高二物理竞赛史特恩-盖拉赫实验结果的再分析课件

1921年史特恩—盖拉赫进行的实验是对原子角动量空间取向量子化的首次直接观察，是原子物理学最重要的实验之一。

实验目的：证明原子轨道角动量在外磁场中具有空间取向量子化特征。

每个角动量对应一个磁矩即：角动量量子化磁矩量子化1.实验目的1、史特恩-盖拉赫实验结果的再分析NS银原子束通过非均匀磁场时将分裂成两束史特恩-盖拉赫实验2.实验原理具有磁矩的原子在磁场中受力矩的作用而产生拉莫尔旋进,在外磁场中的附加能量(势能):力:对均匀磁场:,原子不改变运动路径.对非均匀磁场:,原子除受力矩作用外,还受到力的作用,

而改变运动路径.原子束偏离原方向的横向位移为(见课本P58）(1)

由于mj

有2j+1个数值，故相应的就有2j+1个分立的z值。即在感光片上有2j+1个黑条，这代表了角动量的2j+1个空间取向。(2)基态的原子l＝0，j＝1/2，mj=±1/2

，所以要分裂为两束。(3)由感光条纹数可求出j值，从而确定mj

，而从条纹的间距又可确定mjg，进而求出g值，这是实验求g值的一个重要方法。L是原子通过不均匀磁场的纵向距离；v是原子的纵向速度。L

史特恩-盖拉赫实验结果

原子基态g

Mg

相片图样Sn,Cd,Hg,PbSn,PbH,Li,Na,KCu,Ag,AuTlO——22/33/23/2—0

003.史特恩－盖拉赫实验的意义史特恩－盖拉赫实验证明了:1.角动量空间量子化行为；2.电子自旋假设的正确性，自旋量子数s＝1/2；3.电子自旋磁矩数值的正确性，gs＝2，例：史特恩-盖拉赫实验，从高温容器中射出的是处于基态的氢原子,求经过横向非均匀磁场后原子束裂距。n=1,l=0,s=1/2,j=l+s=1/2,mj=±1/2,g=2,mjg=±1(实验条件,非均匀磁场区长度L=1m,温度T=400K；常数kb=8.617×10-5eV/K,=0.5788×10-4

eV/T)这一结果表明，基态氢原子束在不均匀的磁场的作用下分裂为两层，各距中线0.28cm.得，z=±0.28cm利用正常塞曼效应：单线系的每一条谱线,在外磁场作用下，分裂为等间隔的三条谱线。镉(Cd)643.847nm红色谱线的塞曼效应无磁场垂直于B观察沿B观察+482818182电子组态：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2基态：51S0镉(Cd)Z=48反常塞曼效应：双重或多重结构的原子光谱,在较弱的磁场中,谱线分裂成很多成分。钠的黄色双线D1和D2(5895.93nm与588.996nm)的塞曼效应塞曼效应-磁场中的能级分裂前面讨论了自旋磁矩在原子内磁场中的附加能量引起能级第二次分裂，导致光谱精细结构的情况，在原子内，与的合成使得原子有一个总角动量；与此对应，原子有一个总的磁距的有效分量;原子放入外磁场时，与的作用使原子又获得附加能量，从而导致能级的第三次分裂；分裂层数由附加能量的个数决定；这是产生塞曼效应的本质原因。二、理论解释1.基本理论若加外磁场，则两个能级各附加能量新的光谱线频率同能级有如下关系：辐射光子能量/光谱线频率

磁能级之间的跃迁选择定则:将频率差转为波数差:产生线(但