原子的精细结构—电子自旋.pptVIP

作数量级估计（对氢，n=2）： 精确计算：求 求 所以 其中 对于j＝l±1/2双层能级： 精确结果（氢原子2p态）： 可见s能级不分裂，而其它能级的分裂为双层（j＝l±1/2 ）。 说明： 在单电子原子能谱中，静电相互作用给出了能谱的粗结构，能量数量级为 自旋－轨道相互作用决定了能级的精细结构，其数量级为 双线分裂间距随Z增大而急剧增加，但随主量子数n的增加而减少，随角量子数l增加而减少； 碱金属的情形…… 多电子的情形…… 能级差与波长差的关系…… （3）原子内部磁场的估计 对于钠的589nm， 单电子： §4.5 塞曼效应 （1）正常塞曼效应 1896年，塞曼发现，把光源放在磁场内时，谱线发生了分裂。表明光源的能级结构在磁场中发生了变化。 具有磁矩为μ的体系，在磁场B中具有磁势能： 可见能级在磁场中的分裂数取决于mJ的取值数。 考虑如下能级跃迁： 外加磁场B 若不考虑体系自旋，即 依照电偶极跃迁的选择规则： 则 只能有三个 的数值，即三条谱线： 即一条谱线在外磁场作用下分为三条，且彼此间隔相等。这一结果与某些光谱现象相符，称为正常塞曼效应。 例：镉原子的643.847nm 谱线在外磁场中的分裂。 极化 643.847nm 无磁场 有磁场 光谱 在正常塞曼效应中，三条谱线的频率间隔等于 ，称为洛仑兹单位。 由塞曼效应可以导出电子的荷质比 例：一波长为600nm的谱线，在磁场B＝1.2T的作用下，产生正常的塞曼分裂，分裂的波长差为0.02013nm， （2）塞曼效应的偏振特性（见课本图22.2） L光的角动量方向 P光的传播方向 P L 右旋偏振 左旋偏振 对于沿z方向传播的电磁波（横波），其电场矢量必定在xy平面内： 线偏振（a=0），圆偏振（a=π/2,A=B）…… 原子在磁场方向的角动量减少 ；所发光子必定在磁场方向有 的角动量；沿磁场方向看到 偏振，呈圆偏振。 原子在磁场方向的角动量增加 ；所发光子必定在与磁场相反的方向有 的角动量；沿磁场看到 偏振，呈圆偏振。 原子在磁场方向的角动量不变，但光子具有固有角动量 ，为了保持角动量守恒，所发光子的角动量一定垂直于磁场。在垂直于磁场的方向看到在z方向的 偏振，呈线偏振。 （3）反常塞曼效应 在正常塞曼效应之后，发现了很多分裂数目不止三个，间隔不尽相同的实验事实，在近30年的时间内，一直未能得到合理的解释，被称为反常塞曼效应。反常塞曼效应是乌伦贝克和古兹米特提出电子自旋假设的又一重要根据。 例：钠主线系双线的塞曼分裂。 无磁场 有磁场 光谱 589.6nm 589.0nm 分裂谱线的相应的频率： 例： 见课本p179图，外磁场引起的谱线分裂与电子自旋－轨道相互作用引起的谱线分裂的比较。 643.847nm 无磁场 有磁场 简单塞曼效应的情形： 2P3/2 2S1/2 M 3/2 1/2 -1/2 -3/2 M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3 M1g1 1 -1 （M2g2 - M1g1）= -1/3 1/3 -5/3 -3/3 3/3 5/3 （4）格罗春图 2P1/2 2S1/2 M 1/2 -1/2 M2g2 1/3 -1/3 M1g1 1 -1 （M2g2 - M1g1）= -2/3 2/3 -4/3 4/3 （5）帕邢－巴克效应 弱磁场 强磁场 快 慢 塞曼效应 帕邢－巴克效应 （6）斯塔克效应 1913年，斯塔克用氢原子的巴耳末系谱线作为研究对象，发现了外电场对原子光谱的影响，称为斯塔克效应。 （8）结语 什么是自旋？ 相对论量子力学建立之后，从理论上得到了电子自旋，狄拉克理论给出 ，与乌伦贝克－古兹米特的假设相符； 1947年，库什和弗利用实验方法测量了电子的g因子，发现与2有一点点偏差，即电子的反常磁矩。 很快施温格用相对论电动力学对此进行了解释和计算。 从此，理论和实验物理学家一直在展开竞争…… 小 结 （1）一个假设：电子自旋（内禀角动量） （2）三个实验（证实电子具有自旋） 碱金