第六章 磁场中的原子

1、第六章第六章 磁场中的原子磁场中的原子 6.1. 原子能级在外场中的分裂原子能级在外场中的分裂 6.2. 顺磁共振顺磁共振 6.3. 塞曼效应塞曼效应 6.1. 6.1. 原子能级在外场中的分裂原子能级在外场中的分裂 一、原子的磁矩一、原子的磁矩 1、复习：单电子原子的总磁矩、复习：单电子原子的总磁矩 o 电子轨道运动磁矩：电子轨道运动磁矩： l e l p m e 2 Bl e l llg m e ll) 1( 2 ) 1( 或或， s e s p m e Bs e s ssg m e ss) 1() 1( 或或， o 电子自旋运动磁矩：电子自旋运动磁矩： ) 1(2 ) 1() 1() 1

2、( 1 jj sslljj g )1(2 )1()1( 2 3 jj llss g或或， 2, 0, 2/1 s ggls若若对对单单电电子子原原子子， 其中朗德因子其中朗德因子: : 单电子原子总单电子原子总(有效有效)磁矩磁矩:j e jj p m e g 2 Bj e jj jjg m e jjg) 1( 2 ) 1( 或或， j l s Ps Pj Pl 2、多电子原子的总磁矩、多电子原子的总磁矩 o 多电子原子的总有效磁矩与总角动量有类似关系：多电子原子的总有效磁矩与总角动量有类似关系： J e JJ p m e g 2 BJ e JJ JJg m e JJg) 1( 2 ) 1(

3、或或， ) 1(2 ) 1() 1() 1( 1 JJ SSLLJJ g 3、多电子原子的、多电子原子的Land 因子因子 L-S耦合耦合: 显然，对显然，对S态（态（L=0 但但 S0），），g=2； 对单重态（对单重态（S=0 但但 L0 ），），g=1； 而对于单重的而对于单重的S态（态（L=S=J=0），总角动量和），总角动量和 总磁矩都为零，没有总磁矩都为零，没有g因子。因子。 ) 1(2 ) 1() 1() 1( JJ JJjjJJ gg PPii i ) 1(2 ) 1() 1() 1( JJ jjJJJJ g iiPP p 两个电子：两个电子：JP，ji 分别是分别是 j1,

4、j2，gp, gj 分别是分别是 g1, g2。 多个电子多个电子: JP，gP 就是前（就是前（n-1）个电子的）个电子的 j 值和值和g值，而值，而ji，gi 是最后电子的是最后电子的 j 和和 g。 J j 耦合耦合： 在外磁场在外磁场B中中,原子磁矩原子磁矩 受磁场力矩的作用受磁场力矩的作用, 绕绕B连续进动的现象。连续进动的现象。 J 二、拉莫旋进二、拉莫旋进 Larmor precession BL JJ 的的力力矩矩：磁磁场场对对 旋旋进进。绕绕，即即和和垂垂直直于于BPBPPd JJJ Bp m e g dt pd L J e J 2 角角动动量量定定理理： dPdP JJ s

5、in而而 LJJ J P dt d P dt dP sinsin 旋进频率：旋进频率： 旋进角速度旋进角速度: : sin 22 BP m e gBP m e g dt dP J e J e J 同时，同时， BB p B m e g J J e L 2 为为旋旋磁磁比比其其中中 e m e g 2 22 B L L d B dPJ PJ J J d B dP PJ J J 讨论：讨论：总角动量总角动量PJ 与外场与外场B夹角夹角 分别为锐角和钝角分别为锐角和钝角 o PJ 都绕都绕 B 逆时针旋转，旋进角动量逆时针旋转，旋进角动量P 与与B同向同向; o 左图左图 /2/2/2， P 与与P

6、J的分量方向相反，迭加后外场方向的分量方向相反，迭加后外场方向 角动量减小，能量也减小角动量减小，能量也减小; o 由于原子总角动量（总磁矩）在外磁场中取向的量子化，由于原子总角动量（总磁矩）在外磁场中取向的量子化， 将引起原子能级的分裂：将引起原子能级的分裂： 夹角夹角 为锐角，体系的能量将增加；为锐角，体系的能量将增加； 相反，夹角相反，夹角 为钝角，体系的能量将减小。为钝角，体系的能量将减小。 BE J 动产生的附加能量：动产生的附加能量：原子在外场中的旋进运原子在外场中的旋进运 Bp m e gBp m e gE Jz e J e 22 JJJM, 1, Mmp JJz 空空间间量量子

7、子化化： 磁量子数：磁量子数： 共（共（2J+1）个个 洛仑兹单位：洛仑兹单位： MgL mc eB Mg hc E T 4 )(67.46 4 1 mTBB mc e L 光谱项差：光谱项差： BMgB m he MgE B 4 注意杨福家教材中定义的区别注意杨福家教材中定义的区别 3. 分裂后的两相邻磁能级的间隔都等于分裂后的两相邻磁能级的间隔都等于 Bg B 1. 原子在磁场中所获得的附加能量与原子在磁场中所获得的附加能量与B成正比；成正比； 结论结论: : 2. 因为因为M 取取(2J+1)个可能值个可能值, 因此无磁场时原子的一因此无磁场时原子的一 个能级个能级, 在磁场中分为在磁场

8、中分为(2J+1)个子能级个子能级, 磁能级与磁能级与 原能级的能量差为原能级的能量差为 E=Mg BB; 4. 由同一能级分裂出来的诸磁能级的间隔都相等由同一能级分裂出来的诸磁能级的间隔都相等, 但但 从不同的能级分裂出来的磁能级的间隔彼此不一从不同的能级分裂出来的磁能级的间隔彼此不一 定相等定相等,因为因为g因子不同。因子不同。 表表1 几种双重态几种双重态g因子和因子和Mg的值的值 2/ 5 2 2/ 3 2 2/ 3 2 2/ 1 2 2/ 1 2 D D P P S 2 1/2 gMg 2/3 4/3 4/5 6/5 1/3 2/3,6/3 2/5,6/5 3/5,9/5,15/5

9、无磁场无磁场 有磁场有磁场 2 3 2 p M Mg 3/2 6/3 1/2 2/3 -1/2 -2/3 -3/2 -6/3 能级在磁场中分裂情况能级在磁场中分裂情况 2 3 2 p 需要指出的是：需要指出的是： 只有只有外磁场外磁场B较弱较弱时上述讨论才正确。时上述讨论才正确。 因为此时原子内的旋轨相互作用才不被磁场破坏因为此时原子内的旋轨相互作用才不被磁场破坏, S 和和 L才能合成总磁矩才能合成总磁矩 ，且，且 绕绕PJ旋转很快，以至于旋转很快，以至于 对外磁场而言，有效磁矩仅为对外磁场而言，有效磁矩仅为 在在PJ方向的投影方向的投影 J。 在弱磁场在弱磁场B中原子所获得的附加能量才为中

10、原子所获得的附加能量才为: BMgE B Mjnlnljm EEEE j 所以在弱磁场中原子的能级可表为：所以在弱磁场中原子的能级可表为： 在分裂后的磁能级间的跃迁要符合选择定则：在分裂后的磁能级间的跃迁要符合选择定则： ;001, 0 ; 10 ; 0 除除外外）（ ， J L S 除除外外）从从时时（ 附附加加： 00,0 1, 0 MJ M 强磁场情况强磁场情况: : BBEE SLmmM sl 磁场磁场B强到超过原子内旋轨作用，使强到超过原子内旋轨作用，使PJ旋转频率旋转频率 远小于远小于PL和和PS分别绕磁场旋转的频率，此时分别绕磁场旋转的频率，此时PL和和PS 的耦合被破坏，的耦合

11、被破坏，PL和和PS直接与外磁场耦合。这时原直接与外磁场耦合。这时原 子在磁场中的附加能量主要子在磁场中的附加能量主要由由- S B和和- L B决定。决定。 BPP m e BBE SL e LS )2( 2 )2( 2 )2( 2 SL e SzLz e MM m Be BPP m e E BMMEE BSLmm sl )2( 或或 由于旋轨作用被破坏，强磁场中原子能级应表为由于旋轨作用被破坏，强磁场中原子能级应表为: 附加能量：附加能量： sl sl mmnlmmnl EEE 强磁场情况强磁场情况: : 即在强磁场中的附加能量由即在强磁场中的附加能量由ML和和MS的组合决定的组合决定,

12、给定给定L、S时有时有(2L+1)个个ML和和(2S+1)个个MS值，组合结果值，组合结果 使附加能量有若干个可能值，因此磁场中每一个能级使附加能量有若干个可能值，因此磁场中每一个能级 将分裂为若干个子能级。将分裂为若干个子能级。 在这些子能级间的跃迁要符合选择定则：在这些子能级间的跃迁要符合选择定则： 0, 1, 0 SL MM 1, 0)2( SL MM 强磁场情况强磁场情况: : 弱磁场与强磁场的比较弱磁场与强磁场的比较: : (a)弱磁场弱磁场 PS 快快 B 慢慢 PL PJ PL、PS围绕围绕PJ旋转旋转 PJ围绕围绕B旋转旋转 PL、PS围绕围绕PJ旋转，同时旋转，同时PJ围绕围

13、绕B旋转旋转 B PL Ps (b) 强磁场强磁场 一、顺磁共振原理一、顺磁共振原理 （Electron Paramagnetic Resonance） 顺磁原子顺磁原子(即具有磁矩的原子即具有磁矩的原子)置于磁场中置于磁场中, 其能级其能级 分裂为分裂为(2J+1)层层, 如果在原子所在的稳定磁场区域又叠如果在原子所在的稳定磁场区域又叠 加一个垂直的交变磁场加一个垂直的交变磁场, 当交变磁场的频率满足当交变磁场的频率满足: BgHgh BB 0 6.2. 6.2. 顺磁共振顺磁共振 则原子将在两相邻磁能级之间发生跃迁则原子将在两相邻磁能级之间发生跃迁,即产生即产生 顺磁共振顺磁共振。 E.K

14、.扎沃伊斯基于扎沃伊斯基于1944年从年从MnCl2、CuCl2 水溶液中发现水溶液中发现 H h gB h g BB 0 Hg ch Bg chc BB 0 共振波长：共振波长： 共振频率共振频率: : HzTgBgB h B g B 10 34 23 1040. 1)( 10626. 6 10927. 0 或，或， 若若B=1T, 则则 cm TgB c )( 14. 2 或，或， 所以，顺磁共振实验用的电磁波是所以，顺磁共振实验用的电磁波是cm波波 Hzg 10 1040. 1cm g 14. 2 或或， cm 波波 二、顺磁共振实验二、顺磁共振实验 o实验方法：实验方法： 扫场法：固定

15、电磁波的频率扫场法：固定电磁波的频率 ，连续改变磁场，连续改变磁场B; 扫频法：固定磁场扫频法：固定磁场B的大小，对交变电磁场的频的大小，对交变电磁场的频 率率 进行扫描。进行扫描。 o共振谱：共振谱： 可以测量样品对高频电磁波的吸收（吸收谱）可以测量样品对高频电磁波的吸收（吸收谱） 或反射（反射谱）或反射（反射谱） C 微波谐振腔微波谐振腔, 放置顺磁性物质放置顺磁性物质 G 电磁波发生器电磁波发生器 发出的电磁波经发出的电磁波经 波导送入谐振腔波导送入谐振腔 D 探测器探测器 R 记录器记录器 三、应用三、应用 o 简单物质：有未配对的电子和磁矩，测量简单物质：有未配对的电子和磁矩，测量g

16、 o 复杂样品：如固体，顺磁原子受环境影响，会出现几复杂样品：如固体，顺磁原子受环境影响，会出现几 个共振峰，叫波谱的精细结构个共振峰，叫波谱的精细结构(fine structure)，可研，可研 究分子结构，固体、液体结构。究分子结构，固体、液体结构。 o 有时共振峰出现超精细结构有时共振峰出现超精细结构(Hyperfine structure)，是，是 受核磁矩的影响：核磁矩在外场中有受核磁矩的影响：核磁矩在外场中有2I+1个取向，引个取向，引 起不同的能量附加在原子的磁能级上，从而磁能级的起不同的能量附加在原子的磁能级上，从而磁能级的 间距不再相等，因而顺磁共振峰分裂为间距不再相等，因而

17、顺磁共振峰分裂为2I+1个亚峰。个亚峰。 可以用来测量可以用来测量I和和gI 例例: : 证明自由基的存在、得到分子结构，以及化学反应机证明自由基的存在、得到分子结构，以及化学反应机 理和反应动力学方面的重要信息理和反应动力学方面的重要信息 如环辛四烯是一个非平面分子，当用碱金属还原，生成如环辛四烯是一个非平面分子，当用碱金属还原，生成 环辛四烯负离子自由基环辛四烯负离子自由基 对于对于 J=0的原子束的原子束, 或原子或原子 J0 但构成分子时整个但构成分子时整个 分子的磁矩为零的分子束分子的磁矩为零的分子束, 在外磁场作用下在外磁场作用下,将产生由核磁将产生由核磁 矩矩 I引起的磁能级。磁

18、场足够强时引起的磁能级。磁场足够强时, I有有2I+1个取向个取向, 核磁核磁 能级的分裂为能级的分裂为: BgMBE NII I 核朗德因子核朗德因子: : g gI I 四、核磁共振核磁共振(NMR) 1836/2/ BpN meh核核磁磁子子： 相邻核磁能级的间隔为相邻核磁能级的间隔为: HgBgE NINI 0 当交变磁场的频率满足下面关系时当交变磁场的频率满足下面关系时: 将发生核磁能级之间的共振吸收，称为核磁共振。将发生核磁能级之间的共振吸收，称为核磁共振。 HgBgh NINI 0 H h g h B g No I N I 共共振振频频率率： )( 3 .39 m BgBg ch

19、 Hg chc ININoI 共振波长：共振波长： 米米 波波 应用举例：有机化学、生物、医学检测应用举例：有机化学、生物、医学检测 o 乙醇中乙醇中H原子的原子的NMR谱。谱。 6个个H原子分属原子分属3个化学环境不同的原子团个化学环境不同的原子团 6.3 塞曼效应塞曼效应 ( Zeeman Effect ) o 五、帕邢五、帕邢巴克（巴克（Paschen-Back）效应效应 o 一、历史回顾一、历史回顾 o 二、二、Zeeman效应实验效应实验 o 三、三、Zeeman效应的理论解释效应的理论解释 谱线波数的变化、选择定则、正常与反常谱线波数的变化、选择定则、正常与反常Zeeman效应的解

20、释、效应的解释、 Zeeman谱线的偏振问题谱线的偏振问题 o 四四 、 Zeeman效应的意义效应的意义 一、历史回顾：一、历史回顾：Zeeman的发现的发现 o 发现发现：1896年，年，Zeeman 发现强磁场中钠的黄发现强磁场中钠的黄D线线 变宽变宽 o 进一步实验进一步实验：证实是磁场：证实是磁场 的作用而不是蒸汽密度或的作用而不是蒸汽密度或 温度的作用温度的作用 Pieter Zeeman（荷兰）荷兰） (1865-1943) o Lorentz的电子论的电子论：光振荡是：光振荡是 由由“电子电子”的振动引起的的振动引起的 o 理论结果理论结果：三分裂现象；沿：三分裂现象；沿 磁场

21、方向，圆偏振光；垂直磁场方向，圆偏振光；垂直 方向，线偏振光方向，线偏振光 o e / m：与随后与随后J.J.Thomson的的 阴极射线结果一致，成为阴极射线结果一致，成为 Thomson发现电子的重要证据发现电子的重要证据 一、历史回顾：一、历史回顾：Lorentz的理论的理论 H.A.Lorentz（荷兰）（荷兰） （18531928） o T.Preston：1898年的深入研究发现了洛伦兹理论年的深入研究发现了洛伦兹理论 不能解释的磁致分裂现象，不能解释的磁致分裂现象， 即反常即反常Zeeman效应效应 o Paschen-Back：1912年发现强磁场中反常年发现强磁场中反常Ze

22、eman效应的效应的 谱线又变成三分裂谱线的现象，谱线又变成三分裂谱线的现象， 即即 Paschen-Back 效应效应 一、历史回顾：一、历史回顾：新的发现新的发现 一、历史回顾：一、历史回顾：影响影响 o Land：1921年研究年研究Zeeman效应，引入效应，引入 g 因子因子 o Uhlenbeck-Goudsmit：1925年为了解释反常年为了解释反常Zeeman 效应和碱金属复杂谱线，提出电子自旋概念效应和碱金属复杂谱线，提出电子自旋概念 o Heisenberg：1926年用量子力学统一解释年用量子力学统一解释Zeeman效应效应 o 1902年：年：Lorentz和和Zeem

23、an因因Zeeman效应的发现和效应的发现和 用电子论给予理论解释获用电子论给予理论解释获Nobel物理奖物理奖 二、二、Zeeman效应实验效应实验 1、实验装置、实验装置 二、二、Zeeman效应实验效应实验 1 1、正常、正常Zeeman效应效应（示意图）（示意图） 二、二、Zeeman效应实验效应实验 o B方向观察：每条分裂为三条，彼此间隔相等；方向观察：每条分裂为三条，彼此间隔相等； 中间一条中间一条 线频率不变；线频率不变； 左右两条左右两条 波数的改变为波数的改变为=L； 都是线偏振的都是线偏振的 线的电矢量振动方向平行于磁场；线的电矢量振动方向平行于磁场； 线的电矢量振动方向

24、垂直于磁场线的电矢量振动方向垂直于磁场 o B方向观察：中间的方向观察：中间的 成分看不到，只能看到成分看不到，只能看到 两条两条 线，它们都是圆偏振的线，它们都是圆偏振的 2、正常塞曼效应、正常塞曼效应：单线系谱线的分裂：单线系谱线的分裂 二、二、Zeeman效应实验效应实验 o 双重或多重结构的原子光谱，在较弱的双重或多重结构的原子光谱，在较弱的磁场中每一磁场中每一 条条 谱线分裂成许多条分线；谱线分裂成许多条分线； o 谱线分裂的条数决定于能级结构；谱线分裂的条数决定于能级结构； o 谱线的偏振：与正常谱线的偏振：与正常Zeeman效应类似；效应类似； o 谱线的间隔：不一定是谱线的间隔

25、：不一定是Lorentz单位单位L； o 经典电磁理论无法解释，叫经典电磁理论无法解释，叫反常反常Zeeman效应；效应； o 相应地，经典理论能解释的现象，叫相应地，经典理论能解释的现象，叫正常正常Zeeman效应效应 3、反常塞曼效应、反常塞曼效应：双重或多重结构的光谱的分裂双重或多重结构的光谱的分裂 Na黄黄D双线双线 589.6nm589.0nm 无磁场无磁场 在垂直在垂直 于于B方向方向 观察观察 沿沿 B方方 向观察向观察 Cd红红643.8nm BBB 正常三重线正常三重线 锌的正常塞曼效应锌的正常塞曼效应 锌的单线锌的单线 钠主线系的双线钠主线系的双线 加磁场加磁场 反常花样反

26、常花样 钠的反常塞曼效应钠的反常塞曼效应 无磁场无磁场 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 1、谱线波数的变化、谱线波数的变化 LgMgM m Be gMgM 1122 1122 ) 1 1 ( 4 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 2、磁能级间的跃迁选择定则、磁能级间的跃迁选择定则 线线。，产产生生 ；除除外外从从时时，线线，产产生生 1 )000(0 M MJM 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 ) 1 1 ( LgMgM 1122 LM)( 对于单线系的一条谱线，由于对于单线系的一条谱线，由于S=0，所以所以g2=g1=1，因而：，因而： 一条谱线分裂为

27、一条谱线分裂为3条，相邻谱线波数差为条，相邻谱线波数差为Lorentz单位单位 L) 1, 0( 例例1、镉、镉643.847nm红线在磁场中的正常塞曼效应红线在磁场中的正常塞曼效应 这条线对应的跃迁是这条线对应的跃迁是 1D2 1P1 L S J M g Mg 1D2 1P1 2 0 2 0，1， 2 1 0，1， 2 1 0 1 0， 1 1 0， 1 LML LgMgM )1,0( ) 1 1 ( 1122 计算计算Zeeman效应谱线波数变化的一般方法效应谱线波数变化的一般方法 o 先写出两个有关能级的先写出两个有关能级的L，S，J，M值；值； o 分别计算两能级的分别计算两能级的g因

28、子，因子，Mg值；值； o 列竖式，计算列竖式，计算(M2g2 - M1g1)，得到波数差，得到波数差; o 计算波数差时：计算波数差时： 竖直相减的是竖直相减的是M=0的跃迁，产生的跃迁，产生线；线； 斜着相减的是斜着相减的是M=1的跃迁，产生的跃迁，产生线线 计算波数的改变：计算波数的改变： M 2 1 0 -1 -2 M2g2 2 1 0 -1 -2 M1g1 1 0 -1 （M2g2 - M1g1）= L) 1 , 0 , 1() 1 ( 0 0 0-1 -1 -11 1 1 1D2 1P1 无磁场 1D2 1P1 无磁场 0 L 0 1D2 1P1 643.8 无磁场有磁场 Cd64

29、3.8nm的正常塞曼效应跃迁图的正常塞曼效应跃迁图 MMg -1 -2 -1 -2 2 1 0 2 1 0 -1-1 1 0 1 0 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 3、反常塞曼效应、反常塞曼效应 对于具有双重或多重结构的光谱线在磁场中的分裂情况，对于具有双重或多重结构的光谱线在磁场中的分裂情况， LgMgM 1122 ) 1 1 ( 结合选择定则，就可得到许多条线，而且相邻两条线的结合选择定则，就可得到许多条线，而且相邻两条线的 波数差也不一定是一个波数差也不一定是一个Lorentz单位。单位。 110 12 ggS，由于由于 ，而，而 例例2、Na钠钠589.0nm和和589

30、.6nm双线在磁场中的分裂双线在磁场中的分裂 这两条线对应的跃迁是：这两条线对应的跃迁是： 2P3/22P1/22S1/22S1/2 2S1/2 2P3/2 2P1/2 L 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 1/23/2 4/3 2/3 6/3 2P3/2 2S1/2 M 3/2 1/2 -1/2 -3/2 M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3 M1g1 1 -1 （M2g2 - M1g1）=-1/3 1/3 L) 3 5 , 3 3 , 3 1 , 3 1 , 3 3 , 3 5 () 1 ( -

31、5/3 -3/33/3 5/3 2P1/22S1/2 M 1/2 -1/2 M2g2 1/3 -1/3 M1g1 1 -1 （M2g2 - M1g1）=-2/3 2/3 L) 3 4 , 3 2 , 3 2 , 3 4 () 1 ( -4/34/3 2P2/3 2P1/2 2S1/2 能级分裂能级分裂 无磁场无磁场有磁场有磁场 2P2/3 2P1/2 2S1/2 无磁场无磁场有磁场有磁场 2P3/2 2P1/2 2S1/2 无磁场无磁场有磁场有磁场 -3/2 -6/3 Mg -1/2 -2/3 M 3/2 6/3 1/2 2/3 1/2 1/3 -1/2 -1/3 1/2 1 -1/2 -1

32、589.6nm589.0nm589.6nm589.0nm 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 o 原则：总角动量守恒原则：总角动量守恒 发光前原子系统的角动量发光前原子系统的角动量 = = 发光后原子系统的角动量与所发光子的角动量的矢量和发光后原子系统的角动量与所发光子的角动量的矢量和 4、Zeeman谱线的偏振问题谱线的偏振问题 M （原子在磁场方向的角动量为（原子在磁场方向的角动量为 ，而光子的角动量为，而光子的角动量为 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 原子在原子在B方向的角动量方向的角动量减小减小， 光子必然具有光子必然具有B方向方向角动量，角动量， 当面对磁场方

33、向观察时，当面对磁场方向观察时， 光的角动量光的角动量L与传播方向与传播方向P 同同， 光的电矢量光的电矢量逆时针逆时针方向转动，方向转动， 这是这是左旋圆偏振光左旋圆偏振光 4、Zeeman谱线的偏振问题谱线的偏振问题 P光传播方向光传播方向 观察者观察者 )( zB L 光的角动量方向光的角动量方向 , 1M 左旋圆偏振左旋圆偏振 1 12 MMM o 时，时， 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 原子在原子在B方向的角动量方向的角动量增加增加， 光子必具有光子必具有B反反方向方向角动量，角动量， 当面对磁场方向观察时，当面对磁场方向观察时， 光的角动量光的角动量L与传播方向与传

34、播方向相反相反, , 光的电矢量光的电矢量顺时针顺时针方向转动，方向转动， 这是这是右旋圆偏振光右旋圆偏振光 4、Zeeman谱线的偏振问题谱线的偏振问题 P光传播方向光传播方向 观察者观察者 )( zB L光的角动量方向光的角动量方向 , 1M 右旋圆偏振右旋圆偏振 1 12 MMMo 时，时， 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 o 垂直于磁场方向观察：垂直于磁场方向观察： 上述两种情况的电矢量在上述两种情况的电矢量在 xy 平面，平面， 4、Zeeman谱线的偏振问题谱线的偏振问题 y E 在垂直于磁场方向观察时，只能看到分量在垂直于磁场方向观察时，只能看到分量 ， B 是与磁

35、场垂直的线偏振光。是与磁场垂直的线偏振光。 （z为磁场方向，为磁场方向，x为垂直于为垂直于 的观察方向。）的观察方向。） 三、塞曼效应的理论解释三、塞曼效应的理论解释 o 时，原子在磁场方向角动量不变，时，原子在磁场方向角动量不变， 4、Zeeman谱线的偏振问题谱线的偏振问题 0M 但光子有固有角动量，但光子有固有角动量， 为保持角动量守恒，所发光子的角动量一定垂直为保持角动量守恒，所发光子的角动量一定垂直B: 在在B方向将方向将不能观察到不能观察到这条谱线，这条谱线， 在在B方向，将观察到方向，将观察到与磁场方向平行的线偏振光与磁场方向平行的线偏振光 四、四、Zeeman效应的意义效应的意

36、义 o Zeeman效应是电子自旋概念提出的三大实验基效应是电子自旋概念提出的三大实验基 础之一，其研究推动了量子力学的发展，是物础之一，其研究推动了量子力学的发展，是物 理学上的重要实验；理学上的重要实验； o Zeeman效应的结果反映了原子能级的分裂情况，效应的结果反映了原子能级的分裂情况， 可以推断原子态，是研究原子结构的重要途径。可以推断原子态，是研究原子结构的重要途径。 五、五、Paschen-Back效应效应 o 塞曼效应是在弱磁场中（即磁场不破坏塞曼效应是在弱磁场中（即磁场不破坏L-S耦合耦合 的情况）观察到的。的情况）观察到的。 o 若外磁场很强，若外磁场很强，L-S耦合将被破坏，耦合将被破坏，L、S不再不再 合成合成J，而是分别绕外场，而是分别绕外场B旋进。旋进。 o 强磁场下，一切反常塞曼效应将趋于正常塞曼强磁场下，一切反常塞曼效应将趋于正常塞曼 效应，这种现象称为效应，这种现象称为Paschen-Back效应。效应。 五、五、Paschen-Back效应效应 BPP m e BBE SL e LS )2( 2 )2( 2 )2( 2 SL e SzLz e MM m Be B