原子物理atom06

1、第六章第六章 磁场中的原子磁场中的原子Atoms in the magnet field6.1 原子的磁矩原子的磁矩 原子磁性问题的关键是原子的磁矩。原子中的电子，由于轨原子磁性问题的关键是原子的磁矩。原子中的电子，由于轨道运动，具有轨道磁矩，它的数值是道运动，具有轨道磁矩，它的数值是llpme2Blllmhell141称为玻尔磁子。称为玻尔磁子。22310927. 04mAmheB方向与方向与pl相反。根据量子力学相反。根据量子力学 , 所以所以1llpl电子还具有自旋磁矩，它的数值是电子还具有自旋磁矩，它的数值是sspmeBsmhe3212121原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁

2、矩。原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩。方向与方向与ps相反。根据量子力学相反。根据量子力学 ，所以有，所以有1 112 2sp 由于由于pl（l）和和ps（s）都绕都绕pj作进作进动，所以合成动，所以合成也绕也绕pj作进动，作进动， 在在pj方向投影是恒定的，垂直方向投影是恒定的，垂直pj的分量的分量因旋转，其平均效果为零。所以对外因旋转，其平均效果为零。所以对外起作用的是起作用的是j，常把它称为电子的总常把它称为电子的总磁矩。磁矩。1. 单电子原子的总磁矩单电子原子的总磁矩slj（sllpspjpcos( , )cos( , )cos( , )2cos( , )2jlslsl

3、js jepl jps jmjsljlppppjlp2,cos222得得2222cos,lsjsjpppp ps j同理，由同理，由slj（sllpspjp222cos,2jlssjpppps jp得得jlpppppjljls,cos2222由由22221222jlsjjjjpppeepgppmm22221222jlsjjjjpppeepgppmm其中其中222211111221jlsjpppj jl ls sgpj j 称为朗德因子，上述式子给出了单电子原子总磁矩与称为朗德因子，上述式子给出了单电子原子总磁矩与pj 的关系。的关系。写成矢量形式为：写成矢量形式为：2jjegpm 2. 具有两

4、个或两个以上电子的原子的磁矩具有两个或两个以上电子的原子的磁矩2JJegPm 对于对于LS 耦合：耦合：111121J JL LS SgJ J 对于对于Jj 耦合：耦合：1112111121iippippiipJ JjjJJggJ JJ JJJjjgJ J12JJBegPgJ Jm磁矩的数值为：磁矩的数值为：由图可知由图可知sinJdPPd磁场对磁场对 J 的力矩的力矩JLB (1)dPLdt (2)sinsinJJdPdPPdtdt (3)由由(1)式有式有sinJLB (4)1. 拉莫尔旋进拉莫尔旋进6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用再由再由(2)、 (3) 、 (4)式有式有s

5、insinJJPB 即即JJBBP这就是拉莫尔旋进角速度公式。这就是拉莫尔旋进角速度公式。就有就有2gem式中式中称为旋磁比。称为旋磁比。2JJegpm再由再由2. 原子受磁场作用的附加能量原子受磁场作用的附加能量根据空间量子化有根据空间量子化有cos2JhPMM,1,MJ JJ 称为磁量子数。称为磁量子数。cos22JJJeeEBgP BgP Bmm 4BheEMgBMgBm4BheEMgBMgBm若把上式的附加能量表示为光谱项差若把上式的附加能量表示为光谱项差 T，则有则有4EeBTMgMgLhcmc称为洛伦兹单位。称为洛伦兹单位。4LeBmc几种双重态的几种双重态的 g因子和因子和Mg值

6、值6.3 史特恩史特恩- -盖拉赫实验的结果盖拉赫实验的结果coscos224zJJBegPmegMmheMgMgm 212BdBLSMgm dzv zvLdzdBmS221212BdBLSMgm dzv 应该有应该有2J+1个值，即实验结果应该有个值，即实验结果应该有2J+1个条纹。个条纹。史特恩盖拉赫实验证明了史特恩盖拉赫实验证明了: :1.1.角动量空间量子化行为；角动量空间量子化行为；2.2.电子自旋假设是正确的，而且自旋量子数电子自旋假设是正确的，而且自旋量子数s1/2；3.3.电子自旋磁矩为电子自旋磁矩为(s1)3ssBBgs（方向与自旋方向相反）（方向与自旋方向相反）6.4 顺磁

7、共振顺磁共振4BheEMgBMgBm具有磁矩的原子称为顺磁性原子。当磁矩不等于零的原子处在磁具有磁矩的原子称为顺磁性原子。当磁矩不等于零的原子处在磁场中时，它的能级分裂成数层；裂成的能级与原能级的差值等于场中时，它的能级分裂成数层；裂成的能级与原能级的差值等于二邻近能级的间隔等于二邻近能级的间隔等于HgBgBB0如果在原子所在的稳定磁场区域如果在原子所在的稳定磁场区域又叠加一个与稳定磁场垂直的交又叠加一个与稳定磁场垂直的交变磁场，而它的频率变磁场，而它的频率又调整到又调整到HghB0二邻近能级间就会有跃迁，这可以用适当的仪器探测出来。二邻近能级间就会有跃迁，这可以用适当的仪器探测出来。顺磁共振

8、实验中所用的电顺磁共振实验中所用的电磁波的波长在厘米量级。磁波的波长在厘米量级。实际用的交变磁场是高频电磁波，调整电磁波频率实际用的交变磁场是高频电磁波，调整电磁波频率 或磁场强或磁场强度度H H，当二者满足上式时，原子就会吸收电磁波，这个现象被，当二者满足上式时，原子就会吸收电磁波，这个现象被称为称为顺磁共振顺磁共振。HghB0 多个共振峰的出现有时称作波谱的精细结构，这是由于顺磁原子多个共振峰的出现有时称作波谱的精细结构，这是由于顺磁原子的电子运动受到了邻近粒子的影响所致。顺磁共振的波谱反映了原子的电子运动受到了邻近粒子的影响所致。顺磁共振的波谱反映了原子受邻近原子作用的情况，因此现在已经

9、成为研究分子结构和固体、液受邻近原子作用的情况，因此现在已经成为研究分子结构和固体、液体结构的很好的方法。体结构的很好的方法。 原子处在磁场中时，如果没有其他影响，裂开的能级是等间隔的，原子处在磁场中时，如果没有其他影响，裂开的能级是等间隔的，而共振就代表能级的间隔，所以在这个情况下只出现一个共振峰。但而共振就代表能级的间隔，所以在这个情况下只出现一个共振峰。但如果用固体作为样品，往往会出现多个共振峰。如果用固体作为样品，往往会出现多个共振峰。在有些情况下，一个共振峰又裂成几个靠得很近的峰，这被称在有些情况下，一个共振峰又裂成几个靠得很近的峰，这被称作波谱的超精细结构，这是由于原子核磁矩的影响

10、而产生的。作波谱的超精细结构，这是由于原子核磁矩的影响而产生的。核磁矩核磁矩I 在足够强的磁场中可以有在足够强的磁场中可以有2I+1个取向，个取向，I是核角动量量是核角动量量子数。这就会有不同的能量附加在原来原子的磁能级上，进而子数。这就会有不同的能量附加在原来原子的磁能级上，进而产生超精细结构。产生超精细结构。核磁矩很小，只有电子磁矩核磁矩很小，只有电子磁矩的千分之一的数量级，所以的千分之一的数量级，所以引起的附加能量不大。引起的附加能量不大。顺磁共振可以用来测量原顺磁共振可以用来测量原子核的角动量量子数。子核的角动量量子数。Mn+的顺磁共振峰的顺磁共振峰 ( (这里出现了六个很靠近的吸收峰

11、这里出现了六个很靠近的吸收峰) )核磁共振核磁共振* * (Nuclear Magnetic Resonance)(1)pI I(1),2INegpgI IM原子核具有自旋角动量和自旋磁矩原子核具有自旋角动量和自旋磁矩相邻能级能量差为相邻能级能量差为 ，所以原子核可以吸收满足下式频率，所以原子核可以吸收满足下式频率关系的电磁波关系的电磁波BgNBghN上述过程被称为上述过程被称为核磁共振核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，缩写，缩写NMR) 。,(,1,1, )IINIEBgmBmIIII 核磁矩在外磁场中的附加能量为核磁矩在外磁场中的附加能量为2NeM其中其中核磁

12、共振所用电磁波的波长比顺磁共振中的电磁波波长大三核磁共振所用电磁波的波长比顺磁共振中的电磁波波长大三个数量级左右。个数量级左右。人体的约人体的约70%70%是由水组成的，是由水组成的，而这些水分子的分布会因疾而这些水分子的分布会因疾病而发生变化，所以可以利病而发生变化，所以可以利用氢核的核磁共振来进行医用氢核的核磁共振来进行医疗诊断。核磁共振成像就是疗诊断。核磁共振成像就是这样的一种新的医疗技术。这样的一种新的医疗技术。正常正常 肿瘤肿瘤6.5 塞曼效应塞曼效应 1896年，塞曼年，塞曼(Peter Zeeman)发现，当把光源放在磁场内时，发现，当把光源放在磁场内时，光源发出的光谱线变宽了。

13、再仔细观察后才发现，每一条谱线光源发出的光谱线变宽了。再仔细观察后才发现，每一条谱线分裂成几条谱线，而不是任何谱线的变宽。分裂成几条谱线，而不是任何谱线的变宽。 P. Zeeman和和A. Lorentz，1902年诺贝尔物理年诺贝尔物理奖得主。奖得主。1. 塞曼效应的观察塞曼效应的观察 谱 线 在 磁 场谱 线 在 磁 场中分裂为三条，中分裂为三条，被称为正常塞曼被称为正常塞曼效应。效应。 某 些 原 子 的某 些 原 子 的某些谱线分裂的某些谱线分裂的数目也可以不是数目也可以不是三条，这被称为三条，这被称为反常塞曼效应。反常塞曼效应。 从垂直于磁场的方向观察光谱三条谱线是线偏振的，中间一从

14、垂直于磁场的方向观察光谱三条谱线是线偏振的，中间一条的电矢量平行于磁场，左右两条的电矢量垂直于磁场。条的电矢量平行于磁场，左右两条的电矢量垂直于磁场。 镉的镉的6438埃谱线的塞曼效应埃谱线的塞曼效应 把镉把镉光源放在足够强的磁场中，从垂直光源放在足够强的磁场中，从垂直于磁场的方向观察光谱，谱线分裂于磁场的方向观察光谱，谱线分裂为三条，一条在原位，左右还各有为三条，一条在原位，左右还各有一条。两边的两条离中线的距离用一条。两边的两条离中线的距离用波数表示是相等的。波数表示是相等的。 如果迎着磁场方向观察光谱，中间那条就不出现；两边两条如果迎着磁场方向观察光谱，中间那条就不出现；两边两条仍在垂直

15、方向观察到的位置，但已经是圆偏振的了。两条的偏仍在垂直方向观察到的位置，但已经是圆偏振的了。两条的偏振转向是相反的。频率比原谱线频率高的那一条的偏振转向是振转向是相反的。频率比原谱线频率高的那一条的偏振转向是左旋的，频率较原谱线频率低的那一条的偏振转向是右旋的。左旋的，频率较原谱线频率低的那一条的偏振转向是右旋的。钠的钠的5896埃和埃和5890埃黄色谱线的塞曼效应埃黄色谱线的塞曼效应 把纳光源放在足够把纳光源放在足够强的磁场中，从垂直于磁场的方向观察，会看到谱线分裂成下强的磁场中，从垂直于磁场的方向观察，会看到谱线分裂成下图所示的情况。在平行于磁场方向观察时图所示的情况。在平行于磁场方向观察

16、时部分不出现。部分不出现。2. 塞曼效应的理论解释塞曼效应的理论解释原子能级在磁场中分裂为原子能级在磁场中分裂为2J+1层，每层的能级移动为：层，每层的能级移动为：4BheEMgBMgBm设有一光谱线，由能级设有一光谱线，由能级 E1和和E2之间的跃迁产生，因此谱线的之间的跃迁产生，因此谱线的频率频率与能级有如下关系：与能级有如下关系：12EEh在磁场中，上、下两能级一般都要分裂在磁场中，上、下两能级一般都要分裂( (也有不分裂的也有不分裂的) )，因此，因此新的光谱线频率新的光谱线频率和能级有下列关系：和能级有下列关系： BgMgMhEEEEEEEEhB112212121122BgMgMhh

17、B112222114BeM gM gm上式表示塞曼效应分裂的谱线与原谱线频率之差。也可写成波上式表示塞曼效应分裂的谱线与原谱线频率之差。也可写成波数改变的形式：数改变的形式：22112211114BeM gM gM gM gLmc4BeLmc称为洛伦兹单位。称为洛伦兹单位。塞曼跃迁也遵循一定的选择定则，只有在下列条件下才能发生：塞曼跃迁也遵循一定的选择定则，只有在下列条件下才能发生：M=0，产生产生 线线(当当J=0时时，M2=0M1=0除外除外);M= 1，产生产生 线线。21111111,121J JL LS SgggJ J 镉镉1D21P1谱线的塞曼效应谱线的塞曼效应的能级跃迁图的能级跃

18、迁图2P3/22P1/22S1/2589.6 nm589.0 nm无磁场无磁场-1/2 -1/31/2 1/3M Mg3/2 6/31/2 2/3-1/2 -2/3-3/2 -6/31/2 1-1/2 -1有磁场有磁场钠钠2P1/2, 3/2 2S1/2谱线的塞曼效应的能级跃迁图谱线的塞曼效应的能级跃迁图 从塞曼效应的实验数据可以推断有关能级的分裂从塞曼效应的实验数据可以推断有关能级的分裂情况，从能级裂开的层数可以知道情况，从能级裂开的层数可以知道J J值；而能级的间值；而能级的间隔等于隔等于gBB，从而可以知道从而可以知道g g值。这样就获得了原子值。这样就获得了原子态的重要信息。塞曼效应是

19、研究原子结构的重要途径态的重要信息。塞曼效应是研究原子结构的重要途径之一。之一。6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性 有些物质放在磁场中磁化后，它的宏观磁矩的方向与磁场方有些物质放在磁场中磁化后，它的宏观磁矩的方向与磁场方向相反，这类物质称为抗磁性的。还有一些物质在磁场中磁化后向相反，这类物质称为抗磁性的。还有一些物质在磁场中磁化后的宏观磁矩的方向与磁场方向相同，这类物质称为顺磁性的。的宏观磁矩的方向与磁场方向相同，这类物质称为顺磁性的。现在知道，现在知道，凡是总磁矩等于零的原子或分子都表现抗磁性；总磁凡是总磁矩等于零的原子或分子都表现抗磁性；总磁矩不等于零的原子或分子表现顺磁

20、性。矩不等于零的原子或分子表现顺磁性。单原子物质的磁性决定于单原子物质的磁性决定于原子总磁矩的情况；由分子构成的物质的磁性决定于分子总磁矩原子总磁矩的情况；由分子构成的物质的磁性决定于分子总磁矩的情况。的情况。实验表明，物质磁化后单位体积的磁矩实验表明，物质磁化后单位体积的磁矩M与磁场与磁场H满足：满足：MH抗磁物质的磁化率抗磁物质的磁化率 0。1抗磁性抗磁性 抗磁性是磁场对电子轨道运动所起作用的结果。电子轨道运抗磁性是磁场对电子轨道运动所起作用的结果。电子轨道运动在磁场中会发生旋进。旋进角动量的方向在任何情况下都是动在磁场中会发生旋进。旋进角动量的方向在任何情况下都是在磁场的方向，与电子轨道

21、运动的速度和方向无关。在同一磁在磁场的方向，与电子轨道运动的速度和方向无关。在同一磁场下，旋进的速度是常数。因此一个原子中所有的电子构成一场下，旋进的速度是常数。因此一个原子中所有的电子构成一个整体绕着磁场旋进，形成一个电的环流。但电子带负电，这个整体绕着磁场旋进，形成一个电的环流。但电子带负电，这相当于一个相反方向的正电环流。这样一个电的环流会产生方相当于一个相反方向的正电环流。这样一个电的环流会产生方向与磁场方向相反的磁矩，这就是抗磁性的来源。向与磁场方向相反的磁矩，这就是抗磁性的来源。朗之万朗之万(P. Langevin)曾依据上述抗磁曾依据上述抗磁性的机理推出了磁化率的公式。性的机理推

22、出了磁化率的公式。法国著名物理学家朗之万法国著名物理学家朗之万(P. Langevin, 18721946) 一个电流回路所产生的磁矩为一个电流回路所产生的磁矩为iA在外磁场作用下的一个原子中，电子运动绕磁场作旋进。旋进在外磁场作用下的一个原子中，电子运动绕磁场作旋进。旋进频率为频率为0,22LgeHm整个原子中的整个原子中的Z Z个原子形成一个电的环流，即个原子形成一个电的环流，即204aLZeiZeHm (取取g=1)产生的磁矩为：产生的磁矩为：22220044aaZeZei AHHmm 这里这里 是原子中所有电子到通过原子核而平行于磁场的是原子中所有电子到通过原子核而平行于磁场的z z轴

23、的轴的距离平方的平均值。距离平方的平均值。22222rxyz222223xyr2206aZeHrm 磁化强度磁化强度M是单位体积中的磁矩，这应等于上式乘以单位体积是单位体积中的磁矩，这应等于上式乘以单位体积中的原子数中的原子数N，即即2206aZe NMNHrm 由此可得抗磁性物质磁化率公式如下由此可得抗磁性物质磁化率公式如下2206Ze NMrHm 抗磁性既是磁场对电子轨道运动的作用的结果，应该发生抗磁性既是磁场对电子轨道运动的作用的结果，应该发生在任何原了或分子中，因此是普遍存在的。但是对于原子，只在任何原了或分子中，因此是普遍存在的。但是对于原子，只有在有在S=L=0，因而因而S=L=0

24、的情况下，抗磁性才显现出来。如果的情况下，抗磁性才显现出来。如果原子磁矩不等于零，较强的顺磁性会掩盖抗磁性。原子磁矩不等于零，较强的顺磁性会掩盖抗磁性。2. 顺磁性顺磁性 顺磁性，就原子来说，是具有磁矩的原子顺磁性，就原子来说，是具有磁矩的原子(J 0)在磁场中各种在磁场中各种取向的平均效果。原子磁矩在磁场中的取向是量子比的取向的平均效果。原子磁矩在磁场中的取向是量子比的，只能只能有有2J+1个取向，相当于个取向，相当于2J+1个能级。磁场对原子磁矩的作用引个能级。磁场对原子磁矩的作用引起的附加能量起的附加能量BEMgB由于无规则热运动，原子相互碰撞，交换能量。当达到热干衡时，由于无规则热运动

25、，原子相互碰撞，交换能量。当达到热干衡时，原子在诸能级的分布符合玻尔兹曼分布律：原子在诸能级的分布符合玻尔兹曼分布律：EkTNe每一个能级相当于磁矩的一个取向，各有其在磁场方向的分量每一个能级相当于磁矩的一个取向，各有其在磁场方向的分量z z。在上述分布中，具有较低能级的原子数比高能级的原子数在上述分布中，具有较低能级的原子数比高能级的原子数要多。而要多。而z z是正值的能级低于是正值的能级低于z z是负值的能级。所以大量具有是负值的能级。所以大量具有总磁矩的原子的平均磁矩是正的，也就是平均磁矩是向着总磁矩的原子的平均磁矩是正的，也就是平均磁矩是向着H H方向方向的，这就显现出顺磁性。的，这就显现出顺磁性。一个原子在磁场方向的平均磁矩可表示为：一个原子在磁场方向的平均磁矩可表示为：BBJEMgB kTBkTzMJEJMgB kTkTMJMgeeee在在通常的磁场和温度下，通常的磁场和温度下，11JBBMJJBMJMgBgMkTMgBkTkTBMgB代