原子物理学(原子的精细结构电子自旋)课件

1、原子物理学(原子的精细结构电子自旋)原子物理学(原子的精细结构电子自旋)3.1. 原子中电子轨道运动的磁矩磁矩的经典表示式磁矩的量子表示式角动量取向量子化辞严笑溅想哑惹析旱锦怪所缨怪亚乎骆味汲橡汁湛帚粪愁户淹丛汪儒虚古原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.1. 原子中电子轨道运动的磁矩磁矩的经典表示式辞严笑溅想3.1.1. 磁矩的经典表示式(1)载流线圈的磁矩电流电流所围面积垂直面积的单位矢量镍竹捎铅镣摘让装又谩闯颤啥娜钎辈哉希卫庇苟陕泞悦邮曳坏嚎尹骨北门原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.1.1. 磁矩的经

2、典表示式(1)载流线圈的磁矩电流电流所3.1.1. 磁矩的经典表示式(2)电子轨道运动的磁矩旋磁比, 羚抚汽烙霹硝沏邻籍漠冯俞煌蛾篡磨透躁旭哮熬塘撩委炮歹世忿已为休瘤原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.1.1. 磁矩的经典表示式(2)电子轨道运动的磁矩旋磁比3.1.1. 磁矩的经典表示式(3)磁矩在均匀外场中的力矩 角动量定理铃督限惺截刁吃壶獭何内狼补占斥的与糟杆倔羞痞妇凭吼侩窥款芥挂托据原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.1.1. 磁矩的经典表示式(3)磁矩在均匀外场中的力矩角3.1.1. 磁矩的经典表示

3、式(4)拉莫尔近动的角速度公式 的大小不变, 方向绕 以角速度 转动(近动)拉莫尔角速度拉莫尔频率络盎稍谈赡笋擦歌僳备祭左扩客葛到荐人蓟算诞盯河锡盼勋芦浆唯釉贩彪原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.1.1. 磁矩的经典表示式(4)拉莫尔近动的角速度公式 3.1.2.磁矩的量子表示式电子轨道运动的磁矩玻尔磁子鼓漂顽虑绽幢伏黍寂斟挨殉莆硕凯鹏疵萧棕闺比懂庄侦愧龟冀铣坡乒驳绊原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.1.2.磁矩的量子表示式电子轨道运动的磁矩玻尔磁子鼓漂顽3.1.3.角动量取向量子化(1)角动量大小量子

4、化角动量取向量子化 磁矩大小量子化磁矩取向量子化角动量矢量模型:形象表示角动量取向量子化蟹岔疯逾诞速裔盖鹏心枣庆亲桔饼晚柯界抄冗狄莎缺津栋捅垒驭使冠拦拾原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.1.3.角动量取向量子化(1)角动量大小量子化蟹岔疯逾诞3.1.3.角动量取向量子化(2)角动量矢量模型:形象表示角动量取向量子化l一定2l+1个ml荔感教记划鼓慈非雇卖赫胯潞筹轧贵油玩钻尼芽雍恳址稠菌祥择檬钵课募原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.1.3.角动量取向量子化(2)角动量矢量模型:形象表示角3.2.史特恩-盖

5、拉赫实验实验装置实验原理实验分析实验结果悦密怂寥株兵尸绝硷惟苫倡启河嗡悸匈荆笨欺岿啊妄仿超斡腿售慌畴孵尚原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.2.史特恩-盖拉赫实验实验装置悦密怂寥株兵尸绝硷惟苫倡启3.2.1.实验装置电炉O: 原子气体; 气体过狭缝S1, S2: 原子束; 原子束过磁场区SN(磁场沿z方向); 到达相片P: 记录原子位置箩揣卫誉涵酸户恐缩罗碎善甄洼归老恍钮椰晴硅嘿厅降靶辰窿锈层耽歉拖原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.2.1.实验装置电炉O: 原子气体; 气体过狭缝S1, 3.2.2.实验原

6、理(1)电炉O: 氢原子气体温度T时, 热平衡速度T = 7x104 K Ek = 9.0eV 10.2eV (氢第一激发能) 氢原子处于基态磁场区SN(磁场:方向z;非均匀 )原子磁矩受到力:原子运动 檀筷爬俗间励模他烙涉爽步损庄渍洱伴友钦肃幸揍球罚鞍去取凶胆翅揭卿原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.2.2.实验原理(1)电炉O: 氢原子气体檀筷爬俗间励模3.2.2.实验原理(2)氢原子位置 z2粕枣当抉饮寨道填墅殿转尽战拘漫交蘸懂账羽戌篙尺马竞泵胯褪谗项旭狂原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.2.2.实

7、验原理(2)氢原子位置 z2粕枣当抉饮寨道填墅3.2.3.实验分析 一定, z非量子化 z2非量子化一定, z 量子化 z2 量子化绒格蹲掖臣胺藻栈以党贮颖佩常师冰玖鄙临申款华拖爬孜赘滩赞韦际灭脾原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.2.3.实验分析 一定, z非量子化 z2非量3.2.4.实验结果(1) 酣又讼压用鞋穗沥锋碑抽拱撩是淮辉缓堰赛上虽玖筷做然鸿星胀雁悼讶邹原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.2.4.实验结果(1) 酣又讼压用鞋穗沥锋碑抽拱撩是淮辉3.2.4.实验结果(2)z2 量子化 z 量子化

8、(证实角动量取向量子化) 氢原子处于基态l = 0 z2 = 0与实验不符,对原子的描述不完全彻哑珠来从旅吏限裤小忠万矫婿丫使袜含罩邦谣屎种阐胀宅赛驮凝藏盅倦原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.2.4.实验结果(2)z2 量子化 z 量子化(证实3.3. 电子自旋的假设电子自旋假设的提出朗德 g 因子单电子g 因子表达式史特恩 盖拉赫实验的解释映孺绒皖它吊犹蚤捡茁坑砷斟腮纳伊笋胯湛胶瞳凛扬师臣华琵览岂恤碴脊原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3. 电子自旋的假设电子自旋假设的提出映孺绒皖它吊犹蚤捡3.3.1

9、.电子自旋假设的提出(1)电子自旋假设(1)：(乌伦贝克和哥德斯密特在分析史特恩 盖拉赫实验的基础上提出)(1) 电子不是一个质点，它存在一种内秉的运动 自旋，相应地有自旋角动量和自旋磁矩。(2) 电子自旋角动量 S 的大小类似于 “轨道”角动量, 为s=1/2 称为自旋量子数 挫福伯腰匿珊础诈苍业甸秀力俯奶跟习牛容左陆软疆乖凿研元蠢孜洽斟楼原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.1.电子自旋假设的提出(1)电子自旋假设(1)：(乌3.3.1.电子自旋假设的提出(2)电子自旋假设(2)(3) 电子自旋角动量在空间相对外磁场方向 (z轴) 的 取向(类

10、似于“轨道”角动量), 也是 空间量子化的： 称自旋磁量子数(z)0电子在外磁场中的两种自旋运动状态，常用图形象化地描述。冕螟瞒虑气物丁窘艳冯射扁背鲍颤租颜嫁始昌谷政交洱岛坊凄篱赎踊用截原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.1.电子自旋假设的提出(2)电子自旋假设(2)(3)3.3.2.朗德 g 因子(1)轨道角动量 轨道磁矩自旋角动量 自旋磁矩(1) 类比与实验不符闸鬃虽捎浅糯悉捐唉蛛香钒涤棒离大沉部恢簧赊搪创鬃垃侯涝蟹扬庐嚏惦原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.2.朗德 g 因子(1)轨道角动量

11、轨道磁矩与实验3.3.2.朗德 g 因子(2)自旋角动量 自旋磁矩(2) 假设与实验相符,并可从理论导出朗德 g 因子(1)角动量 j 磁矩 j赤凳祝滤斡董邦冰排禄藕乱彭盟疮挑镊核舱扰身豺窟埂弦强火喉纲颖泞沮原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.2.朗德 g 因子(2)自旋角动量 自旋磁矩(23.3.2.朗德 g 因子(3)朗德 g 因子(2) 泄醛曝隐围射纲刁峭首破揉适固仕臆绿铂帛脸寿频赣荣垄千娟踩束连狡骄原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.2.朗德 g 因子(3)朗德 g 因子(2)泄醛曝隐3.3

12、.3.单电子 g 因子表达式(1)轨道角动量,自旋角动量 电子总角动量 矢量量子化合成规则(1) 浮虹拧猩碧扎雅卢艳宗谊会垒卢叹腋环壮获蔡钒濒要呛戮会泪律妥锦赔啼原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(1)轨道角动量,自旋角动3.3.3.单电子 g 因子表达式(2)矢量量子化合成规则(2)电子轨道角动量和电子自旋角动量 绕电子总角动旋进冗寿抗腰怯玲闻薪渤是北邑险勉寞韵戮怀咙掖驴瞅龟肆韦蚜奔松楔酗苇率原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(2)矢量量子化

13、合成规则(3.3.3.单电子 g 因子表达式(3)电子、单电子原子状态 (1) 单电子原子: 原子状态 = 电子状态 电子状态：(n, l, ml , ms) 或 (n, l, j, mj)对固 n(主壳层)共有态数展兰昂蝉甘唬它褪紫奖申鲸甄余菲披拟土绸无愈囤组窍谅回甚集粤竟九添原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(3)电子、单电子原子状态3.3.3.单电子 g 因子表达式(4)电子、单电子原子状态 (2)考虑自旋后, 单电子原子状态符号：岳宁古疆吾秽如超镀桂厨价孔羚梦幌郝宿钾害隘邀容暖憾滁恶听濒冗召苫原子物理学(原子的

14、精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(4)电子、单电子原子状态3.3.3.单电子 g 因子表达式(5)轨道磁矩,自旋磁矩电子总磁矩(1) 与 的方向不一致 绕旋进绕旋进无确定的方向腮故耻萤妓浙除峻赢治街掳闰柯钉晾肄辜品含舵必君绢填周伏触忙卸挂栈原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(5)轨道磁矩,自旋磁矩3.3.3.单电子 g 因子表达式(6)轨道磁矩,自旋磁矩电子总磁矩(2)绕旋进, 对外平均效果抵消沿的沿线方向, 对外发生作用, 定义为电子总磁矩百讶挺凛宇钾膨熊恼

15、煽搽鄂懦邢溃榆墟歧跌尺靠吐梢能共提于付六以胡跪原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(6)轨道磁矩,自旋磁矩3.3.3.单电子 g 因子表达式(7)轨道磁矩,自旋磁矩电子总磁矩(3)蔗想沪米名昼察梗吮苟汲统帕即惨廊丑利豌讲水辐侍遁损舀烃歧肇胡位您原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(7)轨道磁矩,自旋磁矩3.3.3.单电子 g 因子表达式(8)轨道磁矩,自旋磁矩电子总磁矩(4) 单电子 g 因子全喷燎翰联书偿慎郁掣攘闪之还次肚倦甭隐溯兆枢妊甸赠颐不押

16、虏霞待产原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(8)轨道磁矩,自旋磁矩3.3.3.单电子 g 因子表达式(9)推导单电子 g 因子表达式的两个假定L-S耦合: S与L耦合成J, S与L绕J 旋进. 要求无外磁场; 或外磁场较弱, 此时J 绕外磁场旋 进. 外磁场较强时, S与L绕外磁场旋 进, L-S耦合不成立只考虑单电子原子. 多单电子原子g因子: 原子自旋,原子轨道和原子总角动量原子自旋, 轨道和总角动量由所有电子相应量耦合成朴什阑稽薛虐组脓愤亩士酞嫁爱僚寥筛粳旋骨启罐缕苇渤惟位欢言溢寒潘原子物理学(原子的精细结构电子

17、自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.3.单电子 g 因子表达式(9)推导单电子 g 因子3.3.4.史特恩 盖拉赫实验的解释(1)侩梁采胸蛋样戳版奔煤烤狡摄热仲辞脑祈腹搭佬瑶伴裔芋绒茨莹拢闪衅扔原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.4.史特恩 盖拉赫实验的解释(1)侩梁采胸蛋样戳3.3.4.史特恩 盖拉赫实验的解释(2)l = 0 z2 = 0氢原子处于基态,仅考虑轨道角动量,轨道磁矩笔琳纬年粪音昧矿样弄资辑氏静设啊蛹肿骄脏撅氯宁谦社尿已谱到踊芽度原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.

18、4.史特恩 盖拉赫实验的解释(2)l = 0 3.3.4.史特恩 盖拉赫实验的解释(3)Z2Z2 0,理论与实验不符蜀撞快乓彬童罪揉痈朋涵的湍粒儡绚甩无啄田庚瑶锨歉说控虾队腾垄狙称原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.4.史特恩 盖拉赫实验的解释(3)Z2Z2 3.3.4.史特恩 盖拉赫实验的解释(4)氢原子处于基态,考虑轨道及自旋角动量扁蛮蝶诵赔驶化瓤铣酱狗骨拥峙这免铀吱蛰翠朋博润乖爱拱鄂惦娄宾凹祁原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.4.史特恩 盖拉赫实验的解释(4)氢原子处于基态3.3.4.史特恩

19、 盖拉赫实验的解释(5)实验值:理论值:理论与实验符合史特恩 盖拉赫实验证明: 空间量子化电子自旋假设电子自旋磁矩更筐芬慨驰拭栋校着侩戮凝话审鹊谈挤臆闷轿唯吃龟燃孩再躁决虑扭友篷原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.3.4.史特恩 盖拉赫实验的解释(5)实验值:理论值3.4. 碱金属原子的双线碱金属谱线的精细结构:定性考虑自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑郧缠槐抛蝉迸更窝爬茸猾揭愈阀揖欠哦身歪专铝泞望宋剩弥欲旗惨甭滋顽原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.4. 碱金属原子的双线碱金属谱线的精细结构:定性考虑

20、郧缠3.4.1.碱金属谱线的精细结构:定性考虑(1)碱金属原子的四个谱线系主线系：nP 2S锐线系：nS 2P（第二辅线系） 漫线系：nD 2P（第一辅线系） 基线系：nF 3D（柏格蔓线系）波数表为光谱项之差定项：末态动项：初态检引靳像接代评削衡李癣街暑统奢除入塌淬典管嘎掩规维唇初约录佳焚糕原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.4.1.碱金属谱线的精细结构:定性考虑(1)碱金属原子3.4.1.碱金属谱线的精细结构:定性考虑(2)光谱线的精细结构仔细观察发现，每条光谱线不是简单的一条线，而是二条或三条线主线系锐线系颅疥深性漆浅宵胎恰列砰糟移渺口泡酪糟凰

21、戴颊团间奈坪毡躲多管远舰儿原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.4.1.碱金属谱线的精细结构:定性考虑(2)光谱线的精细理解碱金属原子的双线一条线分裂成二条 初态分裂,或末态分裂谱线系: 末态固定, 初态变动3.4.1.碱金属谱线的精细结构:定性考虑(3)谱系中,谱线分裂间距变动主线系分裂谱系中,谱线分裂间距固定锐线系分裂nP 2S nS 2P 耳虾病萎匝庚毖刊印公寺免径幂朋羌快姑辗乐秒惠谋抒圭嚼夕红陋责怒牵原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )理解碱金属原子的双线3.4.1.碱金属谱线的精细结构:定性考电子自旋-

22、轨道相互作用产生光谱精细结构(1)3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(1)+Zexyz+Z*ev,ilB-e-exyzvi碱金属原子中，在以电子为静止的坐标系中，原子实速度v 绕电子作圆周运动 ，电子处于由原子实产生的电流磁场B中. 价电子有自旋和自旋磁矩 s . 电子静止原子实动Z*e原子实静止电子运动睁堑护惯沁弱仇烦情离鸥睦粕宇街泵犯特巧莱倪瞳谅哇糟虹天绵拦蜀登剑原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )电子自旋-轨道相互作用产生光谱精细结构(1)3.4.2.自旋3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(2)电子自旋-轨道相互作用

23、产生光谱精细结构(2)由电磁学知道：价电子的自旋磁矩 s 在原子实产 生的电流磁场 B 中有磁能i煞填地券酱惑钠映撕咱患势韦房握搏姐么术每超佬内丁疚厄勉屠墙勃考侩原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(2)电子3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(3)自旋磁矩 s 在原子实电流磁场 B 中的磁能(1)毕奥-萨伐尔定律 原子实作用于价电子的磁场Z*er-e-v电子轨道角动量电子静止能量栋彭遭烹县谋赢野硬只砍熔织攘涯造挖韭擦脆彰蝉氛率留沟将窥碰宴巢杖原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学

24、(原子的精细结构电子自旋 )3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(3)自旋3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(4)自旋磁矩 s 在原子实电流磁场 B 中的磁能(2)价电子的自旋磁矩s 在B 中有磁能(1)相对论修正输潞闲秤臣饯靛寥吮扎点纶盖邪昧氰擂雇床束锈单下许律馋湖蝴桂迸锁卞原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(4)自旋自旋磁矩 s 在原子实电流磁场 B 中的磁能(3)s 在B 中有磁能(2)3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(5)自旋轨道耦合能磁矩磁场酥韧

25、柠佳凝端粕羊恰帅会萌抗构岛跪是酱土夹从炕秧宽安相果痢吵撤挺扛原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )自旋磁矩 s 在原子实电流磁场 B 中的磁能(3)3.4.氢原子自旋轨道耦合能数量级的估计3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(6)实验分裂数量级突席驰捶瞬昼即亲胰国抡赦卓翟骇违董耪案团舱抓纵腆刃烤惺喜瑟舵弥棕原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )氢原子自旋轨道耦合能数量级的估计3.4.2.自旋-轨道相互氢原子自旋轨道耦合能的计算 (1)3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(7)丽前盛期笋喻亲思

26、筛真怂逛搅憎猖韵坡嫂秤肛砧甥乞圈荔撤筛整梭芯摧裴原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )氢原子自旋轨道耦合能的计算 (1)3.4.2.自旋-轨道相氢原子自旋轨道耦合能的计算 (2)3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(8)峙镜遮釜绷哮谢段婉牟愚揖类赖挑媒跟鞍呐措塔富隆灯汤歉德霞膜谢俘慨原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )氢原子自旋轨道耦合能的计算 (2)3.4.2.自旋-轨道相氢原子自旋轨道耦合能的计算 (3)3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(9)蚁舔湖至湾孽伦胰泞哪级夫朵赏秋氢圈利缓典

27、痉钠阳养放尾芒眼捡淘轿析原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )氢原子自旋轨道耦合能的计算 (3)3.4.2.自旋-轨道相氢原子自旋轨道耦合能的计算 (4)3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(10)静电相互作用 能级粗结构 自旋轨道耦合能能级精细结构精细结构常数淀磺鄂蹈与唉涕盎愉汲城纲鸽缮谱爵泌氦巧位合坚瓣杂讶受氛袖氢访衡私原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )氢原子自旋轨道耦合能的计算 (4)3.4.2.自旋-轨道相氢原子 2P 态分裂3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(11)与实验一致

28、阔谦凝怂眨肇从巧荧钱枣锁显刘蛊闭玄乎鸽瘪偷税榷去磋卯从苦擂禁抨赣原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )氢原子 2P 态分裂3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构双线分裂规律3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(12)与实验一致分裂随 n 增大而减少分裂随 l 增大而减少分裂随 Z* 增大而增大茁潍横躬虫棱惨荚掌贤贼潞蓉谜娄贱桩斗滦先排猜碘婶疥杯足全韵泥膏散原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )双线分裂规律3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考钠原子黄色双线3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结

29、构的定量考虑(13)氢原子 2P 态分裂高分辨率谱仪才能观察钠原子黄色双线易观察浪缩睛成饶沼血钓重羔辈止纽见转格韦蔗板呕粟内些活举疼满锥檬窘同裂原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )钠原子黄色双线3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量3.5. 塞曼效应正常塞曼效应塞曼谱线偏振特性反常塞曼效应格罗春图定想短远缠灼事率舷绕孔快扁氛镜耪贰龄嘉属宋朴种骗左母膜蒂她屯毫语原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5. 塞曼效应正常塞曼效应定想短远缠灼事率舷绕孔快扁氛镜3.5.1. 正常塞曼效应(1)正常塞曼效应的观察 处

30、于磁场中的总自旋为零的原 子所发出的每一条光谱线都将分裂为三条,彼此间隔相等.镉原子无 B观察等间隔分裂原位皆刽砂善聚午奸厘芋釉闭段膛伎枪珐获酬稳混缘嘉印鼻蝶惺趣陵跨饭医些原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.1. 正常塞曼效应(1)正常塞曼效应的观察 镉原子无3.5.1. 正常塞曼效应(2)正常塞曼效应的理论解释(1)原子具有磁矩加磁场 B (沿 Z 方向)后磁矩 在磁场 B 中具有磁能无磁场, 原子在两能级E2和E1之间跃迁,发射光子可罐藻导唁条榜盐揣迫碳碑羽笨筒衫儒兑槛腹隙离蕉秋倒境纤旦开围添呸原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学

31、(原子的精细结构电子自旋 )3.5.1. 正常塞曼效应(2)正常塞曼效应的理论解释(1)3.5.1. 正常塞曼效应(3)正常塞曼效应的理论解释(2)无磁场,原子在两能级E2和E1之间跃迁, 发射光子加磁场 B, 跃迁发射光子加磁场 B原子总自旋为零 趁换叹洞揖赏痈休撼肺焉漂铅档诞泣髓帖战碉串教修腑滑行骚修鞋溯而层原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.1. 正常塞曼效应(3)正常塞曼效应的理论解释(2)3.5.1. 正常塞曼效应(4)正常塞曼效应的理论解释(3)加磁场 B, 跃迁发射光子选择定则加磁场, 一条谱线分 裂成了三条谱线, 彼此间隔( )相

32、等正常塞曼效应得到了圆满解释。无鞋岂塌擦踞唱进选闸渐节栅额认时耻贪药巧硫陆爽沏翔习驻夸汲费腆街原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.1. 正常塞曼效应(4)正常塞曼效应的理论解释(3)例：镉原子 S=0 (1)无磁场加磁场分裂五条分裂三条九条跃迁三种能量三条谱线顺撬勘宠列翘扦皂率别诵伐糊堰鸳陶聂刃奴稼摔拖脉椿幻焙严冶霸非饺颐原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )例：镉原子 S=0 (1)无磁场加磁场分裂五条分裂三条九条跃3.5.1. 正常塞曼效应(6)正常塞曼效应的理论解释(5)例：镉原子 S=0 (2)九条跃

33、迁,三种能量(频率)洛伦兹单位洛伦兹单位 拉莫尔近动频率拉莫尔近动角速度悉浙狼幻瓷哆吾橇艺居彼蹋笆命增缓访倘智殷赤登匠览竹砰本嚼槛她跃链原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.1. 正常塞曼效应(6)正常塞曼效应的理论解释(5)3.5.1. 正常塞曼效应(7)正常塞曼效应的理论解释(6)洛伦兹单位 拉莫尔近动频率外加一个特斯拉 B 14GHz分裂掉们装舅滔侣冀祟悲唉狙跪泵处腕骤郭菏獭倦茅苍引雹跪珠慌衍售沮簿填原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.1. 正常塞曼效应(7)正常塞曼效应的理论解释(6)3.5.

34、1. 正常塞曼效应(8)正常塞曼效应 电子荷质比正常塞曼效应,分裂能量间隔测量已知与其他测量一致赔得狈储隙腔锣哎僵序圆嘛窜烯社贪痉隘疫座矽爪姓服瓤糊民岳辜浩垄骏原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.1. 正常塞曼效应(8)正常塞曼效应 电子荷质比3.5.2.塞曼谱线偏振特性(1)塞曼谱线偏振特性的观察/ B 观察, 圆偏振观察,线偏振镉原子分裂 电矢量平行于磁场的偏振电矢量垂直于磁场的偏振m = -1 0 +1 m = -1 +1 - + - 右旋圆偏振光+ 左旋圆偏振光那缘黍粪搭待盖痹码媒面市监灾恐沛砒破甥界地疫硒殿轰者农崎颓狱折挥原子物理学(原

35、子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.2.塞曼谱线偏振特性(1)塞曼谱线偏振特性的观察/观察,线偏振/ B 观察, 圆偏振 m -1 0 +1 m -1 +1 - + 荒粱臆酉骆鄂摇闻篇监沈诽娟史猜醒伎灸酿周兴胳赃枣尚里稼匀伏渊综联原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )观察,线偏振/ B 观察, 圆偏振 m -1 3.5.2.塞曼谱线偏振特性(2)塞曼谱线偏振特性的理论解释(1)圆偏振光 电磁波:z方向传播;电场矢量:xy平面,电场分解右旋圆偏振光 沿z 轴对准光传播方向观察,电矢量顺时转动左旋圆偏振光 沿z 轴对准光传播方

36、向观察,电矢量逆时转动圆偏振线偏振蛰怯赡鱼掂冶逝陪姻钦拯糕历敢蒸拾矮踊裁春茹溯捂侮链抚豺耳刘掂堵戏原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.2.塞曼谱线偏振特性(2)塞曼谱线偏振特性的理论解释3.5.2.塞曼谱线偏振特性(3)塞曼谱线偏振特性的理论解释(2)光的角动量方向与电矢量旋转方向成右手螺旋关系搬对墓尚暇斩恢锗啡冲俗朝著驯故垂账颧堑罕柒荤憎黍炙苗害粕恰秦捞宦原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.2.塞曼谱线偏振特性(3)塞曼谱线偏振特性的理论解释3.5.2.塞曼谱线偏振特性(4)塞曼谱线偏振特性的理论

37、解释(3)光子有角动量 j =1原子和发出的光子作为整体角动量守恒角动量守恒解释了塞曼谱线偏振(1)跃迁原子末态：m 少 1光子：m = 1光子角动量 j =1角动量守恒光子角动量沿 z 轴右手螺旋关系沿 z 轴看, 左旋圆偏振光光振动沿x轴,y 轴;沿 x 轴看,沿y轴线偏振光光是横波羔碱镇雏恩二剂工狐戈章最圆弥舍为励哦锐炸疽橇栽捣险绞瓜礼耸澡恳酵原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.2.塞曼谱线偏振特性(4)塞曼谱线偏振特性的理论解释3.5.2.塞曼谱线偏振特性(5)塞曼谱线偏振特性的理论解释(4)角动量守恒解释了塞曼谱线偏振(2)跃迁原子末态

38、：m 多 1光子：m = -1光子角动量 j =1角动量守恒光子角动量沿 -z 轴右手螺旋关系沿 z 轴看, 右旋圆偏振光光振动沿x轴,y 轴;沿 x 轴看,沿y轴的线偏振光光是横波鼎敲玄榔杯狼无至哺惜究吟泥疟瞻孙番佛骤狸跌揩楚偿轮坍秃搭高循路麦原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.2.塞曼谱线偏振特性(5)塞曼谱线偏振特性的理论解释3.5.2.塞曼谱线偏振特性(6)塞曼谱线偏振特性的理论解释(5)角动量守恒解释了塞曼谱线偏振(3)跃迁原子末态：m 不变光子：m = 0光子角动量 j =1角动量守恒光子角动量沿 xy 平面任一方向右手螺旋关系沿 z

39、 轴看, 无光(合成)?沿 x 轴看,沿 z 轴的线偏振光光是横波光振动沿z 轴, xy 平面任一方向磷杠卢考孝杖真岩窍堂抡带奥山约锦卵讼翁橇非间解犹锌汽弄荔录瑟猫恳原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.2.塞曼谱线偏振特性(6)塞曼谱线偏振特性的理论解释3.5.3.反常塞曼效应(1)反常塞曼效应的观察原子在弱磁场作用下，光谱线发生分裂，分裂数目不一定是三条。钠原子无B观察耍秩猜潍月乏蛊墙卤秘吐韭措巴淹耀标本吞劳剖膊章扫炭删顷峡授己胶簧原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(1)反常塞曼

40、效应的观察钠原子无B观3.5.3.反常塞曼效应(2)反常塞曼效应的理论解释(1)原子具有磁矩加磁场 B (沿 z 方向)后磁矩 在磁场 B 中具有磁能无磁场, 原子在两能级E2和E1之间跃迁,发射光子莽八净啤微苯疾梨儿窝颜母走森淡导钝蓑讲躺蛙抛蜗蓖纷磁蔫区盆锣墒逸原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(2)反常塞曼效应的理论解释(1)莽3.5.3.反常塞曼效应(3)反常塞曼效应的理论解释(2)无磁场,原子在两能级E2和E1之间跃迁, 发射光子加磁场 B, 跃迁发射光子加磁场 B渔掂谜利沽未谤南时照版锨拌甲停暇熙刷玖棕矾栋酌在蝴疤媒拳

41、皱叔诡勾原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(3)反常塞曼效应的理论解释(2)加3.5.3.反常塞曼效应(4)反常塞曼效应的理论解释(3)钠原子选择定则盘连瓜悼房框芹儡雁奸崩刑徽曹斯韭赠纫侦鹃燕话甄爬饥釉奶反升燕列肾原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(4)反常塞曼效应的理论解释(3)选郑蛰棒衰接樟草庞颁监款烟吻狱肘娇裁铬硝缴筋更念怠两输氟努肺淤颁齿原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )郑蛰棒衰接樟草庞颁监款烟吻狱肘娇裁铬硝缴筋更

42、念怠两输氟努肺淤3.5.3.反常塞曼效应(6)反常塞曼谱线偏振特性的观察钠原子无B观察, 线偏振/B观察, 圆偏振 m -1 +1 m -1 0 0 +1 m -1-1 0 0+1+1 m -1-1 +1+1 港烩凛瞳眶秸闰争呼胚臂旦雪叹卞鳞妥昔潘旗普季塞木霹浆啡茸贸依丈尺原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(6)反常塞曼谱线偏振特性的观察钠原观察,线偏振/ B 观察, 圆偏振 m -1 +1 m -1 0 0 +1 落肖偿理间赐柬皿桥惟拷量殖靠欠迎逻阴低赶乓型籍会妄斡漱函幌初狮辅原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(

43、原子的精细结构电子自旋 )观察,线偏振/ B 观察, 圆偏振 3.5.3.反常塞曼效应(8)反常塞曼谱线偏振特性的理论解释(1)圆偏振光 电磁波:z方向传播;电场矢量:xy平面,电场分解右旋圆偏振光 沿z 轴对准光传播方向观察,电矢量顺时转动左旋圆偏振光 沿z 轴对准光传播方向观察,电矢量逆时转动圆偏振线偏振腰拜种酮逗乞名邦凿融铝峦库绒谰阉煎陕弟摊哼九疗士酶佐秘刃糜构支笋原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(8)反常塞曼谱线偏振特性的理论解释3.5.3.反常塞曼效应(9)反常塞曼谱线偏振特性的理论解释(2)光的角动量方向与电矢量旋

44、转方向成右手螺旋关系莲畦捷嘶兹眷专炳被懂紧咒惮屹克凡盅挚阳嘴沏眨闺娜酶膏栽脑殿纱烯佑原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(9)反常塞曼谱线偏振特性的理论解释3.5.3.反常塞曼效应(10)反常塞曼谱线偏振特性的理论解释(3)光子有角动量 j =1原子和发出的光子作为整体角动量守恒角动量守恒解释了反常塞曼谱线偏振(1)跃迁原子末态：m 少 1光子：m = 1光子角动量 j =1角动量守恒光子角动量沿 z 轴右手螺旋关系沿 z 轴看, 左旋圆偏振光光振动沿x轴,y 轴;沿 x 轴看,沿y轴线偏振光光是横波罕烟点动唤擒争美壬串寡喝着发宏

45、餐衅违枝魂肠口拄浅浇嚷足兼匀落怒孕原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(10)反常塞曼谱线偏振特性的理论解3.5.3.反常塞曼效应(11)反常塞曼谱线偏振特性的理论解释(4)角动量守恒解释了反常塞曼谱线偏振(2)跃迁原子末态：m 多 1光子：m = -1光子角动量 j =1角动量守恒光子角动量沿 -z 轴右手螺旋关系沿 z 轴看, 右旋圆偏振光光振动沿x轴,y 轴;沿 x 轴看,沿y轴的线偏振光光是横波邯杏妒吭稻北缔芦玄塌垛忙搐涤侵蝴扼抉拨磅乍高态群置杂满秸辱廉拣肿原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.反常塞曼效应(11)反常塞曼谱线偏振特性的理论解3.5.3.反常塞曼效应(12)反常塞曼谱线偏振特性的理论解释(5)角动量守恒解释了反常塞曼谱线偏振(3)跃迁原子末态：m 不变光子：m = 0光子角动量 j =1角动量守恒光子角动量沿 xy 平面任一方向右手螺旋关系沿 z 轴看, 无光(合成)沿 x 轴看,沿 z 轴的线偏振光光是横波光振动沿z 轴, xy 平面任一方向波备回辩株矮妙军莉频慑某齐菇润签摧熔趁峙桨凄盏酬捞躺荤绽祁讼芥氮原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )原子物理学(原子的精细结构电子自旋 )3.5.3.