第四章原子的精细结构：电子的自旋；玻尔理论考虑了原子主要的相互作用即核与电子的静电；本章先介绍原子中电子轨道运动引起的磁矩，然后介绍；在经典电磁学中载流线圈的磁矩为??iSn?；??ic；Sn)（S为电流所；围的面积，n是垂直于该积的单位矢量；电子绕核的运动必定有一个磁矩，设电子旋转频率为?；v2?r；原子中电子绕核旋转的磁矩为：；??vee?2?2???i
第四章 原子的精细结构：电子的自旋
玻尔理论考虑了原子主要的相互作用即核与电子的静电作用，较为有效地解释了氢光谱。不过人们随后发现光谱线还有精细结构，这说明还需考虑其它相互作用即考虑引起能量变化的原因。本章在量子力学基础上讨论原子的精细结构。
本章先介绍原子中电子轨道运动引起的磁矩，然后介绍原子与外磁场的相互作用，以及原子内部的磁场引起的相互作用。说明空间量子化的存在，且说明仅靠电子的轨道运动不能解释精细结构，还须引入电子自旋的假设，由电子自旋引起的磁相互作用才是产生精细结构的主要因素。 §4-1原子中电子轨道运动的磁矩 1.经典表示式
在经典电磁学中载流线圈的磁矩为??iSn?。(若不取国际单位制，则??
Sn)（S为电流所
围的面积，n是垂直于该积的单位矢量。这里假定电子轨道为圆形，可证明，对于任意形状的闭合轨道，其结果不变。）
电子绕核的运动必定有一个磁矩，设电子旋转频率为??则
原子中电子绕核旋转的磁矩为：
??vee?2?2???iS??e??rn??e?rn??mevrn??L
定义旋磁比
上式是原子中电子绕核运动的磁矩与电子轨道角动量之间的关系式。磁矩?与轨道角动量L反向，这是因为磁矩的方向是根据电流方向的右手定则定义的，而电子运动方向与电流反向之故。
从电磁学知道，磁矩在均匀外磁场中不受力，但受到一个力矩作用，力矩为????B
?????B 力矩的存在将引起角动量的变化，即dt
?????B，可改写为???? 由以上关系可得dtdt
拉莫尔进动的角速度公式B中高速旋转的磁矩不向B靠拢，
????而是以一定的?绕
B作进动。?的方向与B一致。进动角频率（or
2.量子化条件
此前的两个量子数中，主量子数n决定体系的能量，角动量量子数l决定轨道形状。
轨道平面方向的确定：当有一个磁场存在时，磁场B的方向即为参考方向，轨道平面的方向也
才有意义。
轨道角动量L垂直于轨道平面，它相对于磁场方向(定义为z)的
角度?决定了轨道平面的方向，如右图示。
此前得到角动量量子化条件为：L?l?,l?1,2,3,?
鉴于量子力学的本质，将此条件作一原则性改动，取由量子力学计算所得的结果L?
l(l?1)?,l?0,1,2,?，
由此引入第三个量子化条件：Lz?m?,m?l,l?1,?,?l 显然，对于一固定的l，有(2l?1)个m值。 3.角动量取向量子化
(l?1)?,l?0,1,2?
根据轨道角动量及其分量的量子化条件?
做出其矢量模型示意图(右
??Lz?m?,m?l,l?1,?,?l
图)。其特点是L不能与z方向重合，这正是
对角动量量子化条件改动而产生的效果。
将以上量子化条件代入磁矩?和磁矩在z方向投影的表达式
??????L??l(l?1)?B
???z???Lz???m???m?B
称为玻尔磁子，是轨道磁矩的最小单元。是原子物理学中的一个重要常数。
可改写为?B?
?(ea1)，式中??
为精细结构常数，a1是第一玻尔半径。
此式说明磁相互作用至少比电相互作用小两个数量级。
4-2史特恩-盖拉赫实验（在外加非均匀磁场中原子束的分裂）
1921年，史特恩和盖拉赫首次作实验证实了电子自旋的存在，是对原子在外磁场中取向量子化的首次直接观察，是原子物理学中最重要的实验之一，实验装置如右图示。
从加热炉O中发出一束氢原子蒸气（由于炉温不很高，故原子处于基态），原子速度满足于
氢原子先后穿过kT，
两个狭缝后即得到沿x方向运动的速度为v的氢原子束。原子束穿过磁场区最后落在屏上。
为使氢原子束在磁场区受力，要求磁场在A的线度范围内是非均匀磁场（实验的困难所在）。 沿x方向进入磁场的原子束只在Z方向上受力，Fz??z
原子束在磁场区内的运动方程为：?1FZ2
原子经磁场区（长度为D）后，与x轴线的偏角为：??tg
当原子束落至屏上P点时，偏离x轴的距离为z2??z式中?z??cos?，见右上图。
?BzdD?z3kT
由以上讨论知，不仅?呈量子化，?在z方向的投影也呈量子化，因为只有这样，z2的数值才可能是分立的。故从实验测得z2是分立的，反过来证明?呈量子化。
此实验是空间量子化最直接的证明，它是第一次量度原子基态性质的实验。
以上只考虑了电子的轨道运动，现将电子的自旋也考虑进来，即原子的总磁矩是由轨道和自旋两部分磁矩合成的。只有全
面考虑才能解释氢原子在非均匀磁场中的偶分裂现象。于是z2??z
?BzdD?z3kT
在运用上式时须注意单位，3kT的单位应取eV。
由于mJ?J,J?1,?,?J共有(2J?1)个值，所以就有(2J?1)个分裂的z2值，即在感光板上有(2J?1)个黑条，表明了(2J?1)个空间取向。由此得出一种通过实验确定g因子的重要方法。
可据上式解释单电子或多电子体系的各种原子的史特恩-盖拉赫实验结果。对于氢（单电子），因氢原子处于基态，n?1,l?0,s?
，进而可得出gj?2，故有数
于?BZdD?z3kT
??0.5788?10eV/T?10T/m?
3?8.617?10
eV/K?7?10K
以上计算结果表明处于基态的氢原子束在不均匀磁场作用下分裂为两层，各距中线1.12cm，与实验甚符。史特恩-盖拉赫实验结果证明：
1）原子在外磁场中的取向呈量子化；
2）电子自旋假设是正确的，氢原子在磁场中只有两个取向即s?3）电子自旋磁矩的数值为?s???B,gs?2。
§4-3电子自旋的假设
1. 乌仑贝克与古兹米特（1925年，时年不到25岁的荷兰学生）的电子自旋假说
从史特恩-盖拉赫实验出现偶数分裂的事实，给人启示，要使(2l?1)为偶数，只有角动量为半整数。而轨道角动量是不可能为半整数的。乌仑贝克与古兹米特根据大量实验事实提出假设：
1）电子不是点电荷，除轨道角动量外还有自旋运动，具有固有的自旋角动量S（内禀角动量），
s(s?1)?,s?
。它在z方向的分量只有两个：sz??
?。即自旋量子数在z方向的分量
， Sz?ms?，ms??
2）电子因自旋而具有的自旋磁矩（内禀磁矩）与自旋方向相反，在z方向的分量为
（?s的存在标志着电子还有一个新的物理自由度）
玻尔磁子μB?
?0.9274?10
J/T?0.5788?10
???l??l(l?1)?B
在此之前已得到电子轨道运动的磁矩为?。电子与自旋相联系的磁矩类似
???lz???m???m?B
???s(s?1)????B?B?s2于电子轨道运动的磁矩，可写出电子自旋的磁矩为?。但这两个式子????m???1?ssBB?2?z
与实验不符，为与实验事实相符，乌仑贝克与古兹米特进一步假设：电子的磁矩为一个玻尔磁子，
即为经典数值的2倍。?
从以上的讨论可知：
，两者相差一倍。
电子自旋假设受到各种实验的支持，是对电子认识的一个重大发展。狄拉克于1928年找到一种与狭义相对论相融洽的理论，可由狄拉克量子方程得出电子自旋的自然结果。
???l??l(l?1)?B
反过来看，电子轨道运动的磁矩为?在原子体系中并不普遍成立。
???lz???m???m?B
电子自旋假设是经典物理学是无法接受的。如将电子自旋视为机械自旋，可证明电子自旋使其表面的切向线速度将超过光速。正因为如此，这一假说一开始就遭到很多反对，但后来的事实证明，电子自旋的概念是微观物理学中最重要的概念。（电子的自旋不能理解为像陀螺一样绕自身轴旋转，
它是电子内部的属性，与运动状态无关。它在经典物理中找不到对应物，是一个崭新的概念）
2.朗德因子（g因子）
定义一个g因子，使得对任意角动量j所对应的磁矩以及它们在z方向上的投影都成立。表示
j(j?1)gj?B
g因子是反映物质内部运动的一个重要物理量，但至今仍是一个假设，它可以表示为：
引入g因子后，电子的轨道磁矩、自旋磁矩和总磁矩以及在z方向的分量分别表示为：
包含各类专业文献、外语学习资料、文学作品欣赏、各类资格考试、专业论文、高等教育、生活休闲娱乐、行业资料、幼儿教育、小学教育、中学教育、38第4章 原子的精细结构：电子的自旋等内容。　
　第四章 原子的精细结构 20节 电子自旋3_法学_高等教育_教育专区。原子物理学 e 1 e 1 ( J 2 ? L2 ? S 2 ) ? ( J 2 ? S 2 ? L2 ) 2me 2 ... 　第四章 原子的精细结构 第 1 页共 13 页 原子的精细结构: 第四章 原子的精细结构:电子的自旋 玻尔理论考虑了原子主要的相互作用即核与电子的静电作用,较为有... 　第四章 原子的精细结构:电子自旋一、学习要点 1.电子自旋 (1)实验基础与内容: 电子除具有质量、 电荷外, 还具有自旋角动量 p s 称自旋角量子数)和自旋磁矩 ... 　第四章 原子的精细结构 第四章 习题课2_理学_高等教育_教育专区。原子物理学 ②、原因 电子自旋与轨道相互作用 → 原子能级分裂 ③、定量计算 U ? ? ?s ?... 　碱金属原子和电子自旋 第四章 碱金属原子和电子自旋一、学习要点 1.碱金属原子...碱金属原子光谱和能级的精细结构: (1)原因:电子自旋―轨道的相互作用 (2)能级... 　理论讲授 2 学时 第三章 原子的精细结构:电子的自旋 §22 塞曼(Zeeman)效应若把光源放入外磁场中,则一条谱线就会分裂成几条,这种现象称为塞曼效应。 正常塞曼... 　理论讲授 2 学时 第三章 原子的精细结构:电子的自旋 §21 碱金属双线 一、碱金属原子谱线的精细结构:定性考虑 Li 原子的光谱精细结构:在高分辨率光谱仪下为... 　学时 第三章 原子的精细结构:电子的自旋 相关概念及问题的引入 精细结构:光谱线在高分辨率光谱仪下观察,一条谱线中包含多个成分, DD原子有复杂的能级结构。 ... 　第四章 原子的精细结构第四章 原子的精细结构隐藏&& 原子的精细结构:电子的自旋(YCS) 第四章 原子的精细结构:电子的自旋(YCS)玻尔理论考虑了原子主要的相互作用...由史特恩—盖拉赫实验确定碱土金属和锌族元素原子态的方法--《吉首大学学报(自然科学版)》1991年01期
由史特恩—盖拉赫实验确定碱土金属和锌族元素原子态的方法
【摘要】：史特恩——盖拉赫实验可测出原子束的分裂数和朗德因子g.本文对实验测定的各种g因子进行了分析,系统地给出了由g和原子分裂束数来确定碱土金属、锌族元素原子态的分析方法.
【关键词】：
【正文快照】：
按史特恩一～一盖拉赫实验的理论,原子束经过非均匀磁场后偏离原入射方向的距离为[。] s=一去等(争)。魄%式中州+-丛生p=舅揣趔盟!(1)(2)由实验结果可知原子求的分裂数(凹).进而可知总角动量量子数,。再由S的测量可确定朗德因子g。而由g值确定氢原子和碱金属原子原子态的方法
欢迎：、、)
支持CAJ、PDF文件格式，仅支持PDF格式
【共引文献】
中国期刊全文数据库
米丽琴,肖世发;[J];湛江师范学院学报;2001年06期
杨德清;[J];物理学报;1994年09期
王锡绂;[J];大学物理;1984年07期
王永昌,王曼英;[J];大学物理;1986年07期
张国营;[J];大学物理;1991年10期
魏爱俭,连洁,潘树泉;[J];大学物理;1999年12期
钱树高，夏英齐;[J];大学物理;1996年05期
赵芸;[J];安徽机电学院学报;1997年02期
杨子元，张海康;[J];宝鸡文理学院学报(自然科学版);1996年01期
任玉安;[J];北京轻工业学院学报;1996年01期
中国重要会议论文全文数据库
邵毅全;曹良腾;;[A];数学·物理·力学·高新技术研究进展——2000（8）卷——中国数学力学物理学高新技术交叉研究会第8届学术研讨会论文集[C];2000年
许友文;许弟余;;[A];数学·力学·物理学·高新技术研究进展——2002（9）卷——中国数学力学物理学高新技术交叉研究会第9届学术研讨会论文集[C];2002年
中国博士学位论文全文数据库
段爱琴;[D];华中科技大学;2006年
薛理辉;[D];武汉理工大学;2003年
唐延林;[D];浙江大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库
程学武;[D];中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）;2006年
王小琴;[D];四川大学;2003年
李峻峰;[D];成都理工大学;2005年
【相似文献】
中国期刊全文数据库
高玉梅;[J];信阳师范学院学报(自然科学版);1984年00期
刁纯钰;[J];重庆师范学院学报(自然科学版);1986年02期
杨德田;[J];大学物理;1987年02期
刘国范,宋昭明;[J];大学物理;1987年09期
张学龙;[J];淮北煤炭师范学院学报(自然科学版);1987年01期
张学龙,方可;[J];四川师范大学学报(自然科学版);1987年02期
高正耀;;[J];郑州大学学报(理学版);1987年01期
杨荣辅;[J];大学物理;1988年03期
甄长荫;[J];首都师范大学学报(自然科学版);1988年03期
张学龙,方可;[J];大学物理;1989年05期
中国重要会议论文全文数据库
刁宏伟;张世斌;王永谦;廖显伯;孔光临;;[A];中国第六届光伏会议论文集[C];2000年
李洪才;林秀;;[A];2002年中国光学学会年会论文集[C];2002年
中国重要报纸全文数据库
徐风;[N];中国质量报;2001年
;[N];大众科技报;2001年
曹丽君;[N];新华每日电讯;2003年
李陈续　通讯员
杨保国;[N];光明日报;2009年
代群;[N];人民日报海外版;2009年
吴长锋;[N];科技日报;2009年
中国博士学位论文全文数据库
朱艳;[D];西北工业大学;2003年
徐茂田;[D];西北大学;2004年
张现周;[D];中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）;2003年
肖云峰;[D];中国科学技术大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库
林秀;[D];福建师范大学;2001年
颉录有;[D];西北师范大学;2002年
熊狂炜;[D];安徽大学;2004年
李宁;[D];西北大学;2004年
刘静;[D];新疆大学;2005年
马蕴超;[D];安徽大学;2005年
金丽花;[D];延边大学;2006年
赵艳;[D];安徽大学;2006年
党纪源;[D];西安电子科技大学;2007年
林惠春;[D];西安电子科技大学;2007年
&快捷付款方式
&订购知网充值卡
400-819-9993
《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司
同方知网数字出版技术股份有限公司
地址：北京清华大学 84-48信箱 大众知识服务
出版物经营许可证 新出发京批字第直0595号
订购热线：400-819-82499
服务热线：010--
在线咨询：
传真：010-
京公网安备75号工具类服务
编辑部专用服务
作者专用服务
能否利用自由电子来做史特恩--盖拉赫实验
本文用海森伯测不准原理证明了:只有中性原子才可以用来做史特恩--盖拉赫实验(以下简称史--盖实验).
CHEN Qi-quan
作者单位：
玉林师范学院,物理与信息科学系,讲师,广西,玉林,537000
年，卷(期)：
机标分类号：
在线出版日期：
本文读者也读过
相关检索词
万方数据知识服务平台--国家科技支撑计划资助项目（编号：2006BAH03B01）(C)北京万方数据股份有限公司
万方数据电子出版社您所在位置： &
&nbsp&&nbsp&nbsp&&nbsp
原子物理习题1预案.ppt 180页
本文档一共被下载：
次 ,您可全文免费在线阅读后下载本文档。
下载提示
1.本站不保证该用户上传的文档完整性，不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。
2.该文档所得收入(下载+内容+预览三)归上传者、原创者。
3.登录后可充值，立即自动返金币，充值渠道很便利
需要金币：350 &&
你可能关注的文档：
·········
··········
第八章X射线教学要求（1）了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制，解释同X射线有关的原子能级产生的原因。（2）了解X射线的吸收的规律，掌握康普顿散射，理解光子与物质的相互作用。（3）了解X射线在晶体中的衍射的规律。重点X射线连续谱与标识谱及产生机制基本测量原理——布拉格（Bragg）公式X射线吸收限物理意义:X射线标识谱产生机制:从阴极发出的高速电子打到阳　　　极上,由于电子能量很高,它能深入到原子的内层,将内壳层电子之一击出原子之外,使原　　　　　　　　　　　　　　子电离,并在内壳层出现一个空穴,当邻　　　　　　近内壳层的电子跃迁到这个空穴时,就发　　　　　　　　射出波长很短的X射线，由于内壳层能　　　　　　级分立，所以产生X射线的线状谱，原　　　　　　子序数较大的元素，内壳层能级间隔就　　　　　　越大，发出的X射线的光子能量高，波　　　　　　长就短，所以波长依次变化，不具有周　　　　　　期性。吸收系数曲线由曲线可看出吸收系数的变化规律：（1）吸收系数一般随波长的减小而降低，即短波长的射线贯穿本领高；（2）波长减到某一数值时，吸收系数突然增加，这些位置称为吸收限。从上图不难看出，吸收系数随X射线光子能量增加而下降，这是由于X射线光子能量越高，其穿透性越强。K、L、M…吸收限是X射线光子分别使K层、L层、M层一个电子电离发生共振吸收而产生的。吸收系数的突变即吸收限的出现，再次证明原子内部电子的壳层结构。吸收限与原子能级例如，K吸收限表示光子能量足以使一个1s电子电离，LI吸收限表示光子能量足以使一个2s电子电离，LII和LIII吸收限表示光子能量足以使一个2p电子电离。例8.1x射线管中的电子在30千伏的电场作用下冲击靶，求所产生的x射线的最短波长。解：x射线管上所加的电压V值同所产生的x射线连续光谱中最短波长λmin的数值有如下的关系：q1d8-4一束波长为０.５４nm的单色光入射到一组晶面上，在与入射束偏离１２０度的方向上产生一级衍射极大，试问该晶面的间距为多大？基本练习:1．选择题：（１）伦琴连续光谱有一个短波限?min，它与：Ａ.对阴极材料有关；Ｂ.对阴极材料和入射电子能量有关；Ｃ.对阴极材料无关，与入射电子能量有关；Ｄ.对阴极材料和入射电子能量无关.（２）原子发射伦琴射线标识谱的条件是：Ａ.原子外层电子被激发；Ｂ.原子外层电子被电离；Ｃ.原子内层电子被移走；Ｄ.原子中电子自旋―轨道作用很强.(a)弱磁场：PL、PS围绕PJ旋转，同时PJ围绕B旋转PS快B慢PLPJ（2）如果磁场B加强到一定程度，超过原子内部旋轨作用，使PJ在磁场中旋转的频率远小于PL和PS分别绕磁场旋转的频率，以至于在磁场中可以认为PL和PS的耦合被破坏，磁场的作用就是使得PL和PS分别在磁场中很快旋转。这时原子在磁场中的附加能量主要由?S和?L在磁场中的能量来决定，即附加能量由-?S?B和-?L?B之和来确定。由于旋轨作用被破坏，在强磁场中原子能级应表为：即在强磁场中的附加能量的值由ML和MS的组合决定,L一定时ML有（2L+1）个可能值，MS有（2S+1）个可能值，组合结果使附加能量有若干个可能值，因此磁场中每一个能级将分裂为若干个子能级，在这些子能级间的跃迁要符合选择定则：BPLPs(b)强磁场：PL、PS围绕B旋转原子束偏离原方向的横向位移为五、史特恩-盖拉赫实验结果的解释所以原子束的裂矩为上式解释了史特恩－盖拉赫实验结果，如氢原子、银原子等单价电子原子的基态l＝0，j＝1/2，基态原子态，所以进入非均匀磁场中要分裂为两束。原子态为2s+1Lj的原子将分裂为2j＋1束。碱金属原子总磁矩在方向的投影为1.单价电子原子基态的史特恩-盖拉赫实验2.多电子原子的史特恩-盖拉赫实验所以原子束的裂矩为上式解释了史特恩－盖拉赫实验结果，原子态为2S+1LJ的多电子原子进入非均匀磁场将分裂为2J＋1束。原子总磁矩在方向的投影为史特恩－盖拉赫实验证明了:1.角动量空间量子化行为2.电子自旋假设是正确的，而且自旋量子数s＝1/2。3.电子自旋磁矩为原子基态gMg相片图样Su,Cd,Hg,,PbSu,PbH,Li,Na,KCu,Ag,,AuTlO——22/33/23/2—000史特恩-盖拉赫实验结果返6.3六、塞曼效应的实验事实1896年开始荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman)逐步发现,当光源放在足够强的磁场中时，所发射的每一条光谱线都分裂成几条,条数随能级的类别而不同,分裂后的谱线成分是偏振的。人们称这种现象为塞曼效应。(原子光谱在外磁场中进一步发生分裂的现象）1.塞曼效应单线系的每一条谱线,在垂直磁场方向观察时,每一条分裂为三条,彼此间隔相等,中间一条(?)线频率不变;左右两条(?)频率的改变为L（一
正在加载中，请稍后... 上传我的文档
 下载
 收藏
该文档贡献者很忙，什么也没留下。
 下载此文档
正在努力加载中...
史特恩—盖拉赫实验结果的讨论
下载积分：1500
内容提示：史特恩—盖拉赫实验结果的讨论
文档格式：PDF|
浏览次数：6|
上传日期： 02:42:27|
文档星级：
该用户还上传了这些文档
史特恩—盖拉赫实验结果的讨论
官方公共微信}