原子物理学第六章省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1NS 第六章第六章 在磁场中原子在磁场中原子第第1页页26 6.6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性6.4 6.4 顺磁共振顺磁共振6.36.3 史特恩史特恩盖拉赫试验结果盖拉赫试验结果6.2 6.2 外磁场对原子作用外磁场对原子作用6.1 6.1 原子磁矩原子磁矩6.5 6.5 塞曼效应塞曼效应第第2页页3第六章第六章在磁场中原子在磁场中原子本章综合讨论原子处于磁场中所发生本章综合讨论原子处于磁场中所发生一些现象和相关理论。一些现象和相关理论。第第3页页418961896年开始，年开始，塞曼塞曼逐步发觉，当光源放在足够逐步发觉，当光源放在足够强磁场中时，所发出光谱线都分裂成几条，条数强磁场中时，所发出光谱线都分裂成几条，条数随能级类别而不一样，而分裂后谱线成份是偏振。随能级类别而不一样，而分裂后谱线成份是偏振。后人称这现象为后人称这现象为塞曼效应塞曼效应。这现象反应原子结构。这现象反应原子结构情况，到现在仍用来研究相关原子问题。情况，到现在仍用来研究相关原子问题。19441944年年扎弗伊斯基扎弗伊斯基发觉了发觉了磁共振现象磁共振现象，随即多，随即多年中发展了这方面试验。基本内容是，在稳定磁年中发展了这方面试验。基本内容是，在稳定磁场中放置要研究材料样品，在加交变磁场，假如场中放置要研究材料样品，在加交变磁场，假如后者频率适当，样品会从交变场吸收能量。这类后者频率适当，样品会从交变场吸收能量。这类试验在科学上有主要应用。它基础也是原子磁性试验在科学上有主要应用。它基础也是原子磁性问题。问题。第第4页页5另一类物质，放在磁场中磁化后，它磁矩方另一类物质，放在磁场中磁化后，它磁矩方向同磁场方向相反，称作向同磁场方向相反，称作抗磁物质抗磁物质。前面学过前面学过:史特恩史特恩盖拉赫试验盖拉赫试验还有大家早已知道关于还有大家早已知道关于物质磁化物质磁化事实：事实：有一类物质放在磁场中磁化后，他磁矩方向有一类物质放在磁场中磁化后，他磁矩方向同磁场方向相同，称作同磁场方向相同，称作顺磁物质顺磁物质；物质磁化现象，物质磁化现象，这也是原子结构反应这也是原子结构反应。第第5页页6下几节中分别讨论：一方面是要说明产生这些现象缘由，其次也要说明怎样经过这些现象又可以窥见原子结构。这些问题有共同性，可以统一在一套理论中。所以下面先进行磁场对原子起作用一般讨论。然后分别进入具体问题。第第6页页76.1 6.1 原子磁矩原子磁矩第第7页页8引子引子：原子磁性问题关键是原子磁矩。：原子磁性问题关键是原子磁矩。电子轨道磁矩电子轨道磁矩在第二章中讨论到原子中电子在第二章中讨论到原子中电子,因为轨道运动因为轨道运动,含含有轨道磁矩，它数值是（标量式）有轨道磁矩，它数值是（标量式）(1)方向同方向同 pl 相反。（矢量式）相反。（矢量式）用量子力学用量子力学pl值值,即即(2)，称为玻尔磁子。称为玻尔磁子。第第8页页9电子自旋磁矩电子自旋磁矩在第四章讨论光谱精细结构时提出了电子自旋，在第四章讨论光谱精细结构时提出了电子自旋，电子还含有自旋磁矩电子还含有自旋磁矩，它数值是，它数值是（标量式）（标量式）方向同方向同ps相反。相反。（矢量式）（矢量式）代入代入ps值，得值，得(4)第第9页页10原子中电子轨道磁矩和自旋磁矩合成原子总磁矩。原子中电子轨道磁矩和自旋磁矩合成原子总磁矩。原子核有磁矩，表示它公式也含有原子核有磁矩，表示它公式也含有 倍数形式，但分母中质量倍数形式，但分母中质量M M是质子质量，大于电是质子质量，大于电子质量子质量18361836倍，所以原子核磁矩比电子磁矩要小倍，所以原子核磁矩比电子磁矩要小三个数量级，计算原子总磁矩时可暂不考虑。下三个数量级，计算原子总磁矩时可暂不考虑。下面进行原子总磁矩计算。面进行原子总磁矩计算。第第10页页111.1.单电子原子总磁矩单电子原子总磁矩磁矩计算能够利用矢量图来进行。图磁矩计算能够利用矢量图来进行。图6.1表示表示电子轨道角动量，自旋角动量，总角动量同相关电子轨道角动量，自旋角动量，总角动量同相关磁矩关系。磁矩关系。第第11页页12因为因为l 同同pl比值不一样于比值不一样于s同同ps比值比值见公式见公式（1）和（）和（3）,l和和s合成总磁矩合成总磁矩不在总角动量不在总角动量pj延线上。延线上。但但pl和和ps是绕是绕pj旋进，所以旋进，所以l、s和和都绕都绕pj延延线旋进。线旋进。不是一个有定向恒量不是一个有定向恒量.把它分解成两个分量：一个沿把它分解成两个分量：一个沿pj延线，称作延线，称作j，这是有定向恒量；，这是有定向恒量；另一个是垂直于另一个是垂直于pj，它绕着，它绕着pj转动，对外平均转动，对外平均效果全抵消了。效果全抵消了。所以对外发生效果是所以对外发生效果是j，我们把它称作，我们把它称作原子总原子总磁矩磁矩。第第12页页13要要计算计算j，只需把，只需把l和和s在在pj延线上延线上分量相加就能够。所以分量相加就能够。所以(5)（lj）和（）和（sj）分别代表）分别代表l和和j之间和之间和s和和j之间之间夹角。代入（夹角。代入（1）和（）和（3）(6)这里（这里（lj）和（）和（sj）也是）也是pl和和pj之间和之间和ps和和pj之间之间夹角。夹角。由由pl,ps和和pj组成三角形中，可得组成三角形中，可得第第13页页14由此由此(7)又又所以所以(8)把（把（7）和（）和（8）代入（）代入（6）并简化，就有并简化，就有(9)第第14页页15称为朗德称为朗德g因子因子。（9）和（）和（10）表示了单电子原子总磁矩数值同）表示了单电子原子总磁矩数值同Pj 值关系。值关系。(10)其中其中第第15页页162 2、含有两个或两个以上电子原子磁矩、含有两个或两个以上电子原子磁矩对两个或两个以上电子原子，能够证实磁矩对两个或两个以上电子原子，能够证实磁矩表示式是表示式是(11)同（同（9）式相仿，这里）式相仿，这里Pj是原子总角动量，是原子总角动量，g因子伴随耦合类型之不一样有两种计算法：因子伴随耦合类型之不一样有两种计算法：第第16页页17g因子伴随耦合类型之不一样有两种计算法：因子伴随耦合类型之不一样有两种计算法：（1）对对LS耦合耦合，（必须掌握），（必须掌握）(11)(12)这同关于单电子原子（这同关于单电子原子（10）式有相同形式，只）式有相同形式，只是是L、S和和J是各电子耦合后数值。是各电子耦合后数值。第第17页页186.2 6.2 外磁场对原子作用外磁场对原子作用第第18页页191 1拉莫尔旋进拉莫尔旋进 原子现有总磁矩原子现有总磁矩J,处于磁场中就要受场作用处于磁场中就要受场作用,其效果是磁矩绕磁场方向旋进其效果是磁矩绕磁场方向旋进,这也就是总角动这也就是总角动PJ绕磁场方向旋进。现在对这个旋进转向和速度作简绕磁场方向旋进。现在对这个旋进转向和速度作简单说明。单说明。图图6.26.2是简单示意图。是简单示意图。第第19页页20磁场对磁场对J 力矩是力矩是（1）式中式中0是一个常数，称作真空磁导率是一个常数，称作真空磁导率.这就要产生这就要产生角动量改变，角动量改变方向就是力矩方角动量改变，角动量改变方向就是力矩方向，向，假如单位适当，角动量改变假如单位适当，角动量改变时间率数值上等于力矩，时间率数值上等于力矩，所以所以(2)从图从图6.2中能够看出，中能够看出，L和和dP方向在这个顷刻都是垂直并进方向在这个顷刻都是垂直并进入纸面。入纸面。第第20页页21因为力矩因为力矩L存在存在,角动量改变角动量改变dP连续发生。但连续发生。但一直是一直是垂直于垂直于PJ,所以所以PJ只改变方向而不改变数值。这就造成只改变方向而不改变数值。这就造成PJ在图所表示方向连续旋进。在图所表示方向连续旋进。由图又能够看出由图又能够看出所以所以（3）式中式中是旋进角速度。是旋进角速度。第第21页页22把（把（1 1）式列成标量式，即得）式列成标量式，即得（4）由（由（2），（），（3），（），（4），就有），就有（5）但但 ，所以，所以 （6 6）这是拉莫尔旋进角速度公式。由这是拉莫尔旋进角速度公式。由6.16.1节（节（1111）式，就有）式，就有 ，（7 7）式中式中称为旋磁比，那么旋进频率就等于称为旋磁比，那么旋进频率就等于（8）第第22页页23 图图6.2a,b两图表示两种情况：两图表示两种情况：a图中图中J和磁场夹角和磁场夹角大于大于90,b图中图中小于小于90.在两种情况下在两种情况下,旋进方向对磁场说是相同，都是按螺旋旋进方向对磁场说是相同，都是按螺旋在磁场方向前进转向在磁场方向前进转向.但产生效果却不一样。但产生效果却不一样。a图中图中角小于角小于90,旋进角动量迭加在旋进角动量迭加在PJ在在B方向分量上方向分量上,使这方向角动量增加，因而也是能量增加使这方向角动量增加，因而也是能量增加.b图中图中 角大于角大于90,PJ分量在分量在B相反方向相反方向,所以旋进所以旋进使这使这方向角动量降低方向角动量降低,因而也是能量降低。因而也是能量降低。由此可知由此可知,从运动观点从运动观点,J与与B夹角夹角大于大于90时时,这体系能这体系能量较无磁场是增加量较无磁场是增加,小于小于90时时,体系能量较无磁场是减小。体系能量较无磁场是减小。旋进引发能量增减。旋进引发能量增减。由运动考虑能够推出能量增减表示式。由运动考虑能够推出能量增减表示式。第第23页页242原子受磁场作用附加能量原子受磁场作用附加能量原子受磁场作用而旋进所引发原子受磁场作用而旋进所引发附加能量附加能量，可证实是，可证实是（这与第四章中提出有相同形式）（这与第四章中提出有相同形式）把上节（把上节（11）式）式J值代人，就有值代人，就有（10）由图由图6.2可知可知,同同互为补角。但互为补角。但J 或或PJ磁场中取向磁场中取向是量子化，也就是是量子化，也就是角不是任意角不是任意.（10）式中）式中PJcos是是PJ在磁场方向分量，在磁场方向分量，量子化也是这个分量量量子化也是这个分量量子化，它只能取得以下数值：子化，它只能取得以下数值：（11）第第24页页25M称磁量子数，只能有以下数值：称磁量子数，只能有以下数值：（10）M=J，J1，J，（12）共有共有2J+1个个M值值.每一个每一个M值相当于值相当于PJ一个取向一个取向.把把（11）代人（）代人（10）,就得就得（13）假如把（假如把（13）式附加能量表示作光谱项差）式附加能量表示作光谱项差T，就有，就有（14），称洛伦兹单位。，称洛伦兹单位。第第25页页26（13）和（）和（14）两式中）两式中M只能取只能取J到到-J逐数差逐数差1数值。数值。M=J，J1，J，共有共有2J+1个个M数值。所以在稳定磁场下，数值。所以在稳定磁场下，E有有2J+1个可个可能数值。这就是说，无磁场时一个能级，因磁场作用要再能数值。这就是说，无磁场时一个能级，因磁场作用要再加能量加能量E，而，而E有有2J+1个不一样可能值，所以这能级裂个不一样可能值，所以这能级裂成成2J+1层。层。（13）（14）第第26页页27举例：举例：2P3/2在磁场中能级分裂情况，这里在磁场中能级分裂情况，这里L=1，S=1/2，J=3/2。能够由能够由6.1节节(12)式式算算得得g=4/3,而而M=J，J1，J=3/2,1/2,-1/2,-3/2。所以所以Mg=6/3,2/3,-2/3,-6/3.这么这么,能级裂成四层能级裂成四层,如图如图6.3所表示，图中右边说明各能级所表示，图中右边说明各能级M值和值和Mg值值.由由(13)式式间隔都等于间隔都等于.能级由原能级实际挪动同能级由原能级实际挪动同磁感应强度磁感应强度B成正比成正比,B如增加，如增加，能级间隔将按百分比扩大。能级间隔将按百分比扩大。第第27页页28表表6.1是一些双重态是一些双重态g值和值和Mg值，从表中能够看出，值，从表中能够看出，能级裂开层数都等于能级裂开层数都等于2J+1，能级间隔都等于，能级间隔都等于 g gBB ，第第28页页29从同一能级分裂诸能级间隔是相等，但从不一从同一能级分裂诸能级间隔是相等，但从不一样原能级分裂出来能级间隔，彼此不一定相同，样原能级分裂出来能级间隔，彼此不一定相同，因为因为g g因子不一定相同因子不一定相同.比如比如 裂成四层间隔都是裂成四层间隔都是 ，裂成间隔都是裂成间隔都是 ，四层间隔不一样于四层间隔不一样于 六层间隔六层间隔.第第29页页30以上所说原子磁矩存在和它在磁场各种取向,以及因而发生附加能量和能级分裂等情况,都有试验证实。在下面几节我们会看到,表面上很不一样试验都反应同一幅原子图象，这些试验现象中:塞曼效应发觉在1896年，然后逐步发展理论，史特恩盖拉赫试验在19出现，是在理论发展中发展。至于磁共振却是在上述理论建立之后才发展,这一长久发展过程正是科学实践中感性认识提升到理性认识，理论再指导实践过程。第第30页页31总结：总结：，称洛伦兹单位。，称洛伦兹单位。M称磁量子数：称磁量子数：M=J，J1，J，一个一个J值，值，共有共有2J+1个个M值值.第第31页页326.36.3 史特恩史特恩盖拉赫试验结果盖拉赫试验结果第第32页页336.3史特恩史特恩盖拉赫试验结果盖拉赫试验结果史特恩史特恩盖拉赫试验方法在第二章中已经叙述了盖拉赫试验方法在第二章中已经叙述了,在那在那里说到怎样在银原子试验中证实了空间量子化存在。里说到怎样在银原子试验中证实了空间量子化存在。但那时只说到轨道磁矩和角动量但那时只说到轨道磁矩和角动量,对原子了解还不全对原子了解还不全方面方面,所以暂时搁置在那里所以暂时搁置在那里.现在现在我们知道原子总磁矩是同总角动量联络磁矩我们知道原子总磁矩是同总角动量联络磁矩,这是这是轨道磁矩和自旋磁矩联合轨道磁矩和自旋磁矩联合（原子核磁矩很小（原子核磁矩很小,暂不考虑）暂不考虑）.这时这时再把史特恩盖拉赫试验结果同理论比一下再把史特恩盖拉赫试验结果同理论比一下,就更就更有意义了。有意义了。第第33页页34 第二章第二章2.8节（）式给出了原子受不均匀磁场节（）式给出了原子受不均匀磁场作用到达相片时横向移动；公式是作用到达相片时横向移动；公式是 （）（）我们了解，上式中我们了解，上式中z 应该是应该是J在磁场方向分量，它数值应在磁场方向分量，它数值应该是该是见图见图.（）（）第第34页页35 式中式中M=J,J-1,.-J;式中负号表示式中负号表示:当当M是负值时，是负值时，z z 和磁场同方向，当和磁场同方向，当是正值是是正值是,z z 和磁场方向相反。和磁场方向相反。把（）代入（），即有把（）代入（），即有（）由此可见，由此可见，有几个值，相片上就有几个黑条，有几个值，相片上就有几个黑条，这这也是代表也是代表J有几个取向。按理论应该有有几个取向。按理论应该有2J+1个取向。个取向。所以从黑条数目就能够知道所以从黑条数目就能够知道J当然也就知道了，就当然也就知道了，就能由试验求出能由试验求出g值。所以这个试验能够验证空间量子化理值。所以这个试验能够验证空间量子化理论，并能够对一个不了解原子态测定论，并能够对一个不了解原子态测定J值和值和g值，从而能值，从而能够推断这个状态性质。够推断这个状态性质。第第35页页36在第二章中说到对银试验出现了两个黑线。现在在第二章中说到对银试验出现了两个黑线。现在就很轻易了解，原来银原子基态是就很轻易了解，原来银原子基态是2S1/2，J既等于既等于1/2，1/2，-1/2，所以出现两黑条。，所以出现两黑条。这这1/2数值起源于数值起源于自旋量子数自旋量子数1/2和态和态l等于，等于，所以这个试验结果也是这些量子数数值正确性有力所以这个试验结果也是这些量子数数值正确性有力证实。证实。第第36页页37以后史特恩盖拉赫试验又先后经不一样人进行过。这以后史特恩盖拉赫试验又先后经不一样人进行过。这些把对各种原子试验结果开列在表些把对各种原子试验结果开列在表.。这里能够看。这里能够看出试验观察结果完全证实了（）式表示理论推断正确出试验观察结果完全证实了（）式表示理论推断正确性。性。表表.史特恩盖拉赫试验结果史特恩盖拉赫试验结果第第37页页386.4 6.4 顺磁共振顺磁共振第第38页页39.顺磁共振顺磁共振 含有磁矩原子称为顺磁性原子含有磁矩原子称为顺磁性原子，这个名称，这个名称由来很快将讨论到。由来很快将讨论到。上面说到，当磁矩不等于零原子处于磁场上面说到，当磁矩不等于零原子处于磁场中时，它能级分裂成数层；裂成能级同原能级中时，它能级分裂成数层；裂成能级同原能级差值等于差值等于（）（）第第39页页40二邻近能级间隔，也就是和二邻近能级间隔，也就是和+或或-两两能级能量差能级能量差,由由()式式,等于等于g0BH。假如在原子所在稳定磁场区域又迭加一个同稳假如在原子所在稳定磁场区域又迭加一个同稳定磁场垂直交变磁场定磁场垂直交变磁场,而它频率而它频率又调整到使一个量又调整到使一个量子能量子能量h 刚等于原子在磁场中二邻近能级差，刚等于原子在磁场中二邻近能级差，也就是也就是h=g0BH（）（）二邻近能级间就有跃迁，这能够用适当仪器探测二邻近能级间就有跃迁，这能够用适当仪器探测出来。出来。第第40页页41 实际用交变磁场是超高频电磁波。我们能够预实际用交变磁场是超高频电磁波。我们能够预计频率应该高到什么数量级。计频率应该高到什么数量级。设：设：等于等于5 5安米安米 那么需要频率是那么需要频率是 第第41页页42这相当于波长等于这相当于波长等于所以顺磁共振试验中所用电磁波波长在所以顺磁共振试验中所用电磁波波长在厘米厘米数量数量级。级。第第42页页436.5 6.5 塞曼效应塞曼效应第第43页页446.5 6.5 塞曼效应塞曼效应1.1.塞曼效应观察塞曼效应观察 当当光光源源放放在在足足够够强强磁磁场场中中时时，所所发发光光谱谱谱谱线会分裂成几条，而且每条谱线光是偏振。线会分裂成几条，而且每条谱线光是偏振。第第44页页45图图6.8显示一些光谱线塞曼效应。显示一些光谱线塞曼效应。第第45页页46现在举例说明观察到现象。镉镉6438.476438.47埃红色谱线塞曼效应埃红色谱线塞曼效应第第46页页47把镉光源方在足够强磁极之间，从垂直与磁场方把镉光源方在足够强磁极之间，从垂直与磁场方向观察光谱，会发觉这条谱线分裂为三条，一条在原向观察光谱，会发觉这条谱线分裂为三条，一条在原位，左右还各有一条。两边两条离中线距离用波数表位，左右还各有一条。两边两条离中线距离用波数表示是相等。三条谱线是平面偏振，中间一条电矢量平示是相等。三条谱线是平面偏振，中间一条电矢量平行与磁场，左右两条电矢量垂直与磁场。假如沿磁场行与磁场，左右两条电矢量垂直与磁场。假如沿磁场方向观察光谱，中间那条就不出现；两边两条仍在垂方向观察光谱，中间那条就不出现；两边两条仍在垂直方向观察到位置，但已经是园偏振了。两条偏振转直方向观察到位置，但已经是园偏振了。两条偏振转向是相反。频率比原谱线频率高那一条偏振方向是沿向是相反。频率比原谱线频率高那一条偏振方向是沿磁场方向前进螺旋转动方向；频率较原谱线频率低那磁场方向前进螺旋转动方向；频率较原谱线频率低那条偏振转向相反。条偏振转向相反。这些观察到情况能够用图这些观察到情况能够用图6.9代表出来。代表出来。第第47页页48在垂直与磁场方向观察到谱线同图在垂直与磁场方向观察到谱线同图6.8中锌单线塞曼中锌单线塞曼效应相同。为了便于描述，光谱学重用希腊字母效应相同。为了便于描述，光谱学重用希腊字母作为作为电矢量平行与磁场那一条标识，用电矢量平行与磁场那一条标识，用作为电矢量垂直与作为电矢量垂直与磁场那两条标识。磁场那两条标识。第第48页页49 钠钠5895.935895.93埃埃和和5889.965889.96埃埃黄黄色色谱谱线线塞塞曼曼效效应应 把那光源方在足够强磁场中，从垂直与磁场方向观察，会看到谱线分裂成图6.8中相片所表示情况。图6.10中用字母和分别标明个线性质。当然在平行于磁场方向观察时，部分不出现。第第49页页502、塞曼效应理论解释塞曼效应能够按照6.1和6.2两节理论加以解释。按6.2节讨论，原子能级在磁场中分裂为2J+1层，每层从无磁场时能级移动按6.2节(13)式，是E=MgB=MgBB设有一光谱线，由能级E2和E1之间跃迁产生，所以谱线频率同能级有以下关系：h=E2-E1在磁场中，上下两能级普通都要分裂(也有不分裂)，所以新光谱线频率同能级有以下关系：第第50页页51所以新光谱线频率同能级有以下关系：h=(E2+E2)-(E1+E1)=(E2-E1)+(E2-E1)=h+M2g2-M1g1BB (2)(3)(3)式表示塞曼效应中裂开后谱线同原谱线频率之差。h-h=M2g2-M1g1BB,-=M2g2-M1g1第第51页页52也能够列成波数改变形式，用c除（3），式中L=Be/(4mc)为洛伦兹单位。(4)第第52页页53现在能够用这些结论来说明所举两个例子。塞曼跃迁也有选择定则；只有以下情况跃迁发生：M=0，产生线（当J=0,M2=0M1=0除外）;M=1，产生线。第第53页页54（1）Cd6438埃谱线塞曼效应 这谱线经研究知道是:1D11P1跃迁结果。这两能级g能够算出都等于1。M2=2,1，0-1-2；M1=1，0，-1.现在进行光谱线在磁场中频率改变计算，这里介绍一个简便计算步骤，(格罗春图法)把相关数值排列以下表；对M=0跃迁，上下相正确Mg值相减,如表中直线所表示；对M=1，斜角位置Mg值相减，如表中斜线所表示；把算得M2g2-M1g1数值列在下一行，这些数值乘以洛伦兹单位，就是裂开后每一谱线同原谱线波数差：第第54页页55格罗春图第第55页页56上述镉谱线塞曼效应及相关能级和跃迁如图上述镉谱线塞曼效应及相关能级和跃迁如图6：11所表示，这所表示，这里有九种跃迁，但只有三种能量差值，所以出现三条分支谱线，里有九种跃迁，但只有三种能量差值，所以出现三条分支谱线，每条包含三种跃迁。中间那条谱线仍在原谱线位置，左右二和每条包含三种跃迁。中间那条谱线仍在原谱线位置，左右二和同中间一条波数差等于一个洛伦兹单位，结论同试验完全一致。同中间一条波数差等于一个洛伦兹单位，结论同试验完全一致。镉谱线塞曼效应及相关能级和跃迁图镉谱线塞曼效应及相关能级和跃迁图第第56页页57（2）Na5890埃和5896埃谱线塞曼效应，这两条谱线是2P1/2,3/22S1/2跃迁结果。这三个能级g因子能够算得，其数值和M值等见表6.3.现在仍按前面介绍步骤进行光谱线在磁场中分裂后频率改变计算：表6.32P和2S磁能级计算g因子计算第第57页页58格罗春图第第58页页59能级跃迁图能级跃迁图第第59页页60钠这两条谱线塞曼效应及相关能级和跃迁如图钠这两条谱线塞曼效应及相关能级和跃迁如图6.12所表示，所表示，这里这里5890埃那一条裂为四条，两边二邻近线波埃那一条裂为四条，两边二邻近线波数相差是（数相差是（2/3）L，而中间两条差（，而中间两条差（4/3）L。分。分裂后原谱线位置上不再出现谱线，裂后原谱线位置上不再出现谱线，同图同图6.8比较，可知理论同试验一致。比较，可知理论同试验一致。第第60页页61关于塞曼关于塞曼谱线谱线偏振情况，按照本章所偏振情况，按照本章所讨论讨论原子模原子模型，也能型，也能够够得到适当了解。偏振得到适当了解。偏振规规律是，律是，M=1产产生生型偏振，型偏振，M=0产产生生型偏振。要型偏振。要说说明明这这情况，情况，先先陈说陈说一个一个总标总标准：在准：在辐辐射射过过程中，原子和程中，原子和发发出光出光子作子作为为整体角整体角动动量是守恒，原子在磁量是守恒，原子在磁场场方向角方向角动动量量M（）。）。当当M=M2-M1=1时时，原子在磁，原子在磁场场方向角方向角动动量降低量降低1（）角动量，）角动量，在磁场指向观察者方向观察光源时，所说在磁场指向观察者方向观察光源时，所说光子角动量相当于反时针方向运动，试验结果确是这光子角动量相当于反时针方向运动，试验结果确是这么。么。第第61页页62当当M=M2-M1=1时时，原子在磁，原子在磁场场方向角方向角动动量增量增加加1（）；按角动量守恒原理，所发光子必定含有）；按角动量守恒原理，所发光子必定含有与磁场方向相反与磁场方向相反1（）角动量。在磁场指向观察）角动量。在磁场指向观察者方向观察光源时，这个角动量相当于顺时针方向者方向观察光源时，这个角动量相当于顺时针方向运动，试验结果也确是这么。运动，试验结果也确是这么。光子是向各方射出，在垂直于磁场方向也能观察到光子是向各方射出，在垂直于磁场方向也能观察到上述两类光；但组成圆偏振运动这时显出为垂直于磁上述两类光；但组成圆偏振运动这时显出为垂直于磁场振动，所以观察到是平面偏振光。场振动，所以观察到是平面偏振光。第第62页页63至于至于M=0情形，情形，这时这时原子在磁原子在磁场场方向角方向角动动量量不不变变，那么原子角，那么原子角动动量改量改变变一定在垂直于磁一定在垂直于磁场场方向方向光子含有固有角光子含有固有角动动量量，原子发射光子时，它总，原子发射光子时，它总角动量必须改变（改变数值或方向，或二者都变），角动量必须改变（改变数值或方向，或二者都变），这么，整体角动量才能守恒这么，整体角动量才能守恒在此情形，所发光子角在此情形，所发光子角动量一定垂直于磁场。动量一定垂直于磁场。在垂直于磁场方向观察，这应该相当于圆偏振、在垂直于磁场方向观察，这应该相当于圆偏振、椭圆偏振和沿磁场振动平面偏振。试验观察到确实椭圆偏振和沿磁场振动平面偏振。试验观察到确实是沿磁场振动平面偏振，但只有这种偏振是沿磁场振动平面偏振，但只有这种偏振。B光子光子第第63页页64这里，含有相同频率辐射能够有位相差异，甚至位相这里，含有相同频率辐射能够有位相差异，甚至位相相反，观察到现象可能是相干叠加结果。在相反，观察到现象可能是相干叠加结果。在M=1情形中，含有相反角动量辐射是不一样频率，所以能情形中，含有相反角动量辐射是不一样频率，所以能够分别观察到。刚才所说沿磁场振动辐射在磁场方向够分别观察到。刚才所说沿磁场振动辐射在磁场方向当然观察不到，因为辐射强度是与传输方向横向振幅当然观察不到，因为辐射强度是与传输方向横向振幅平方成正比。平方成正比。第第64页页65小结小结:塞曼效应反应原子所处状态塞曼效应反应原子所处状态，从塞曼效应试验数据能够推断相关能级分裂从塞曼效应试验数据能够推断相关能级分裂情况；情况；从能级裂开层数能够知道从能级裂开层数能够知道J值值，而能级间隔等于而能级间隔等于gBB，因能够知道，因能够知道g值，值，这么就取得了原子态主要资料。这么就取得了原子态主要资料。塞曼效应是研塞曼效应是研究原子结构主要路径之一。究原子结构主要路径之一。第第65页页