顺磁性和铁磁性抗磁性课件

在磁场中的原子在磁场中的原子第六章第六章 在磁场中的原在磁场中的原子子主要参考书：主要参考书：褚圣麟编的原子物理学褚圣麟编的原子物理学杨福家编的原子物理学杨福家编的原子物理学第六章 在磁场中的原子主要参考书：1在磁场中的原子在磁场中的原子内容：内容：内容：内容：1.原子的磁矩原子的磁矩 2 2.外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用 3.史特恩盖拉赫实验的结果史特恩盖拉赫实验的结果 4.顺磁共振顺磁共振 5.塞曼效应塞曼效应 6.抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性内容：1.原子的磁矩2在磁场中的原子在磁场中的原子第六章第六章 在磁场中的原子在磁场中的原子6.1 原子的磁矩原子的磁矩电子子轨道运道运动的的闭合合电流流为：面面积：一个周期一个周期扫过的面的面积：原子磁性问题的关键是原子的磁矩，在第二章讨论到原子磁性问题的关键是原子的磁矩，在第二章讨论到原子中的电子，由于轨道运动，具有轨道磁矩。原子中的电子，由于轨道运动，具有轨道磁矩。第六章 在磁场中的原子6.1 原子的磁矩电子轨道运动3在磁场中的原子在磁场中的原子顺磁性和铁磁性抗磁性课件4在磁场中的原子在磁场中的原子一、单电子原子的磁矩一、单电子原子的磁矩g为朗德因子为朗德因子 单电子原子的轨道磁矩和自旋磁矩合成的总磁矩在总角动量单电子原子的轨道磁矩和自旋磁矩合成的总磁矩在总角动量的延长线上的分量的延长线上的分量 称作原子的总磁矩。计算过程略称作原子的总磁矩。计算过程略一、单电子原子的磁矩g为朗德因子 单电子原子的轨5在磁场中的原子在磁场中的原子二、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩二、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩 对于对于LS耦合耦合 对于对于Jj耦合耦合是属于是属于(n-1)个电子构成的集体的数值个电子构成的集体的数值是最后加的那个电子的数值是最后加的那个电子的数值对两个或两个以上的原子的磁矩的表达式是：对两个或两个以上的原子的磁矩的表达式是：二、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩 对于LS耦合6在磁场中的原子在磁场中的原子 在第四章讨论光谱的精细结构时，在第四章讨论光谱的精细结构时，提出了电子的自旋，电子还提出了电子的自旋，电子还具有自旋磁矩，它的数值是具有自旋磁矩，它的数值是：原原子子中中电电子子的的 轨轨道道磁磁矩矩和和自自旋旋磁磁矩矩合合成成原原子子的的总总磁磁矩矩。原原子子核核也也有有磁磁矩矩，表表示示它它的的公公式式也也具具有有 的的倍倍数数形形式式，但但分分母母中中的的质质量量M M 是是质质子子的的质质量量，大大于于电电子子质质量量18361836倍倍，所所以以原原子子核核的的磁磁矩矩比比电电子子的的磁磁矩矩要要小小三三个个数数量量级级，计计算算原原子子总总磁磁矩矩时可暂不考虑原子核的磁矩。时可暂不考虑原子核的磁矩。由实验数据推得 在第四章讨论光谱的精细结构时，提出了电子的自旋，电子7在磁场中的原子在磁场中的原子6.2 外磁场对原子的作用外磁场对原子的作用一、拉莫尔旋进一、拉莫尔旋进 原原子子既既有有总总磁磁矩矩 ，处处在在外外磁磁场场中中就就要要受受场场的的作作用用，其其效效果果是是磁磁矩矩绕绕磁磁场场的的方方向向作作旋旋进进，这这也也就就是是总总角角动动量量 绕绕磁磁场场方方向向旋旋进进。这种旋进称作拉莫尔旋进。这种旋进称作拉莫尔旋进。旋进的频率：旋进的频率：拉莫尔旋进的角速度表示为：拉莫尔旋进的角速度表示为：6.2 外磁场对原子的作用一、拉莫尔旋进旋进的频率：拉莫尔旋8在磁场中的原子在磁场中的原子总结：总结：原子的磁矩原子的磁矩 与外磁场强度与外磁场强度 的夹角大于的夹角大于900 时，即就是原子的总角动量时，即就是原子的总角动量 与外磁场强度的与外磁场强度的 的夹的夹角小于角小于900度时，旋进的角动量叠加在度时，旋进的角动量叠加在 在在H方向的分量方向的分量上，是这方向的角动量增加，上，是这方向的角动量增加，因而体系的能量较无磁场时因而体系的能量较无磁场时增加。增加。原子的磁矩原子的磁矩 与外磁场强度与外磁场强度 的夹角小于的夹角小于900时，即就是原子的总角动量时，即就是原子的总角动量 的分量在的分量在 的相反方的相反方向上。向上。因而旋进引起能量的减少。因而旋进引起能量的减少。总结：原子的磁矩 与外磁场强度 的夹9在磁场中的原子在磁场中的原子二、原子受磁场作用的附加能量二、原子受磁场作用的附加能量一个具有磁矩的原子处在外磁场中时，将具有附加的能量：一个具有磁矩的原子处在外磁场中时，将具有附加的能量：为角角动量在外量在外场方向的分量，方向的分量，是量子化的。是量子化的。磁量子数磁量子数二、原子受磁场作用的附加能量一个具有磁矩的原子处在外磁场中时10在磁场中的原子在磁场中的原子共 个。共 个共 个，共个个(一般情况下一般情况下)。玻尔磁子共 个。共 个共 个，共个(一般情况下)。玻尔11在磁场中的原子在磁场中的原子例例2 计算下列能算下列能级在外磁在外磁场中的分裂情况：中的分裂情况：(L-S耦合耦合)(1)(3)(2)解：(1)：，(2)：(3)：例2 计算下列能级在外磁场中的分裂情况：(L-S耦合)12在磁场中的原子在磁场中的原子6.3 史特恩史特恩盖拉赫实验的结果盖拉赫实验的结果 史特恩史特恩盖拉赫实验的方法在第二章中已经叙述盖拉赫实验的方法在第二章中已经叙述了。在那里只知道银原子在非均匀磁场中，原子的轨了。在那里只知道银原子在非均匀磁场中，原子的轨道运动的磁矩和角动量是量子化的。现在我们知道原道运动的磁矩和角动量是量子化的。现在我们知道原子的总磁矩是同总角动量联系的磁矩，原子中电子的子的总磁矩是同总角动量联系的磁矩，原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩（原子核也有轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩（原子核也有磁矩，但可忽略）磁矩，但可忽略）6.3 史特恩盖拉赫实验的结果 史特恩盖拉13在磁场中的原子在磁场中的原子顺磁性和铁磁性抗磁性课件14在磁场中的原子在磁场中的原子施特恩施特恩-盖拉赫实验的解释盖拉赫实验的解释轨道运动：轨道运动：自旋运动：自旋运动：朗德因子朗德因子具有磁矩的原子在磁场中要受到力和力矩的作用具有磁矩的原子在磁场中要受到力和力矩的作用，共 个施特恩-盖拉赫实验的解释轨道运动：自旋运动：15在磁场中的原子在磁场中的原子对银的实验出现两条黑线的解释：对银的实验出现两条黑线的解释：所以银原子的基态是所以银原子的基态是 因此这个实验的结果也是这些量子数数值的正确因此这个实验的结果也是这些量子数数值的正确性的有力证明。性的有力证明。对银的实验出现两条黑线的解释：所以银原子的基态是 16在磁场中的原子在磁场中的原子顺磁性原子：具有磁矩的原子称为顺磁性原子。顺磁性原子：具有磁矩的原子称为顺磁性原子。二能级的间隔，也就是二能级的间隔，也就是M和和M+1或或M-1两能级的能量差，等于两能级的能量差，等于顺顺磁磁共共振振：在在顺顺磁磁性性原原子子所所在在的的稳稳定定磁磁场场区区域域又又叠叠加加一一个个同同稳稳定定磁磁场场垂垂直直的的交交变变磁磁场场，而而它它的的的的频频率率又又调调整整到到 刚刚好好等等于于原原子子在在磁磁场场中中的的二二邻邻近近能能级级差差，也也就就是是二二邻邻近近能能级级间间就就有有跃跃迁迁，这这就就是是顺顺磁磁共振共振。当磁矩不等于零的原子处在磁场中时，它的能级分裂当磁矩不等于零的原子处在磁场中时，它的能级分裂成数层；成数层；裂成的能级同原能级的差值等于：裂成的能级同原能级的差值等于：顺磁性原子：具有磁矩的原子称为顺磁性原子。二能级的间隔，也就17在磁场中的原子在磁场中的原子顺磁共振有三个作用顺磁共振有三个作用 可以测定原子基态的可以测定原子基态的g值值实实验验是是用用固固定定频频率率的的电电磁磁波波进进行行的的，这这就就需需要要调调整整电电磁磁铁铁的的电电流流，使使磁磁场场强强度度H逐逐渐渐改改变变。当当H满满足足 式式的的值时，由于值时，由于 是固定的，就可以由此式算出原子的基态是固定的，就可以由此式算出原子的基态g值。值。波谱的精细结构：波谱的精细结构：由由于于原原子子受受周周围围的的影影响响，在在同同磁磁场场下下裂裂开开的的能能级级可可以以不不是是等等间间隔隔的的，每每一一个个间间隔隔相相当当于于一一个个共共振振峰峰，这这就就要要出出现现几几个个共共振振峰峰。由由于于能能级级间间隔隔不不同同，而而输输入入的的电电磁磁波波的的频频率率固固定定，那那就就必必须须调调整整H到到不不同同的的数数值值，因因此此在在不不同同的的H值值出出现现共振。共振。顺磁共振有三个作用实验是用固定频率的电磁波进行的，这就需要调18在磁场中的原子在磁场中的原子 波谱的超精细结构：波谱的超精细结构：在在有有些些情情况况下下，一一个个共共振振峰峰又又裂裂成成几几个个很很挨挨近近的的峰峰，这这是是由由于于原原子子核核的的磁磁矩矩的的影影响响而而产产生生的的。核核磁磁矩矩 在在足足够够强强的的磁磁场场中中可可以以有有2L+1个个取取向向，L是是核核角角动动量量量量子子数数。这这就就有有不不同同的的能能量量附附加加在在原原来来原原子子的的磁磁能能级级上上，这这样样就就有有不不同同的的能能级级间间隔隔，但但核核磁磁矩矩很很小小，只只有有电电子子磁磁矩矩的的千千分分之之一一的的数数量量级级，所所以以引引起起的的附附加加能能量量不不大大。在在顺顺磁磁共共振振实实验验中中，每每一一个个共共振振吸吸收收峰峰代代表表一一个个能能级级差差。现现在在既既有有几几个个稍稍有有不不同同的的能能级级差差，因因而而也也出出现现几几个个靠靠近近的的共振峰。共振峰。波谱的超精细结构：19在磁场中的原子在磁场中的原子6.5 塞曼效应塞曼效应 1896年，荷兰物理学家塞曼发现：若把光源放入磁场中，则一年，荷兰物理学家塞曼发现：若把光源放入磁场中，则一条谱线就会分裂成几条，条谱线就会分裂成几条，这种现象称为塞曼效应。这种现象称为塞曼效应。正常塞曼效应：正常塞曼效应：一条谱线在外磁场作用下，分裂为等间一条谱线在外磁场作用下，分裂为等间隔的三条谱线。一条在原位，左右还各有一条。隔的三条谱线。一条在原位，左右还各有一条。反常塞曼效应：反常塞曼效应：除正常塞曼效应外的塞曼效应。除正常塞曼效应外的塞曼效应。6.5 塞曼效应 1896年，荷兰物理学家塞曼发20在磁场中的原子在磁场中的原子塞曼效应的成因塞曼效应的成因1反常塞曼效应反常塞曼效应 当当原原子子处于于外外磁磁场中中时，由由于于原原子子磁磁矩矩 和和外外加加磁磁场场 的的相相互互作作用用，原原子子的的能能级级分分裂裂为为 层层，因因此此谱谱线线也也将将分分裂裂，这这就就是是塞曼效应塞曼效应。设无磁无磁场时，有两个能，有两个能级 它们之间的跃迁将产生一条谱线：它们之间的跃迁将产生一条谱线：若加外磁若加外磁场，则两个能两个能级各附加能量各附加能量 使能级发生分裂，所使能级发生分裂，所以光谱为：以光谱为：塞曼效应的成因1反常塞曼效应 当原子处于外磁21在磁场中的原子在磁场中的原子其中其中22在磁场中的原子在磁场中的原子跃迁迁选择定定则：(除外除外)例例3 讨论Na双双线：，；，在外场中的分裂情况。在外场中的分裂情况。解：，跃迁选择定则：(除外)例3 讨论Na双线：，；23在磁场中的原子在磁场中的原子(1)格罗春图格罗春图 0,+1,-1 ，分分为4条。条。(2)格格罗春春图：3/2 1/2 -1/2 -3/2：1/2 -1/2 0,+1,-1 ，分分为六条。六条。：1/2 -1/2：1/2 -1/2 跃迁迁选择定定则：(当当 除外除外)(1)格罗春图 0,+1,-1 24在磁场中的原子在磁场中的原子顺磁性和铁磁性抗磁性课件25在磁场中的原子在磁场中的原子2正常塞曼效应正常塞曼效应当原子的当原子的总自旋自旋 时，能能级分裂：分裂：，共个即只有三条即只有三条谱线，其能，其能级间隔隔为 2正常塞曼效应当原子的总自旋 时，能级分裂：26在磁场中的原子在磁场中的原子例例4 镉原子的一条原子的一条谱线(，中发生中发生分裂，分裂，问(1)原原谱线分分为几条？几条？(2)相相邻谱线的的间隔隔为)在外场在外场多少？多少？(3)是否为正常塞曼效应？是否为正常塞曼效应？(4)画出相应的能级图。画出相应的能级图。解：解：，：2 1 0 -1 -2 ：1 0 -1 格罗春图格罗春图 0,+1,-1，跃迁迁选择定定则：(当 除外除外)例4 镉原子的一条谱线(，中发生分裂，问(1)原谱线分为几条27在磁场中的原子在磁场中的原子：2 1 0 -1 -2 ：1 0 -1 格罗春图格罗春图 0,+1,-1，：2 1 0 -128在磁场中的原子在磁场中的原子顺磁性和铁磁性抗磁性课件29在磁场中的原子在磁场中的原子6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性抗磁性：有些物质放在磁场中磁化后，它的宏观磁矩的方向同磁场方向有些物质放在磁场中磁化后，它的宏观磁矩的方向同磁场方向相反，这类物质称为抗磁性的。凡是总磁矩等于零的原子或分子都表现相反，这类物质称为抗磁性的。凡是总磁矩等于零的原子或分子都表现抗磁性。抗磁性。M代表磁化后单位体积的磁矩代表磁化后单位体积的磁矩即磁化强度即磁化强度对于抗磁性物质，对于抗磁性物质，M和和H相反；对于顺磁性物质，相反；对于顺磁性物质，M和和H相同。相同。顺磁性顺磁性：另有一些物质在磁场中磁化后的宏观磁矩的方向同磁场方向相：另有一些物质在磁场中磁化后的宏观磁矩的方向同磁场方向相同，这类物质称为顺磁性的。总磁矩不等于零的原子或分子表现为顺磁同，这类物质称为顺磁性的。总磁矩不等于零的原子或分子表现为顺磁性。性。6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性抗磁性：有些物质放在磁场中磁30在磁场中的原子在磁场中的原子1、抗磁性：一个原子的抗磁性磁化率：、抗磁性：一个原子的抗磁性磁化率：一摩尔抗磁性原子的磁化率是：一摩尔抗磁性原子的磁化率是：对于原子，只有在对于原子，只有在S=L=0的情况下，抗磁性才显示出来。的情况下，抗磁性才显示出来。2、顺磁性：一摩尔原子的顺磁性磁化率为：、顺磁性：一摩尔原子的顺磁性磁化率为：1、抗磁性：一个原子的抗磁性磁化率：一摩尔抗磁性原子的磁化率31在磁场中的原子在磁场中的原子3、铁磁性、铁磁性：某些物质。如铁、钴等，在受：某些物质。如铁、钴等，在受外磁场时，显示出比顺磁性强的很多的磁性，外磁场时，显示出比顺磁性强的很多的磁性，而且在去掉磁场后，还保留磁性。这种现象而且在去掉磁场后，还保留磁性。这种现象称为铁磁性。称为铁磁性。3、铁磁性：某些物质。如铁、钴等，在受外磁场时，显示出比顺磁32在磁场中的原子在磁场中的原子谢谢大家谢谢大家谢谢大家谢谢大家谢谢大家33