁子
4、）磁子上式说明磁相互作用至少比电相互作用小两个数量级。bohrbohr磁子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。改写一下：原子的磁偶极矩的量度原子电偶极矩的量度精细结构常数第一玻尔半径磁相互作用与电相互作用相比磁相互作用与电相互作用相比第15页，讲稿共115张，创作于星期日三、史特恩三、史特恩盖拉赫实验盖拉赫实验目的：证明原子在外磁场中具有空间量子化特征。无磁场有磁场NS银原子为使氢原子束在磁场区受力，则要求磁场在的线度范围内是非均匀磁场（实验的困难所在）。非均匀磁场非均匀磁场第16页，讲稿共115张，创作于星期日17第17页，讲稿共115张，创作于星期日18沿x方向进入磁场
5、的原子束只在Z方向上受力：原子束在磁场区内的运动方程为：原子经磁场区后与x轴的偏角：Z方向偏移距离Z2的计算：第18页，讲稿共115张，创作于星期日19Z2的计算：能量按自由度均分定理：平衡态下，每个平动自由度都均分kT/2的平均动能原子束落至屏上P点时偏离x轴的距离:第19页，讲稿共115张，创作于星期日20如何判断磁矩的空间量子化？而空间取向不是量子化的空间取向不是量子化的，即即即Z2 不是量子化的，是连续的不是量子化的，是连续的而实验测得而实验测得Z2Z2是分立的，反过来证明是分立的，反过来证明是量子化是量子化的，其空间取向也是量子化的的，其空间取向也是量子化的此实验是空间量子化最直接的
6、证明第20页，讲稿共115张，创作于星期日21问题：问题：按照一般实验室条件下，原子都处于基态即理论上只会出现一条分立线即理论上只会出现一条分立线而实验上出现了两条分立线而实验上出现了两条分立线矛盾矛盾说明理论还不完备说明理论还不完备第21页，讲稿共115张，创作于星期日224-3电子自旋假设电子自旋假设实验背景：史特恩-盖拉赫实验出现的偶数分裂意味着 （2l+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。1925年，时年不到25岁的荷兰学生乌仑贝克与古兹米特根据上述实验事实，大胆提出了电子不仅具有轨道运动，还有自旋运动。第22页，讲稿共115张，创作于星期日23一、电子自
7、旋假设自旋角动量S轨道角动量L1）电子不是点电荷,除轨道角动量外还有自旋运动,具有固有的自旋角动量（内禀角动量）S S类比（施特恩-格拉赫实验）第23页，讲稿共115张，创作于星期日24第24页，讲稿共115张，创作于星期日252）电子的自旋磁矩（内禀磁矩）电子轨道运动的磁矩若类比与实验不符B(z)第25页，讲稿共115张，创作于星期日电子的自旋不能理解为像陀螺一样绕自身轴旋转，它是电子内部的属性，与运动状态无关。在经典物理中找不到对应物，是一个崭新的概念）电子自旋假设受到各种实验的支持，是对电子认识的一个重大发展。狄拉克于1928年找到一种与狭义相对论相融洽的理论，可由狄拉克相对量子力学严格
8、导出电子自旋的自然结果。“自旋”概念是量子力学中的新概念，与经典力学不相容，一经提出便遭到泡利等一批物理学家的反对。但后来的事实证明，自旋的概念是微观物理学最重要的概念之一。（*如果视电子为带电小球，半径为10-16m，它绕自身的轴线旋转，则当其角动量为 时，表面处的切向线速度大大超过光速！）第26页，讲稿共115张，创作于星期日27自然界基本粒子按照自然界基本粒子按照自旋自旋的不同可以分为的不同可以分为玻色子玻色子和和费米子费米子自旋为整数的是玻色子，自旋为整数的是玻色子，比如胶子，光子自旋为比如胶子，光子自旋为1 1，引力子，引力子2 2等等等等自旋为半整数倍的为费米子自旋为半整数倍的为费
9、米子 ，比如中子，质子，电子，中微子，夸克等自旋为比如中子，质子，电子，中微子，夸克等自旋为1/21/2第27页，讲稿共115张，创作于星期日28二、朗德二、朗德(Lande)因子（因子（g因子）因子）并不普遍适用表明在原子体系中解决办法：定义一个g因子，使得对于任意角动量量子数j所对应的磁矩及其在Z方向的投影均可表为：朗德因子g是反映微观粒子内部运动的一个重要物理量，（至今仍是一个假设）。gj可以表示为:此关系式的推导在后面第28页，讲稿共115张，创作于星期日29引入g后，电子的轨道磁矩、自旋磁矩和总磁矩以及在z方向的分量分别表示为：当只考虑轨道角动量时当只考虑自旋角动量时第29页，讲稿共
10、115张，创作于星期日30三、单电子的g因子表达式的推导考虑到总磁矩的方向合角动量总磁矩总磁矩并不在总角动量j的延线方向1、总磁矩的方向、总磁矩的方向是否在j的反向？第30页，讲稿共115张，创作于星期日31角动量的运动2、总磁矩的运动：、总磁矩的运动：2）电子自旋运动会产生磁场，轨道角动量l会绕磁场旋进电子轨道运动会产生磁场，自旋角动量s会绕磁场旋进且磁场方向随时变化角动量角动量l 与与s如何运动？如何运动？分析：1）电子与核之间的库仑力，电子轨道和自旋之间 的相互作用力都为内力，其内力矩为0，因此角动量守恒即在l和s旋进过程中，两者的夹角始终不变结论：结论：总结：总结：角动量l和s会旋进，
11、且要满足角动量守恒，即l和s旋进时，总角动量j的大小和方向始终不变，第31页，讲稿共115张，创作于星期日32单电子磁矩的运动总磁矩的运动：总磁矩的运动：第32页，讲稿共115张，创作于星期日333、单电子的、单电子的g因子的推导因子的推导单电子磁矩与角动量的关系第33页，讲稿共115张，创作于星期日34即只在外磁场不足以破坏s-l耦合时才成立第34页，讲稿共115张，创作于星期日35在导出上式时隐含着的两个假定：1）外磁场的强度不足以破坏s-l耦。因为当外磁场很强以致s-l不能耦合为j时，s、l将分别绕外磁场进动，上式不成立。2）对多电子原子，当为L-S耦合时，g因子仍具有与以上相同的形式：
12、对的进一步讨论：第35页，讲稿共115张，创作于星期日364.角动量的合成角动量的合成(LS耦合耦合)单电子的自旋和轨道运动相互耦合的总角动量：量子力学可证明，j可能的取值是：角动量的 的大小：角动量的 z分量：第36页，讲稿共115张，创作于星期日37未考虑自旋之前量子态的表示考虑LS耦合相互作用之后态的表示第37页，讲稿共115张，创作于星期日38第38页，讲稿共115张，创作于星期日39由于mJ=J.J-1,-J共有（2J+1）个值，故有（2J+1）个分裂的z2值，即在感光板上有(2J+1)个黑条，表明有(2J+1)个空间取向。由此得出一种通过实验确定g因子的重要方法。四、对史特恩-盖拉
13、赫实验的解释将电子的轨道运动和自旋运动一起考虑，即原子的总磁矩由轨道磁矩和自旋磁矩合成，则能解释史特恩-盖拉赫实验中原子在非均匀磁场中的偶分裂现象。观测屏上谱线条数的多少由z2 的取值个数决定1、定性分析单电子：J j第39页，讲稿共115张，创作于星期日对于氢（单电子）,因氢原子处于基态进而可得出gj=2,故有：考虑到具体实验参数：此计算结果表明处于基态的氢原子束在不均匀磁场作用下分裂为两层，各距中线1.12cm，与实验甚符。2、单电子体系中原子的史特恩-盖拉赫实验结果的解释第40页，讲稿共115张，创作于星期日41史特恩-盖拉赫实验结果证明:1）原子磁矩在外磁场中的空间取向呈量子化；2）电
14、子自旋假设是正确的，氢原子在磁场中只有两个取向即s=1/23）电子自旋磁矩的数值为第41页，讲稿共115张，创作于星期日42分裂条数为2J+1条第42页，讲稿共115张，创作于星期日434-4碱金属双线碱金属双线（碱金属原子的光谱）（碱金属原子的光谱）系限的波数系限的波数 末态末态动项初态一、简单回顾第43页，讲稿共115张，创作于星期日44主线系第一辅线系漫线系第二辅线系 锐线系柏格曼系基线系第44页，讲稿共115张，创作于星期日45二、碱金属谱线的双线结构特征：1、主线系的双线间距随波数的增加而减少2、锐线系的双线间距不随波数的增加变化波数增加，波长减小主线系：nP 2S态的跃迁锐线系：n
15、S 2P态的跃迁S态和P态，到底哪个态分裂？第45页，讲稿共115张，创作于星期日46定性分析：若末态分裂，双线间距不会变化若初态分裂，双线间距可能会变化主线系：nP 2S态的跃迁锐线系：nS 2P态的跃迁双线间距随波数的增加而减少双线间距随不随波数变化可以判定：P态分裂成两条，S态不分裂第46页，讲稿共115张，创作于星期日47锂的第二辅线系（锐线系）锐线系的双线间距不随波数的增加变化锂的主线系主线系的双线间距随波数的增加而减小第47页，讲稿共115张，创作于星期日48角动量的观点解释：S态不分裂P态分裂成两条碱金属双线的存在，是提出电子自旋假设的根据之一。第48页，讲稿共115张，创作于星
16、期日49三、自旋轨道相互作用（定量分析）三、自旋轨道相互作用（定量分析）原子核的旋转运动在电子处产生的磁场B电子的自旋磁矩 引起的“附加能量”称为自旋轨道耦合能:（即电子内禀磁矩在磁场作用下具有的势能）从核为静止的坐标系中观察从电子为静止的坐标系中观察1、概念定性理解、概念定性理解第49页，讲稿共115张，创作于星期日502、具体计算：从电子为静止的坐标系中观察毕萨定律：电子自旋磁矩电子的静能电子的角动量电子静止坐标系中的附加能量电子静止坐标系中的附加能量：第50页，讲稿共115张，创作于星期日51相对于核静止的坐标系的附加能量相对于核静止的坐标系的附加能量：（1926年托马斯通过相对论坐标变
17、换得到）*由于相对论效应，以上的两个坐标系不等效由于相对论效应，以上的两个坐标系不等效!考虑到：自旋自旋-轨道耦合能：轨道耦合能：从核为静止的坐标系中观察第51页，讲稿共115张，创作于星期日523、精细结构裂距、精细结构裂距 因要与实验值相比较，则需得出相关的平均值。由：由于与类氢原子半径相关的也必须求其平均值（任务：通过精确计算考察精细结构的裂距）第52页，讲稿共115张，创作于星期日53自旋自旋-轨道耦合能：轨道耦合能：第53页，讲稿共115张，创作于星期日54单电子的自旋-轨道耦合能和差值:U也可写成以下形式：第54页，讲稿共115张，创作于星期日55例：氢原子2P的分裂。可得or:这
18、些结果都与实验事实相符这些结果都与实验事实相符!第55页，讲稿共115张，创作于星期日56讨论：a能级由 三个量子数决定，当 时，能级不分裂；当 时，能级分裂为双层。b能级分裂的间隔由 决定当 一定时，大，小，即当 一定时，大，小，即第56页，讲稿共115张，创作于星期日57c双层能级中，值较大的能级较高。d单电子辐射跃迁的选择定则（可用量子力学导出）第57页，讲稿共115张，创作于星期日58精细结构能量量级是是粗结构的倍，这也是将称为精细结构常数的原因。能量数量级能谱的精细结构精细结构：此外，Z越大，裂距越大，所以碱金属原子谱线的精细结构比氢原子容易观察到。能谱的粗粗 结结 构构：谱线产生原
19、因电子与核之间的库仑力电子自旋与轨道之间的作用力第58页，讲稿共115张，创作于星期日59价电子的状态价电子的状态 符号符号nj0001112231s2p2s3s2p3p3p3d3d碱碱金金属属原原子子态态的的符符号号四、碱金属的精细结构四、碱金属的精细结构1、原子态、原子态第59页，讲稿共115张，创作于星期日602、碱金属光谱的精细结构、碱金属光谱的精细结构主线系主线系 锐线系锐线系（第二辅线系）（第二辅线系）漫线系漫线系（第一辅线系）（第一辅线系）基线系基线系（柏格曼系）（柏格曼系）选择定则选择定则双线结构双线结构三线结构三线结构2P1/22P3/22S1/22P1/22P3/22S1/
20、2双线结构双线结构三线结构三线结构2P1/22P3/22D3/22D5/22D3/22D5/22F5/22F7/2第60页，讲稿共115张，创作于星期日61锂原子光谱的精细结构第61页，讲稿共115张，创作于星期日62锂原子各线系的波数表示第62页，讲稿共115张，创作于星期日63第63页，讲稿共115张，创作于星期日641）能量的主要部分）能量的主要部分是有效电荷数，对氢是有效电荷数，对氢1、氢原子能级、氢原子能级量子力学的结果（量子力学的结果（1926年海森堡得到）年海森堡得到）2）相对论修正对能量的影响）相对论修正对能量的影响五、氢原子光谱的精细结构五、氢原子光谱的精细结构第64页，讲稿
21、共115张，创作于星期日653）电子自旋与轨道的相互作用能）电子自旋与轨道的相互作用能第65页，讲稿共115张，创作于星期日664 4）氢原子精细能级的总能量氢原子精细能级的总能量 第66页，讲稿共115张，创作于星期日67(2)(2)当当l 00时，每一个时，每一个l 联系着两个联系着两个j，且具有相同，且具有相同n 值及相同值及相同j 值，而具有不同值，而具有不同l 值的能级是简并的。比如值的能级是简并的。比如P P态分裂成态分裂成P P1/21/2 和和P P3/23/2 ，D D态分裂成态分裂成D D3/23/2 和和D D5/25/2 。且且3 P3 P3/23/2 与与3D3D3/
22、2 3/2 的能量相同。的能量相同。能级简并能级简并这一点与碱金属原子的情况不同。这一点与碱金属原子的情况不同。2、氢原子能级分析、氢原子能级分析总能量(1)(1)当当l=0=0时，只有一个时，只有一个j j值，故能级只是向下移动值，故能级只是向下移动而不发生分裂，即而不发生分裂，即S S态不分裂。并且随态不分裂。并且随n n的增大，的增大，这种移动迅速减小。这种移动迅速减小。第67页，讲稿共115张，创作于星期日683.氢原子光谱的精细结构谱线氢原子光谱的精细结构谱线（1）赖曼系）赖曼系赖曼系是激发能级跃迁到赖曼系是激发能级跃迁到n=1能级产生的。能级产生的。n=1 只有一个单层的只有一个单
23、层的S能级，能级，按照选择定则，只有按照选择定则，只有P能级可以跃能级可以跃 迁到这个单层的迁到这个单层的S能级能级所以，赖曼系谱线都是所以，赖曼系谱线都是双线结构双线结构，双线的，双线的间隔随着间隔随着n的增的增加而减小，最后消失加而减小，最后消失。第68页，讲稿共115张，创作于星期日69（2）巴耳末系）巴耳末系巴耳末系是较高能级跃迁到巴耳末系是较高能级跃迁到n=2能级产生的。能级产生的。由于能级的简并由于能级的简并,可能发生的跃迁可能发生的跃迁有有7种，但只能观种，但只能观察到察到5个成分。个成分。巴耳末系的第一条巴耳末系的第一条(n=3n=2)巴耳末系的第一条：巴耳末系的第一条：n=3
24、 n=2第69页，讲稿共115张，创作于星期日704.兰姆移位兰姆移位氢原子巴耳末系第一条谱氢原子巴耳末系第一条谱线的五个成分的间隔很小，线的五个成分的间隔很小，只能分解为两条。只能分解为两条。但实验测得的间隔比理论但实验测得的间隔比理论值小了约值小了约0.010/cm是是和和重合的结果重合的结果如果如果比比高高0.03/cm，则可得到这个差别。，则可得到这个差别。这就是这就是兰姆移位兰姆移位第70页，讲稿共115张，创作于星期日71兰兰姆姆移移位位第71页，讲稿共115张，创作于星期日72一、塞曼效应简单介绍 1896年开始，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman)逐步发现，当光源放在足够强的磁
25、场中时，所发射的每一条光谱线都分裂成几条，条数随能级的类别而不同，分裂后的谱线成分是偏振的。人们称这种现象为塞曼效应。1.塞曼效应原子光谱在外磁场中进一步发生分裂的现象4.5 塞曼效应第72页，讲稿共115张，创作于星期日73正常三重线镉的正常塞曼效应镉的6438埃红色谱线的塞曼效应不加磁场加磁场第73页，讲稿共115张，创作于星期日74钠的5896埃和5890埃黄色谱线的塞曼效应加磁场反常花样钠的反常塞曼效应无磁场第74页，讲稿共115张，创作于星期日75光的波动性 光的干涉、衍射.光波是横波 光的偏振.横波与纵波的区别波穿过狭缝横波与偏振现象 第75页，讲稿共115张，创作于星期日77（1
26、）线偏振光线偏振光的图示也叫面偏振光 偏振光 完全偏振光光源的偏振状态在纸面内振动垂直纸面的振动第77页，讲稿共115张，创作于星期日78（2）自然光 普通光源发光：在垂直传播方向的平面内各个方向的光振动全有各个振动方向的强度相等乱是各个振动的无规混杂第78页，讲稿共115张，创作于星期日79右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光 y yx z传播方向 /2xE某时刻左旋圆偏振光电矢量E 随 z 的变化 0（3）圆偏振光,椭圆偏振光第79页，讲稿共115张，创作于星期日二、正常塞曼效应 磁矩为（主要是电子的贡献）的体系在外磁场B（方向沿z轴）中的势能：在z方向的投影：（*注意：为简便起见，所有量均略去足标
27、J）考虑一个原子在考虑一个原子在E2E1E2E1间的跃迁：间的跃迁：无外磁场时：有外磁场时：要了解光谱线在磁场中的分裂，必须了解原子与磁场的相互作用能级将分裂为2J21个能级能级将分裂为2J11个能级第80页，讲稿共115张，创作于星期日（*注意：为简便起见，所有量均略去足标J）当体系的自旋为0时，依选择规则：有外磁场时：第81页，讲稿共115张，创作于星期日82例：例：（满足选择定则）当体系的自旋为0时，能级分裂：能级分裂：跃迁频率：跃迁频率：分裂为三条不分裂第82页，讲稿共115张，创作于星期日83l=0l=1无磁场v0有磁场v0v0+vv0-vml10-10E00能级简并正常塞曼效应正常
28、塞曼效应第83页，讲稿共115张，创作于星期日84洛伦兹单位的物理意义：在没有自旋的情况下，一个经典的原子体系的拉莫尔频率。推导要点：拉莫尔进动上式表明，外加1T的磁场而引起的分裂是14GHz正常塞曼效应下，三条谱线间的频率间隔角速度洛伦兹单位洛伦兹单位第84页，讲稿共115张，创作于星期日85即正常塞曼效应的频率：一般情况的塞曼效应的频率第85页，讲稿共115张，创作于星期日86三、格罗春图表示正常塞曼效应 镉6438埃红线在磁场中的分裂情况就是正常塞曼效应。1D21P11D2由得由1P1得第86页，讲稿共115张，创作于星期日87借助格罗春图计算频率的改变：M2 2 1 0 -1 -2 M
29、2g2 2 1 0 -1 -2 M1g1 1 0 -1（M2g2-M1g1）=0 0 0-1-1-11 1 1M11 0 -1第87页，讲稿共115张，创作于星期日881D21P16438无磁场有磁场Cd 6438的正常塞曼效应跃迁图MMg-1-2-1-2210210-1-11010 -+极化：第88页，讲稿共115张，创作于星期日89塞曼效应的应用之一：导出电子的荷质比塞曼效应的应用之一：导出电子的荷质比由正常塞曼效应的谱线分裂，可进一步计算电子的荷质比e/me。且算得的荷质比与其它实验所得的结果完全一致。波长已知的谱线在外磁场B作用下产生正常塞曼效应，测出分裂谱线的波长差。由于分裂的能量间
30、隔相等，故：由上式导出的荷质比与1897年汤姆孙实验所测数值相符。这也证明在分析塞曼效应时所作的那些假设是成立的。第89页，讲稿共115张，创作于星期日90定义：定义：沿着z轴逆光观察，电矢量作顺（逆）时针转动，称为右（左）旋偏振。贝思于1936年观察到圆偏振光具有角动量。光的角动量方向和电矢量旋转方向构成右螺旋关系。P：光的传播方向L：光的角动量方向偏振与角动量方向的定义（）PL右旋偏振P左旋偏振L四、塞曼效应的偏振特性四、塞曼效应的偏振特性方向：方向：大小：大小：光子具有固定的角动量大小 第90页，讲稿共115张，创作于星期日91 谱线的偏振情况可以用原子发光时遵从角动量守恒定律来说明。原
31、子发光时的规律：原子与光子组成的系统角动量守恒即发光前原子系统的角动量等于发光后原子系统的角动量与所发光子的角动量的矢量和。第91页，讲稿共115张，创作于星期日921）对于m=m2-m1=1跃迁 原子在磁场方向（z方向）的角动量减少了，原子和发出的光子作为一个整体，角动量必须守恒，因此所发光子在磁场（z）方向具有的角动量。*逆着磁场方向观察该光的电矢量逆时旋转，所以它是左旋圆偏振光+。*垂直磁场方向(如x方向)观察，只能看到Ey分量，即B的线偏振线。第92页，讲稿共115张，创作于星期日932）对于 m=m2-m1=-1 原子在磁场方向（z方向）的角动量增加了，原子和发出的光子作为一个整体，
32、角动量必须守恒，因此所发光子在磁场（z）相反方向具有的角动量。*逆着磁场方向观察该光的电矢量顺时旋转，所以它是右旋圆偏振光-。*垂直磁场方向(如x方向)观察，只能看到Ey分量，即B的线偏振线。第93页，讲稿共115张，创作于星期日94 原子在磁场(z)方向的角动量不变，但光子具有角动量，由于角动量要保持守恒，所以光子的角动量一定垂直于磁场。光的电矢量必定在yz平面（假定角动量沿x轴），可以有Ey和Ez分量。但角动量在xy平面上的所有光子都满足m=0的条件，因此平均效果使得Ey=03）m=0*在垂直磁场方向，只能看到Ez分量，即/B的线偏振线。*在磁场方向，观察不到Ey分量，而由于横波特性，也不
33、会有Ez分量，所以在磁场方向看不到线；第94页，讲稿共115张，创作于星期日95正常塞曼效应的实验规律：当沿磁场方向观察时，中间的 成分看不到，只能看到两条 线，并且它们都是圆偏振的。单线系的每一条谱线，在垂直磁场方向观察时，每一条谱线分裂为三条，彼此间隔相等，中间一条()线频率不变；左右两条()频率的改变为 （一个洛仑兹单位），它们都是线偏振的。线的电矢量振动方向平行于磁场；线的电矢量振动方向垂直于磁场；第95页，讲稿共115张，创作于星期日第96页，讲稿共115张，创作于星期日六、反常塞曼效应 1897年12月，普勒斯顿(T.Preston)发现：当磁场较弱时，塞曼分裂的数目可以不是三个，
34、间隔也不尽相同。这称为反常（复杂）塞曼效应。第97页，讲稿共115张，创作于星期日98反常塞曼效应是乌仑贝克-古兹米特提出电子自旋假设的根据之一。利用电子自旋假设有效地解释了反常塞曼效应，同时也证明了电子自旋假设的正确性。史特恩-盖拉赫实验和反常塞曼效应，都需要用一种全新的物理图象作出解释。而正是这两个实验导致了“电子自旋”假定的提出。在量子力学和电子自旋概念建立之前，反常塞曼效应一直不能解释（约30年），被列为“原子物理中悬而未决的问题”之一。第98页，讲稿共115张，创作于星期日99七、格罗春图表示反常塞曼效应Na5890埃和5896埃谱线的塞曼效应这两条线对应的跃迁是：和分别计算三个能级
35、的朗德g因子：第99页，讲稿共115张，创作于星期日100第100页，讲稿共115张，创作于星期日1012S1/22P3/22P1/2L S J M g Mg 0 1/2 1/2 1/2 2 1 1 1/2 1/2 1/2 2/3 1/3 1 1/2 3/2 1/2,3/2 4/3 2/3,6/3在外磁场中：2P3/2分裂为四个塞曼能级，间距为4/3 BB；2P1/2分裂为二个塞曼能级，间距为 2/3 BB；2S1/2分裂为二个塞曼能级，间距为 2 BB。第101页，讲稿共115张，创作于星期日1022P3/22S1/2M2 3/2 1/2 -1/2 -3/2 M2g2 6/3 2/3 -2/
36、3 -6/3 M1g1 1 -1-1/3 1/3-5/3 -3/33/3 5/3借助格罗春图计算频率的改变：M1 1/2 -1/2 （M2g2-M1g1）=第102页，讲稿共115张，创作于星期日1032P1/22S1/2M2 1/2 -1/2 M2g2 1/3 -1/3 M1g1 1 -1（M2g2-M1g1）=-2/3 2/3-4/34/3M1 1/2 -1/2第103页，讲稿共115张，创作于星期日1042P3/22P1/22S1/2无磁场有磁场-3/2-6/3Mg-1/2 -2/3M3/2 6/31/2 2/31/2 1/3-1/2 -1/31/2 1-1/2 -1 589658965
37、8905890 第104页，讲稿共115张，创作于星期日1051.帕邢巴克效应 上述塞曼效应是在弱磁场中(即磁场不破坏L-S耦合的情况)观察到的。若外磁场增加到很强时,破坏了L-S耦合,则一切反常塞曼效应将趋于正常塞曼效应,这种现象称为帕邢巴克效应。八、帕邢巴克效应第105页，讲稿共115张，创作于星期日106磁场很强破坏了L-S耦合,此时 和 互不相干地各自绕外磁场B进动,因此原子系统受外磁场B作用所获得的附加能量为两部分进动能量之和.2.理论解释第106页，讲稿共115张，创作于星期日107式中所以恰好为正常塞曼效应的结果第107页，讲稿共115张，创作于星期日108l无场l弱场l强场lM
38、JMLML+2MS3/2-1/2-3/2-1/2-1/2l1l0l-1,1l0l-1210-1-20,+10,-12P3/22P1/22S1/2-10+1第108页，讲稿共115张，创作于星期日109l无场2P3/22P1/22S1/2考虑LS耦合相互作用S态，P态，选择定则第109页，讲稿共115张，创作于星期日110弱场，ls先耦合成j,之后j 绕磁场B做拉莫尔进动有外磁场时：能级将分裂为2j1个能级分裂成两个能级分裂成两个能级分裂成四个能级选择定则l弱场2S1/22P1/22P3/2-1/2 -2/33/2 6/31/2 2/31/2 1/3-1/2 -1/31/2 1-1/2 -1-3
39、/2 -6/3谱线条数第110页，讲稿共115张，创作于星期日111强场，ls分别绕磁场B做拉莫尔进动有外磁场时：3S态分裂成两个能级3P态分裂成五个能级跃迁定则l强场210-1-2+1-1ML+2MSP态S态第111页，讲稿共115张，创作于星期日112电子顺磁共振电子顺磁共振顺磁物质中存在未成对的电子，当其处于外磁场中时，电子的自旋磁矩与外磁场相互作用产生塞曼分裂，裂距为：在垂直于外磁场方向再加一个频率为的电磁波，当电磁波的能量与塞曼支能级的间距相匹配（即满足 时），则会发生物质从电磁波吸收能量的共振现象。利用电子顺磁共振吸收曲线，可测量顺磁原子的g因子，还可利用共振谱线的线型、宽度和精细
40、结构等，给出有关样品的各种信息。第112页，讲稿共115张，创作于星期日113核磁共振现象由美国科学家柏塞尔(E.M.Purcell)和瑞士科学家布洛赫(E.Bloch)于1945年12月和1946年1 月分别独立发现.他们共享了1952年诺贝尔物理学奖。与核塞曼能级间的跃迁对应的磁共振现象核磁共振核磁共振第113页，讲稿共115张，创作于星期日114如果此时如果此时在与外磁场垂直的方向上给粒子加一个高频电磁场在与外磁场垂直的方向上给粒子加一个高频电磁场（频率为（频率为v，能量为，能量为hv），当），当hv与塞曼能级分裂的裂距相等与塞曼能级分裂的裂距相等时时（满足核磁共振条件），（满足核磁共振条件），低能级上的粒子吸收高频电磁场的能低能级上的粒子吸收高频电磁场的能量产生跃迁量产生跃迁，此即核磁共振。，此即核磁共振。裂距：原子核的自旋磁矩与外磁场的相互 作用会产生塞曼能级分裂,裂距为：核磁子 ：核的朗德因子。核磁共振的条件：（比玻尔磁矩小3个数量级）第114页，讲稿共115张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第115页，讲稿共115张，创作于星期日