6电子自旋、角动量、磁距ok.ppt

除了相对论效应外，还有其它因素 Uhlenbeck Goudsmit为了解释氢原子和碱金属原子光谱线的精细结构（双线）而引入 电子应该还有其它的运动特征，用另外一个力学量描述这种运动特征，尝试引入另外一种角动量 电子自旋假设： 氢原子光谱线的双线结构 氢原子基态S-G实验两条斑纹 电子绕核运动，等效于核绕电子运动 磁场中的磁矩，受到一个力矩的作用 动量矩定理：动量矩（角动量）的改变等于力矩 原子态：原子所处的状态， 不同的量子数，反映了不同的运动状态， 由于自旋轨道相互作用使得简并解除 不同的量子数也反映了不同的能量状态 一组量子数 磁矩的方向与角动量的方向相反 轨道和自旋角动量分别绕总角动量旋进，相应的磁矩也绕总角动量旋进 轨道磁矩和自旋磁矩合成为一个总磁矩 引入Landè因子g 多重态结构的原子态的符号表示 例: 价电子状态符号 原子态符号 电子自旋量子数是不变的数值1/2，能级层数一般为2, 但S态是单层能级 原子的磁矩 总磁矩：只需要考虑轨道磁矩和自旋磁矩 在研究外磁场和原子的相互作用时，原子的磁距是一个重要的物理量 原子的有效总磁矩 单电子原子的有效总磁矩 在讨论弱磁场中的原子时，可用 代替原子的总磁距 总磁矩Landè因子的表达式 Landè g因子 为使磁矩与角动量间有统一的关系式 单电子原子的Landè因子 5、自旋—轨道相互作用（耦合能）对能级的影响 * * 一、 平均寿命和选择定则 1、原子处在定态时不发射电磁波 S ?定态时原子的电荷密度（几率密度）不随时间变化 玻尔理论无法在物理上给出处于定态的原子不发射电磁波。 ? M电磁理论，作圆周运动的电子必定发射电磁波。 一个稳定的电荷分布体系是不会发射电磁波的 2、原子跃迁和混合态 吸收、自发辐射、受激辐射 光子与原子发生共振相互作用，使原子感应出同频率的电荷振荡，这种振荡即为混合态的特征 3、跃迁率、平均寿命与谱线宽度 跃迁率 ： 处在某能级上的原子在单位时间跃迁到另一个能级去的几率 具有有限寿命的系统，它的能量必有一不确定值。所以原子发射的光谱线必有一定宽度---自然宽度 平均寿命 ：初始态原子的数目减少到1/e所需时间 4、跃迁的选择定则 原子波函数空间反演的对称性 ? 波函数的宇称 电子作轨道运动时，相当于一个有电流流着的闭合电路，其磁性作用相当于一个磁壳，具有磁矩（轨道磁距） 二、 轨道磁距 原子轨道角动量空间取向量子化,是由于原子磁距和外磁场的作用 三、 Zeeman效应（1896年） 无磁场 逆着磁场方向观察 有磁场 垂直磁场方向观察 当光源放在外磁场中，其原子所发出的光谱线发生分裂，原来的一条谱线分裂为多条，且均为偏振光—塞曼效应 磁场中能级的分裂：原来的两个能级E1、E2，加上外磁场后，每一个能级都出现分裂 解释 Cd 6438埃 1896年，Zeeman最初发现的现象是：光谱线的分裂是等间隔（波数差相等）的 1897年，Preston发现了不等间隔分裂的光谱线 将等间隔分裂的情况称为“正常Zeeman效应”；不等间隔分裂的情况称为“反常Zeeman效应” 安东·洛伦兹 （1853~1928）(Hendrik Antoon Lorentz) 彼得·塞曼 （1965~1943）(Pieter Zeeman) 1902年Nobel Prize 关于磁场对辐射现象影响的研究 塞曼效应反映原子所处的状态，是研究原子结构的重要途径之一 证明原子的角动量的取向是空间量子化的 四、Stern-Gerlach实验（1921年） 有磁矩的原子在外磁场中，受到力： 实验思路： 经过非均匀磁场后，Ag原子偏离原轨迹的 横向位移为： ? Classic Quantum 预期结果： 实际结果： 说明磁矩在磁场中只有两个取向，可以认为β=0，β=π；轨道角动量的取向是量子化的；磁距总是和角动量联系在一起的，原子中电子除了可以有轨道角动量还可能具有其它的角动量，且该角动量是电子固有的?电子自旋 五、电子的自旋 自旋的引入 3、自旋磁矩 2、自旋角动量的Z分量 1、自旋角动量 4、自旋磁矩的Z分量 电子具有电荷，电子有固有角动量，就会有固有磁距，即自旋磁距，电子会感受到原子内部磁场?它的自旋取向就要量子化 电子的自旋角动量及其分量 电子的自旋角动量与磁矩 自旋不是机械运动，是电子的一种自禀属性。自旋的物理量就是自旋角动量和自旋磁矩，以及他们的Z方向分量 自旋的磁矩处于轨道运动的磁场中，两者间有相互作用： 自旋—轨道相互作用 轨道角动量不再守恒；自旋角动量也不守恒 右手系 六、电子自旋与轨道运动的相互作用 1、电子自旋与能级的分裂 原子内部由于带电粒子的运动，会产生磁场即原子的内磁场