其效果是磁矩绕磁场方向旋进.PPT

**光子动量，按题意，动量数值的不确定量为根据测不准关系得：故**（4443）如图示，一束能量为的光子流与静止质量为的静止自由电子作弹性碰撞，若散射的光子的能量为，试证明散射角满足下式**和分别代表碰撞前后光子运动方向的单位矢量，设碰撞后电子沿角方向飞出，它的能量和动量分别变为和。线状谱是等离子体中的中性原子、离子等由其高能级的激发态跃迁到较低能级时所产生的，单个粒子发射的谱线强度主要决定于:①原子或离子的外层电子处于上能级的几率,②这种电子从上能级跃迁到下能级的跃迁几率，③光子在逸出等离子体之前被再吸收的几率。光泵磁力仪根据原子能级在磁场中产生塞曼分裂的现象，采用光泵（光抽运）和磁共振技术制成的一种测量地磁场总强度的磁力仪。

但构成圆偏振的运动此时显出垂直 的振动， 所以在垂直 方向看，看到的是平面偏振光。 时， 原子在磁场方向的角动量不变，那么原子角动量的改变一定 在垂直 的方向，（光子具有恒定角动量 ，原子发射光子时， 它的总角动量必须改变，或改变数值，或改变方向，或二者都变，这样整体角动量才能守恒）。在此情形下，所发光子的角动量一定垂直 。在垂直 的方向上观察， 应该相当于 圆偏振、椭圆偏振或沿 振动的平面偏振光。 实验观察到是沿 方向的平面偏振，但只有这种偏振。因为电磁波是横波，传播方向与光矢量的振动方向垂直， 因此沿着磁场方向的光不能沿着磁场方向传播，所以沿磁场方向观察不到该光线。 注意： 时，具有相同频率的辐射可以有位相的差别，甚至反相，观察到的结果有可能是相干叠加后的结果； 时，具有相反角动量的辐射具有不同频率，不能相干，所以能够分别观察到。从Zeeman efect实验数据可以推断有关能级的分裂情况；从能级裂开的层数可知道J，而能级的间隔为 因而可以知道g值，这样就获得了原子态的重要资料， Zeeman efect是研究原子结构的重要途径之一。 §6-6 抗磁质、顺磁质、铁磁质（定性地讲） 物质的磁性可分为三大类：抗磁性、顺磁性、铁磁性。

一个通电流的螺线管，在管内为真空时的磁感应强度为 ， 在管内放置各向同性的均匀磁介质后 ,磁感应强度 ，为抗磁性磁介质（如铋、金、银、铜、铅、锌等）。 ，为顺磁性物质（如铝、锰、铂、氧气、氮气等。） ，为铁磁性物质。铁磁质分3种：软磁性材料，适合做变压器、交流电机机芯等， （软铁、硅钢）；硬磁性材料，适合做永久性磁铁（碳钢、钨钢）； 矩磁性材料，数据储存等。抗磁体在磁场中排斥磁力线，不过只有超导体才是完全的抗磁体。顺磁体在磁场中将吸收磁力线，使磁力线密集。铁磁体将使磁力线密集程度大大加强。 总磁矩 的原子或分子都表现为抗磁性； 总磁矩 的原子或分子表现为顺磁性。 单原子物质决定于原子的总磁矩，由分子构成的物质决定于分子总磁矩。 总磁矩 是怎样影响物质磁性的呢？ 相应的自旋磁矩互相抵消，而且相应的轨道磁矩也必须两两抵消。对这样的体系，外加磁场后，根据楞次定律（H.F.E.Lenz），外加磁场将引起电流，而诱导电流产生的磁场与原磁场方向相反，本来互相抵消的两个磁矩不再抵消，诱导出与外加磁场方向相反的磁矩。这就是抗磁性的由来。抗磁性来源于外加磁场对原子内整个电子壳层的电磁感应作用，由此诱导出来的磁矩方向与外加磁场方向相反，从而显示出抗磁性。

在磁测解释理论与方法技术方面，研究了一系列的新方法和新技术磁矩方向，例如“磁性界面与磁性层磁场的正演方法和磁性界面的反演技术”、“三维磁异常自动解释法”、“磁异常曲面延拓方法”、“拟神经网络三维反演方法”、采用三层bp网络和变步长反馈技术实现快速反演。北京大学生命科学学院谢灿实验室及合作者发现普遍存在于动物中的磁受体基因，其编码的磁受体蛋白magr具备内源磁性，能识别外界磁场并顺应磁场方向排列，据此提出一个新的“生物指南针”分子模型。虽然原理类似于核磁共振,但由于电子质量远轻于原子核,而有强度大许多的磁矩.以氢核(质子)为例,电子磁矩强度是质子的659.59倍.因此对于电子,磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主磁场强度来使之降低.但即使如此,拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的射频范围还要高——微波,因而有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题,在进行人体造影时则需要改变策略.举例而言,0.3 特斯拉的主磁场下,电子共振频率发上在8.41 吉赫,而对于常用的核磁共振核种——质子而言,在这样强度的磁场下,其共振频率为12.77 兆赫.。

但当外加磁场时，磁畴的磁矩方向有沿外加磁场方向排列的强烈趋势，使材料强烈磁化。总之，抗磁性是普遍存在的，它的起因是楞次定律；顺磁性在经典物理中是不可理解的，它的起因是电子的自旋磁矩；铁磁性的起因是磁畴结构。对铁磁质，存在一个居里点（温度点），使铁磁质变为一般顺磁质的温度点叫居里点。 本章小结： 1、三个磁矩 自旋磁矩 大小 轨道磁矩 大小 总磁矩 2、三个磁矩在外加磁场磁场的分量 3、朗德因子 耦合： 耦合： 4、具有总磁矩 的原子在外加磁场 中受的作用 （1）力矩 有拉莫尔旋进， 或 绕 的旋进 旋进频率为 叫旋磁比 （2）能量 能级分裂的间隔为 5、Zeeman efect： 无外磁场 有外磁场 频率差 6、顺磁共振： * 电子学院应用物理系王守海 本章主要内容： Chapter6在磁场中的原子 1.塞曼效应 2.磁共振 3.磁介质①1896年，塞曼（P.Zeeman）逐步发现，当光源放在足够强的磁场中时，所发的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，后人称这种现象为塞曼效应，这种现象反映原子结构的情况，到现在仍用来研究有关原子的问题；②1944年扎佛依斯基发现了磁共振现象，随后数年中发展了这方面的实验。

基本内容是，在稳定的磁场中放置要研究的材料样品，再加交变磁场，如果后者的频率合适，样品会从交变场吸收能量。这类实验在科学上有重要的应用，它的基础也是原子的磁性问题。③物质磁化的事实：磁介质分顺磁质、抗磁质和铁磁质，三种磁质宏观性质的不同，也是原子结构的反映。对上述事实的讨论，一方面是要说明产生这些现象的缘由，另一方面要说明怎样通过这些现象窥见原子的结构。这些问题有共同性，可以统一在一套理论中。 §6-1 原子的磁矩 核外电子有轨道运动和自旋，对应的轨道磁矩和自旋磁矩分别是 写成大小形式为： 叫玻尔磁子 的倍数形式磁矩方向， 原子核也有磁矩，其表达式也是 是质子的质量，因 ，故原子核的磁矩比 、 m l 小得多，可暂不考虑。 那么原子的总磁矩就是 、 的合成。 一、单电子原子的总磁矩 由于 与 不在一条直线上， 、 、 均沿 延长线旋进， 不是一个有定向的量。 在绕 旋进中对外平均效果为0 对外发生效果的是 称为原子的总磁矩 求 和 ，由余弦定理可得： 朗德因子 二、具有两个或两个以上电子的原子的磁矩 对两个或两个以上电子的原子，其磁矩的表达式为： 是原子的总角动量， 因子随耦合类型的不同有两种算法： 耦合： 耦合：如果知道原子的性质，由以上各式可算出原子的磁矩。

反过来，从原子的磁性的研究也可提供它所处状态的线索。 §6-2 外磁场对原子的作用 、拉莫尔(Larmor)旋进 原子既然有总磁矩 ，处在磁场中就要受磁场作用， 其效果是磁矩绕磁场方向旋进，即总角动量 绕磁场方向旋进， 旋进的角速度为 ， 的方向与外磁场 的方向相同。 与 同向 磁场 对 产生力矩： 写成大小： 绕 旋进 角动量定理 ： 由于 ，所以 只改变方向，不改变大小。 ， 旋进频率为： 旋磁比： 讨论： （1） 时， 旋进角动量 与 在 方向的分量同方向， 使角动量增加能量是增加的。 （2） 时， 在 方向的分量与 方向相反， 与 在 方向上的分量相反， 旋进使得 方向的角动量 减小， 因而能量也是减小的。 结论： 时，体系的能量较无磁场时增加； 时，体系的能量较无磁场时减小。 二、原子受磁场作用的附加能量 设 绕外磁场旋时而引起附加能量为 在磁场中的取向是量子化的，所以 由于 、 、 角的值不能任意取， 、 也是量子化的。 在外磁场方向的分量为 总磁量子数： 共有 个值 为玻尔磁子。

鲍林的原子轨道能级图是针对多电子原子体系的原子轨道近似能级顺序，它形象的说明了多电子原子体系中原子轨道能量的高低以及能级组的划分，指明了多电子原子体系中电子的填充顺序。（3）理论得到的电子排布必须经过光谱实验来检验其正确与否，事实证明对绝大部分原子，电子排布原理都是适用的，理论得到的电子排布式与实验结果是一致的，但也有少数原子是不符合这些原理的，理论得到的电子排布式与实验结果是不同的，如41号铌（nb）元素、45号铑（rh）元素、46号钯（pd）元素等。b．2p能级无空轨道，且有一个未成对电子的基态原子和原子的最外层电子排布式为2s22p5的原子。

Chapter2中给出，原子受不均匀磁场的作用，到达相片时的横向移动，公式为 式中 为 在外加磁场方向的分量 式中 ，共 个值 式中“—”表示当 是负值时， 与 同方向 为正值时， 与 反方向。 有几个 值，相片上就有几个黑条， 也就代表 有几个取向。 按理论， 有 个取向，所以从黑条的数目可以知道 值， 从而知道 值，由实验测得 与 成正比， 最后求得 值， 从而推断原子状态的性质。在Chapter2中说到对银的实验出现了两条黑线，现在就很容易理解，原来银原子的基态是 所以出现两条黑线。 对不同原子的实验结果见表6.2。证实了上述理论的正确性。 §6-4 磁共振具有磁矩的原子称为顺磁性原子。顺磁性原子处于磁场中时， 能级分裂为数层，分裂的能级与原能级的差值为ΔE 两相邻分裂能级的间隔为 如果在原子所在的稳定磁场区域又叠加一个同稳定磁场垂直的交变磁场，其频率 ，调整到满足下列关系： 两个相邻的分裂能级间就会有跃迁。 实际使用的交变磁场是超高频的电磁波，估算其波长或频率： 设 设B=1T， 即顺磁共振实验中所用电磁波的波长在cm数量级。

C为样品，G为电磁波发射装置， D为探测器， R为计数器， R与D相接， G发射的 固定， 调整H（由电磁铁电流控制）， 当满足 显示电磁波强度骤然下降，表示顺磁物质 吸收了电磁波， 这种现象叫顺磁共振。 根据吸收和H的关系，可作吸收曲线。 原子处在磁场中时，如果没有其它影响，裂开的能级是等间隔垢，因此实验曲线只出现一个共振峰。但如果用固体作样品，往往会出现几个共振峰，这是由于原子受了附近原子的影响，结果在同磁场下裂开的能级可以不是等间隔的，每个间隔对应一个共振峰，因此会出现几个共振峰。几个共振峰的出现有时称作波谱的精细结构，顺磁共振的波谱反应了原子受近邻原子作用的情况，现在已成为研究分子结构和固体、液体结构很好的方法。在有些情况下，一个共振峰又裂成几个相距很近的峰，被称作波谱的超精细结构。 的共振峰上出现了6个 吸收峰，这种现象经研究知 道是由于原子核磁矩的影响 而产生的。 核磁矩 在足够强的 磁场中可以有 个取向， I是核的角动量量子数，因此有不同的能量附加在原能级上。核磁矩很小，只有电子磁矩的1/1836左右，所以引起的附加能量不大。 有六个超精细结构， 可推知 原子核 的角动量量子数I=5/2。

线偏振光li的偏振方向与线偏振光l2的偏振方向相互垂直,线偏振光l2的偏振方向与线偏振光l3的偏振方向相互垂直。霍尔效应：就是将载流导体放在一匀强磁场中，当磁场方向与电流方向垂直时，导体将在与磁场、电流的垂直方向上形成电势差(也叫霍尔电压)，这个现象就称之为霍尔效应。从图3可见，线偏振光l3的偏振方向平行于纸面且垂直于其传播方向，线偏振光l2的偏振方向垂直于纸面且垂直于其传播方向。