第四章 原子的精细结构：电子的自旋(2013-4)
最新原子物理学答案(杨福家-高教第四版)(第一章)无水印-打印版
原子物理学课后答案（第四版）杨福家著高等教育出版社第一章：原子的位形：卢瑟福模型第二章：原子的量子态：波尔模型第三章：量子力学导论第四章：原子的精细结构：电子的自旋第五章：多电子原子：泡利原理第六章：X射线第七章：原子核物理概论第八章：超精细相互作用原子物理学——学习辅导书吕华平刘莉主编（7.3元定价）高等教育出版社第一章习题答案1-1 速度为v 的非相对论的α粒子与一静止的自由电子相碰撞，试证明：α粒子的最大偏离角约为410-rad.解：设碰撞以后α粒子的散射角为θ，碰撞参数b 与散射角的关系为2cot 2θa b =(式中Ee Z Z a 02214πε=)碰撞参数b 越小，则散射角θ越大。
也就是说，当α粒子和自由电子对头碰时，θ取得极大值。
此时粒子由于散射引起的动量变化如图所示，粒子的质量远大于自由电子的质量，则对头碰撞后粒子的速度近似不变，仍为，而电子的速度变为，则粒子的动量变化为v m p e 2=∆散射角为410*7.21836*422-=≈≈∆≈v m v m p p e αθ 即最大偏离角约为410-rad.1-2 (1)动能为5.00MeV 的α粒子被金核以︒90散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大？ （2）如果金箔厚为1.0um ，则入射α粒子束以大于︒90散射（称为背散射）的粒子是全部入射粒子的百分之几？ 解：（1）碰撞参数与散射角关系为：2cot 2θa b =(式中Ee Z Z a 02214πε=)库伦散射因子为：Ee Z Z a 02214πε==fm MeV MeV fm 5.45579*2**44.1= 瞄准距离为： fm fm a b 8.2245cot *5.45*212cot 2===︒θ（2）根据碰撞参数与散射角的关系式2cot 2θa b =，可知当︒≥90θ时，)90()(︒≤b b θ，即对于每一个靶核，散射角大于︒90的入射粒子位于)90(︒<b b 的圆盘截面内，该截面面积为)90(2︒=b c πσ，则α粒子束以大于︒90散射的粒子数为：π2Nntb N =' 大于︒90散射的粒子数与全部入射粒子的比为526232210*4.98.22*142.3*10*0.1*19788.18*10*02.6--===='πρπtb M N ntb N N A 1—3 试问：4.5Mev 的α粒子与金核对心碰撞时的最小距离是多少？若把金核改为Li 7核，则结果如何？ 解：（1）由式4—2知α粒子与金核对心碰撞的最小距离为=m r Ee Z Z a 02214πε==fm MeV MeV fm 6.505.479*2**44.1=（2）若改为Li 7核，靶核的质量m '不再远大于入射粒子的质量m ，这时动能k E 要用质心系的能量c E ，由式3—10，3—11知，质心系的能量为：)(212mm mm m v m E u u c +''==式中 得k k k Li He Li k u c E E E A A A E m m m v m E 117747212=+=+≈+''==α粒子与Li 7核对心碰撞的最小距离为：=m r Ee Z Z a 02214πε==fm MeV MeV fm 0.37*5.411*3*2**44.1=1—4 （1）假定金核半径为7.0fm ，试问：入射质子需要多少能量，才能在对头碰撞时刚好到达金核的表面？（2）若金核改为铝核，使质子在对头碰撞时刚好到达铝核的表面，那么，入射质子的能量应为多少？设铝核半径为4.0fm 。
原子结构知识：原子结构中电子自旋和核自旋
原子结构知识：原子结构中电子自旋和核自旋原子是构成物质的基本单位，其结构包括核和围绕核运动的电子。
在原子结构中，电子自旋和核自旋是两个非常重要的物理概念，它们对原子的性质和行为都有重要影响。
一、电子自旋1.电子自旋的概念电子自旋是电子固有的一种内禀性质，它并不是电子真正的旋转运动，而是描述电子的一种量子性质。
电子自旋可以用两种态来描述，即上自旋态和下自旋态，分别用↑和↓表示。
这两种态是对应于电子自旋在空间中的两个方向，它们之间没有中间态。
2.电子自旋的测量电子自旋的测量是基于量子力学的原理，它具有不确定性。
当进行电子自旋的测量时，不可能同时测量出电子的位置和自旋方向。
根据量子力学的测不准原理，测量电子的自旋方向会使得其位置的不确定性增加，反之亦然。
3.电子自旋的性质电子自旋在原子结构中具有重要的作用。
它决定了原子在外加磁场下的行为，从而影响了原子的磁性。
电子自旋还与化学键的形成和原子光谱的性质有关。
由于电子自旋的存在，原子的能级结构会呈现出一些特殊的规律，如Pauli不相容原理等。
4.康普顿散射电子自旋还与康普顿散射现象相关。
康普顿散射是指X射线与物质中的自由电子相互作用而发生散射的现象。
在康普顿散射中，X射线会与电子的自旋磁矩相互作用，使得散射角度发生变化，从而可以用来测量电子的自旋。
二、核自旋1.核自旋的概念核自旋是核子固有的自旋角动量，通常用I来表示。
与电子自旋类似，核子的自旋也具有量子性质，即其自旋角动量只能取离散的数值。
在自然界中，存在很多核素，它们的核自旋可以是整数或半整数。
2.核自旋的性质核自旋是核物理研究的重要参数之一，它与原子核的稳定性、核衰变、核磁共振等现象密切相关。
核自旋还可以影响原子的磁性和核荷分布，从而影响原子的化学性质。
3.核自旋共振核自旋可以通过核磁共振技术来研究。
核磁共振是一种利用核自旋的方法来研究物质结构和性质的技术。
在核磁共振中，外加磁场使得具有核自旋的原子核产生共振吸收信号，从而可以得到有关原子核的信息。
第四章原子的精细结构电子的自旋.doc
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niS ˆ=μρ。
(若不取国际单位制，则n S ci ρρ=μ)（S 为电流所围的面积，n ρ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rv πν2=，则原子中电子绕核旋转的磁矩为：L m e n vr m m e n r r v e n r e S i e e e ρρρρρρ22222-=-=-=-==ππνπμ定义旋磁比：edefm e2≡γ，则电子绕核运动的磁矩为L ρργμ-= 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μρ与轨道角动量L ρ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 ρρρ⨯=μτ力矩的存在将引起角动量的变化，即B dtL d ρρρρ⨯==μτ 由以上关系可得B dt d ρρρ⨯-=μγμ，可改写为μωμρρρ⨯=dtd 拉莫尔进动的角速度公式：B ρργω=，表明：在均匀外磁场B ρ中高速旋转的磁矩不向B ρ靠拢，而是以一定的ωρ绕B ρ作进动。
ωρ的方向与B ρ一致。
原子光谱的精细结构
原子光谱的精细结构是指由于电子的自旋-轨道相互作用引起的原子能级分裂和光谱线的多重结构。
在没有考虑这种相互作用时，氢原子等简单原子的光谱呈现出由玻尔模型预测的离散谱线。
然而，当考虑到相对论效应和电子的自旋性质时，情况变得更加复杂。
以下是一些关于原子光谱精细结构的关键点：
1. 自旋-轨道相互作用：电子不仅具有轨道运动，还具有内在的自旋。
这两种运动之间的相互作用导致了原本单一的能级分裂为多个子能级，形成了精细结构。
2. 精细结构常数：描述自旋-轨道相互作用强度的物理量是精细结构常数（通常表示为α），其值约为1/137。
这个常数在量子电动力学中起着核心作用，并与电磁相互作用的强度有关。
3. 光谱线分裂：由于能级的分裂，当电子在不同能级之间跃迁时，会发出或吸收特定波长的光，形成光谱线。
精细结构导致这些光谱线进一步分裂为更窄的谱线，这些谱线之间的间隔通常很小，但可以通过高分辨率光谱仪观测到。
4. 量子数：为了描述具有精细结构的能级，需要引入额外的量子数。
除了主量子数n、角量子数l和磁量子数m_l之外，还需要考虑自旋量子数m_s。
这些量子数共同决定了电子在原子中的状态和相应的能级。
5. 相对论效应：除了自旋-轨道相互作用外，相对论效应也对原子光谱的精细结构有贡献。
特别是对于重原子，这些效应更为显著。
6. 实验观测：原子光谱的精细结构最早是在实验中通过高分辨率光谱学技术观察到的，这些观察结果对理解和验证量子理论的发展起到了关键作用。
通过研究原子光谱的精细结构，不仅可以更深入地理解原子内部的电子行为，还可以精确测量基本物理常数，并在精密测量和光谱学等领域找到应用。
原子物理学 课后答案
目录第一章原子的位形 (2)第二章原子的量子态：波尔模型 (8)第三章量子力学导论 (12)第四章原子的精细结构：电子的自旋....................... 错误！未定义书签。
第五章多电子原理：泡利原理 (23)第六章X射线 (28)第七章原子核物理概论.......................................... 错误！未定义书签。
1.本课程各章的重点难点重点:α粒子散射实验公式推导、原子能量级、氢原子的玻尔理论、原子的空间取向量子化、物质的波粒二象性、不确定原则、波函数及其物理意义和薛定谔方程、电子自旋轨道的相互作用、两个价电子的原子组态、能级分裂、泡利原理、电子组态的原子态的确定等。
难点：原子能级、电子组态、不确定原则、薛定谔方程、能级分裂、电子组态的原子态及基态的确定等。
2.本课程和其他课程的联系本课程需在高等数学、力学、电磁学、光学之后开设，同时又是理论物理课程中量子力学部分的前导课程，拟在第三学年第一学期开出。
3.本课程的基本要求及特点第一章原子的位形：卢瑟福模型了解原子的质量和大小、原子核式模型的提出；掌握粒子散射公式及其推导，理解α粒子散射实验对认识原子结构的作用；理解原子核式模型的实验验证及其物理意义。
第二章原子的量子态：玻尔模型掌握氢原子光谱规律及巴尔末公式；理解玻尔原子模型的基本假设、经典轨道、量子化条件、能量公式、主量子数、氢能级图；掌握用玻尔理论来解释氢原子及其光谱规律；了解伏兰克---赫兹实验的实验事实并掌握实验如何验证原子能级的量子化；理解索菲末量子化条件；了解碱金属光谱规律。
第三章量子力学导论掌握波粒二象性、德布罗意波的假设、波函数的统计诠释、不确定关系等概念、原理和关系式；理解定态薛定谔方程和氢原子薛定谔方程的解及n,l,m 三个量子数的意义及其重要性。
第四章 原子的精细结构：电子的自旋理解原子中电子轨道运动的磁矩、电子自旋的假设和电子自旋、电子量子态的 确定；了解史特恩—盖拉赫实验的实验事实并掌握实验如何验证角动量取向的量子化；理解碱金属原子光谱的精细结构；掌握电子自旋与轨道运动的相互作用；了解外磁场对原子的作用，理解史特恩—盖拉赫实验的结果、塞曼效应。
原子的精细结构电子的自旋
原子的精细结构电子的自旋原子是化学分子的基本单位，也是化学反应和化学变化的基本参考物。
原子结构是原子面临化学反应和化学变化的基本特征。
原子由核，电子和电子云构成。
核是原子中带有正电荷的中心，而电子则存在于核外的电子云中，又称外层电子。
电子是原子中最活跃的成分，掌握对电子的研究可以掌握整个原子的特征和行为。
其中包括原子的精细结构和电子自旋。
一、原子的精细结构原子的精细结构是指原子中电子能级的精细结构，通过电子吸收能、发射能和电子竞争的方式进行研究，以探测电子的能级结构和运动规律。
（一）原子能级原子能级是指原子中每个电子在不同能量状态下所处的状态。
原子中的能级可被分为基态，电子激发态以及离散态。
基态是能量最低的状态，所有能量处于基态的状态。
离散态是中间状态，处于基态和激发态之间。
电子激发态是指原子中的电子因为吸收或者失去能量而移动到一个较高的能量状态，成为激发态。
电子跃迁是指电子在不同的能量态之间运动时所产生的变化，这种变化会产生一定的能量。
电子跃迁的能量差可以通过光谱来测量，也可以通过测量电触发的荧光强度来测量。
（二）光谱分析光谱分析是一种探测化学物质的工具，通过电子的吸收和发射能来进行化学分析。
光谱分析可以被用于化学分析，探测电子沿着不同化学反应模式的运动规律。
光谱分析可以被用于探测分子和原子的特征，包括丰度，引力能和外加势能等等。
从光谱分析中可以得知原子的基态，激发态和离散态之间的能差，以及电子传递特征，提供了关于原子的精细结构和电子自旋的信息。
二、电子自旋电子自旋是指电子的一个内禀性质，即电子在原子内部的旋转方向。
电子是一种带有负电荷的基本粒子，也是电子云中最活跃的成分。
电子的自旋是由于自身的旋转而产生的，它与电子的电荷和运动都有关系。
电子的自旋是一种内在的、量子力学的性质，是由能量的守恒和角动量的守恒原理共同决定的。
（一）电子的自旋量子数电子的自旋是用量子力学的方法描述的，它具有双重自性，既是粒子，又是波。
第四章原子的精细结构：电子的自旋
不加磁场
加磁场经典预言
加磁场实验结果
斯特恩-盖拉赫实验对氢原子的结果 斯特恩盖拉赫实验时空间量子化的最直接的证明，它是第 一次量度原子的基态性质的实验，又是这个实验，进一步开辟 了原子束及分子束实验的新领域。
三、实验问题
1、先看例子（Ag、Zn l 0 ）在屏上能看到几束
理论上：（ 2l 1 1 ）只有一个值
x vt
1 Fz 2 zt t 2m
d O
P
S1 S2
S N
z1
z2
x
D
通真空泵
原子束在经过磁场区（长度D）到达出口处时，已偏离x轴z1 距离，那时与x轴的偏角为：
Fz t dz1 Fz d arctan arctan arctan 2 dx mv mv d
§18 原子中电子轨道运动的磁矩
一、经典表示式
1、磁矩 从经典电磁学知道，一载流线圈有一个磁矩μ ，它可以表示成：
ˆ IS iSen
i
-----电流大小
S
-----载流线圈所围面积
ˆ en -----垂直与该面积的单位矢量，即和导线线圈平面垂直
因 和 S
线圈平面。
子的1/1836，实际核磁子值
因为核磁矩比电子磁矩
小得多，所以原子磁矩主要由电子磁矩组成。玻尔磁子
也可作为原子磁矩的单位。
2、磁相互作用比电相互作用小
4 0 2 e 1 e 2 B ec 2 2me 2 4 0 c me e 1 1 ea1 c c ea1 2 2
它在z方向的分量只有两个：
1 sz 2
1 ： 即：自旋量子数在z方向的分量只能取 2
原子物理学 第4章 原子的精细结构
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
2
§4-1 原子中电子轨道运动的磁矩
1.经典表示式
电子绕核运动等效于一载流线圈,必有磁矩.
eˆn
iSeˆn
e t
Seˆn
e
2r /
v
r 2eˆn
e 2me
mevreˆn
e 2me
L
iS
eˆn
i
(电子)旋磁比
def
8
量子数与状态的关系、简并
量子数与状态的关系
对给定的 n ,有 l 个不同形状的轨道（ l ）; 确定的轨道有（2 l +1）个不同的取向（ m l ）.
简并和简并度
简并:被当作同一较粗糙物理状态的两个或多个不同的较精细 物理状态. 简言之,能量相同的状态称为简并态.
简并度:简并态的数目. 例如原子中的电子,由其能量确定的同一能级状态,可以有两种 不同自旋的状态.所以该能级是两种不同自旋状态的简并态.
本章引进电子自旋假设,对磁矩的合成以及磁场对磁矩的作用 进行分析,进而考察原子的精细结构.
本章还介绍史特恩-盖拉赫实验、碱金属双线和塞曼效应,它 们证明了电子自旋假设的正确性.
由电子自旋引起的磁相互作用是产生精细结构的主要因素.
到现在为止,我们的研究还只限于原子的外层价电子,其内层电 子的总角动量被设为零.
10
轨道角动量取向量子化
第四章 原子的精细结构：电子的自旋
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
11
§4-2 史特恩-盖拉赫实验(1921)
实验原理:从射线源O逸出的具有磁矩的氢原子束,经狭缝S1 和S2后,以速度v沿x方向运动. 进入一个在z方向存在梯度的非均 匀的强磁场Bz. 原子在Bz的作用下将偏离x轴,而落到屏上距x轴距 离z2处.实验结果:在屏上有两条对称的沉积痕迹.
近代物理作业计算题解答
第一章原子的位形 卢瑟福模型1-2（1）动能为M eV .005的α粒子被金核以o90散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大？（2）如果金箔厚m μ1.0，则入射α粒子束以大于o90散射（称为背散射）的粒子数是全部入射粒子的百分之几？（金的79Z =,g 197M =,3cm g 18.88ρ= ）解：（1）依2θcotg 2a b = （式中 K0221E 4ππe Z Z a =）α粒子的2Z 1=，金的原子序数Z 2=79(m)1022.752cot455.001.44792θcot E 4ππe 2Z 21b 15o K 022-⨯=⨯==答：散射角为90º所对所对应的瞄准距离为22.8fm.（2） 依: 2θcotg 2a b =可知当 o 90θ≥时，)b(90)b(θo ≤ 所以α粒子束以大于90°散射的粒子数是全部入射粒子的百分数为：2b t πMρN b nt πN N A 2./==%109.4(22.8fm)3.142m 101.0mol 197g cm 18.88g mol 106.0232613123-----⨯=⨯⨯⨯⨯⋅⋅⨯⨯=方法二、依: d ΩNnt σdN c /= d θsin θ2πd Ω⋅=2sin16sin 242θθθπd nta N dN ⋅=、2sin 16sin 2422/θθθπππd nta N N⋅=⎰因为M N M N V N n A A moi A ρρ===； )2(sin 22sin 2)2(22cos 2sin 2sin θθθθθθθd d d ==⎰⎰=⋅=ππππθθπρθθθπ232422/2sin )2(sin 242sin 16sin 2d M a t N d nta N N A%104.9)90sin 145sin 1(45222/-⨯=-=o o A M a t N N N πρ答：α粒子束以大于90°散射的粒子数是全部入射粒子的百分之3104.9-⨯。
原子物理学杨福家1-6章_课后习题答案
原子物理学课后前六章答案（第四版）杨福家著(高等教育出版社)第一章：原子的位形：卢瑟福模型第二章：原子的量子态：波尔模型第三章：量子力学导论第四章：原子的精细结构：电子的自旋第五章：多电子原子：泡利原理第六章：X射线第一章习题1、2解速度为v的非相对论的α粒子与一静止的自由电子相碰撞，试证明：α粒子的最大偏离角约为10-4rad.要点分析: 碰撞应考虑入射粒子和电子方向改变.并不是像教材中的入射粒子与靶核的碰撞(靶核不动).注意这里电子要动.证明：设α粒子的质量为Mα，碰撞前速度为V，沿X方向入射；碰撞后，速度为V'，沿θ方向散射。
电子质量用me表示，碰撞前静止在坐标原点O处，碰撞后以速度v沿φ方向反冲。
α粒子-电子系统在此过程中能量与动量均应守恒，有：（1）（2）（3）作运算：（2）×sinθ±(3)×cosθ,得（4）（5）再将（4）、（5）二式与（1）式联立，消去Ｖ’与v，化简上式，得（６）若记，可将（６）式改写为（７）视θ为φ的函数θ（φ），对（7）式求θ的极值，有令，则 sin2(θ+φ)-sin2φ=0 即 2cos(θ+2φ)sinθ=0若 sinθ=0, 则θ=0（极小）（8）（2）若cos(θ+2φ)=0 ,则θ=90º-2φ（9）将（9）式代入（7）式，有由此可得θ≈10-4弧度（极大）此题得证。
（1）动能为的α粒子被金核以90°散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大（2）如果金箔厚μm，则入射α粒子束以大于90°散射（称为背散射）的粒子数是全部入射粒子的百分之几要点分析:第二问是90°～180°范围的积分.关键要知道n, 注意推导出n值.,其他值从书中参考列表中找.解：（1）依和金的原子序数Z2=79答：散射角为90º所对所对应的瞄准距离为.(2)解: 第二问解的要点是注意将大于90°的散射全部积分出来.(问题不知道nA,但可从密度与原子量关系找出)从书后物质密度表和原子量表中查出ZAu=79,AAu=197, ρAu=×104kg/m3依:注意到：即单位体积内的粒子数为密度除以摩尔质量数乘以阿伏加德罗常数。
原子物理学(原子的精细结构电子自旋)
旋极化材料。
自旋电子学
利用电子自旋的特性，开发新型 自旋电子学器件，如自旋晶体管
和自旋存储器等。
磁性材料研究
通过研究电子自旋的磁学性质， 有助于深入了解磁性材料的微观
结构和物理性质。
05 原子物理学的发展前景与 挑战
原子物理学与其他学科的交叉研究
原子核位于原子的中 心，电子围绕原子核 运动。
原子的电子排布
电子在原子核外的不同能级轨道 上运动，离原子核越远的轨道，
其能量越高。
电子按照一定的规律填充在不同 的能级轨道上，形成电子排布。
电子排布决定了原子的化学性质 和电子状态，是研究原子结构的
重要内容。
原子的能级与光谱
原子的能级是指原子内部电子 运动的能量状态，不同的能级 具有不同的能量。
原子物理学在新能源与技术中的应用
太阳能电池技术
01
原子物理学在太阳能电池技术中的应用，通过优化材料结构和
提高光电转换效率，为可再生能源的发展提供支持。
核聚变能源
02
通过原子物理学对核聚变反应过程的研究，实现可控核聚变能
源的开发，为未来能源供应提供可持续的解决方案。
磁约束核聚变装置
03
利用原子物理学的原理和技术，设计和建造磁约束核聚变装置，
当原子从一个能级跃迁到另一 个能级时，会吸收或释放一定 频率的光子，形成光谱。
光谱分析是研究原子能级结构 和性质的重要手段，可以用于 元素分析和化学分析等。
02 原子核的结构与性质
原子核的组成
01
02
03
质子和中子
原子核由质子和中子组成， 质子带正电荷，中子不带 电。
杨福家-原子物理-第四版-第四章
第四章原子的精细结构
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
如果用分辨率足够高的摄谱仪观察，可以发现原子光谱 中每条谱线并不是简单的一条线，而是由多条谱线组成。 例如，氢原子的 H 线并不是单线，而是由七条谱线组成; nm 常见的钠原子黄光是由 1 588.996nm 和 2 589.593两条很靠 近的谱线组成的，其波长差约为0.6nm。
Bz Bz 0 x y
Bz 0 z
m 2 2 kT
热平衡时原子速度分布满足：
m F ( )= ( )e 3 2 kT dF (v) 3kT 由 0, 可得最可速率为v= dv m
即
mv 3kT
2
《原子物理学》(Atomic Physics)
第四章原子的精细结构
M B
另一方面，由刚体力学知识得
dL M B dt
《原子物理学》(Atomic Physics)
第四章原子的精细结构
第一节：原子中电子轨道运动磁矩
由 -L
代入
得
dL M B dt
B
d dL dt dt
M
i
《原子物理学》(Atomic Physics)
第四章原子的精细结构
磁场中，电子角动量量子化与角动量空间量子化
Z 2 ћ 0 -ћ -2ћ l =2
L
L L L L
h L l (l 1) 6 2
2 LZ ml 0 2
ml= 2, 1, 0, -1，-2
式中
Lz ml
（1）
l
称为角量子数，它的取值范围为
l 0,1, 2,…, n 1
原子物理学 第四章 碱金属原子和电子自旋
的原子态，多重度：2
n 3 2 S1/ 2 表示： 3, 0, j 1/ 2 的原子态，多重度：2
32 D5 / 2
32 D3 / 2
Li原子能级图（考虑精细结构）
4.5 单电子辐射跃迁选择定则
1、选择定则
单电子辐射跃迁（吸收或发射光子）只能在下列条件下
发生:
l 1 j 0, 1
R hc (n l ) 2
n, 能级，即给定 En,l
但
Es 仍与 j 有关。
能量E由
n, l , j 三个量子数决定。
3、碱金属原子能级的分裂
1 时， j 能级不分裂 2 1 Rhc 2 Z *4 j El , s 1 2 3 2n (l )(l 1) 2 当 0 时， Rhc 2 Z *4 1 El , s j 1 2 2n3l (l ) 2
4.4 电子自旋与轨道运动的相互作用
一、电子自旋
1、电子自旋概念的提出
为了说明碱金属原子光谱的双线结构，和解释斯特恩-革拉赫 实验结果，两位不到25岁的荷兰大学生乌仑贝克和古兹米特 大胆地提出电子的自旋运动的假设。
“你们还年轻，有些荒唐没关系”（导师埃 按照这一假设，电子除轨道运动外，还存在一种自旋运动， 伦菲斯特）
和自旋运动相联系还存在自旋角动量。
2、电子自旋角动量量子数
1 s 2
3 电子自旋角动量大小 S s( s 1) 2
3、电子自旋角动量空间取向量子化
1 sz ms 2 1 1 ms s, s 1,......, s , 2 2 ms :自旋磁量子数
* * 0 q r 0 Z e (r m ) 0 Z e B 3 3 3 4 r 4 m r 4 m r e 0 Z *e 0 Z * e 2 s El , s s B S 2 3 3 4 m r m 4 mr
原子物理学第4章 原子的精细结构：电子的自旋
e
e 称为旋磁比 2me
L
磁矩在外磁场 B 中将受到力矩的作用，力矩将使得磁矩 绕外磁场 B 的方向旋进。我们将这种旋进称为拉莫尔进动。相应
的频率称为拉莫尔频率 L，下面我们来计算这个频率。 由电磁学知在均匀外磁场中受到的力矩为
2、 L 有2l+1个取向，则 S 也应该有2s+1个取向
S s ( s 1)
其中s称为自旋量子数
S z ms , ms s, s 1,,s
实验表明：对于电子来说
s
ms
1 1 , 2 2
即 S 有两个空间取向
1 2
3、与自旋角动量 S 对应的自旋磁矩用 s 表示。由 L 式知，轨道磁矩与轨道角动量之间的对应关系是
二、量子表示式
量子的磁矩表示式与经典表示式有同样的形式，即：
但根据量子力学的计算，角动量 L 是量子化的，这包括它的 大小和空间取向都是量子化的。量子力学的结论为：
L
L l (l 1), Lz ml
式中l为角量子数，ll 0,1,2,, n 1; ml为轨道磁量子数，m l 0,1,2,,l
式中 是精细结构常数（1/137），a1为第一玻尔半径。 ea1 是原子的 电偶极矩的量度，而 B 则是原子的磁性偶极矩的量度，后者是前者的 1 倍，这说明：磁相互作用至少比电相互作用小两个数量级。
2
§4.2 史特恩—盖拉赫实验
上一节的讨论表明：不仅原子中电子轨道的 大小、形状和电子运动的角动量、原子内部的能
§4.1 原子中电子轨道运动磁矩
一、经典表示式
在电磁学中,我们曾经定义闭合回路的磁矩为:
原子物理学 原子的精细结构：电子的自旋 (4.2.1)--施特恩-盖拉赫实验
d
e
L
进 动 角 频 率 ：
frequency
2
dL dt
magnetic field
磁矩绕磁场进动示意图
d sin d
d
dt
sin ddtddt
sin
பைடு நூலகம்
d
dt
（ 2 ）量子表示式
l
L
L l l 1 l 0,1,2,, n 1
z d
o s1 s2
S
N
z1 a z2 x
D
通真空泵
z
S
x N
Bz x
Bz y
0
Fz
z
Bz z
原子束对应的最可几速 率：
mv 2 3kT
原子束在磁场区内的运动方程
x vt
z1
1 2
at 2
1 2
Fz m
t2
原子束经过磁场区到 达出口处时与 x 轴的偏角
a
l L ll 1
ZB
LZ
L
e
o
Y
X
L ll 1 l 0,1,2,, n 1
Lz ml
ml 0,1,2,,l
磁矩在 z 方向的投影
l,z
LZ
ml
e 2me
ml
玻尔磁子
Born magneton
e
1 2
a
（ 3 ）角动量取向量子
L ll 1 化
原子物理学第4章
Rhc En 2 (n D l )
-e
●
r Rnl
●ห้องสมุดไป่ตู้
2
2
21
20
n=2
r r1
图4-5、轨道的贯穿
0
4
r Rnl
2
2
32
31
30
n=3
r r1
0 9
l 越小，电子波 函数靠近核的概率 越大，贯穿的几率 越大，能量越低
小结：碱金属原子光谱
1、实验规律:
所有的碱金属原子的光谱，具有相仿的结构，实验观 察的谱线一般分为四个线系。
~D相同而n不同的光谱 和
R R 2、碱金属原子的光谱项： Tnl 2 n (n D l ) 2
• 量子数亏损：D l
nn
（由于存在内层电子）
由于存在内层电子，n相同时能量对l 的简并消除。光 谱项需用两个量子数 n 、l 来描述。
用 Ds , Dp , Dd , Df 分别表示电子所处状态的轨道角动量 量子数 l = 0 , 1 , 2, 3时的量子数亏损。
价电子的轨道：n ≥ 2
Li： Z=3=212+1 Na：Z=11=2(12+22)+1 K： Z=19=2(12+22+22)+1 Rb：Z=37=2(12+22+32+22)+1 Cs：Z=55=2(12+22+32+32+22)+1 Fr：Z=87=2(12+22+32+42+32+22)+1
Li：Ds=0.40, Dp=0.50, Dd=0.001, Df =0.000;
原子物理学杨福家1-6章-课后习题标准答案
原子物理学课后前六章答案（第四版）杨福家著(高等教育出版社)第一章：原子的位形：卢瑟福模型 第二章：原子的量子态：波尔模型 第三章：量子力学导论第四章：原子的精细结构：电子的自旋 第五章：多电子原子：泡利原理 第六章：X 射线第一章 习题1、2解1.1 速度为v 的非相对论的α粒子与一静止的自由电子相碰撞，试证明：α粒子的最大偏离角约为10-4rad.要点分析: 碰撞应考虑入射粒子和电子方向改变.并不是像教材中的入射粒子与靶核的碰撞(靶核不动).注意这里电子要动.证明：设α粒子的质量为M α，碰撞前速度为V ，沿X 方向入射；碰撞后，速度为V'，沿θ方向散射。
电子质量用me 表示，碰撞前静止在坐标原点O 处，碰撞后以速度v 沿φ方向反冲。
α粒子-电子系统在此过程中能量与动量均应守恒，有：（1）ϕθααcos cos v m V M V M e +'= （2） ϕθαsin sin 0v m V M e -'= （3）作运算：（2）×sin θ±(3)×cos θ,（4）（5）再将（4）、（5）二式与（1）式联立，消去Ｖ’与v化简上式，得（６）θϕμϕθμ222s i n s i n )(s i n +=+ （７）视θ为φ的函数θ（φ），对（7）式求θ的极值，有令sin2(θ+φ)-sin2φ=0 即 2cos(θ+2φ)sin θ=0若 sin θ=0, 则 θ=0（极小） （8）（2）若cos(θ+2φ)=0 ,则 θ=90º-2φ （9）将（9）式代入（7）式，有θϕμϕμ2202)(90sin sin sin +=-θ≈10-4弧度（极大）此题得证。
1.2（1）动能为5.00MeV 的α粒子被金核以90°散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大？（2）如果金箔厚1.0 μm ，则入射α粒子束以大于90°散射（称为背散射）的粒子数是全部入射粒子的百分之几？要点分析:第二问是90°～180°范围的积分.关键要知道n, 注意推导出n 值.其他值从书中参考列表中找.解：（1）依金的原子序数Z2=79答：散射角为90º所对所对应的瞄准距离为22.8fm.(2)解: 第二问解的要点是注意将大于90°的散射全部积分出来. (问题不知道nA,但可从密度与原子量关系找出)从书后物质密度表和原子量表中查出ZAu=79,AAu=197, ρAu=1.888×104kg/m3依θa 2sin即单位体积内的粒子数为密度除以摩尔质量数乘以阿伏加德罗常数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第二节：史特恩—盖拉赫实验
Stern-Gerlach
Z1
Z2
x
o中有处于基 态的原子，被 加热成蒸汽， 以水平速度v 通过狭缝s1 ， s2 ，然后通过 一个不均匀磁 场，磁场沿Z 方向是变化的。
实验装置
理论推导
back
next
目录
结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
磁矩与磁场 之夹角
U Bz cos 原子 Z 方向受力 Fz z z
Dd Bz Z2 cos 3k T z Dd Bz z 3k T z
z -Lz
施特恩-盖拉赫（Stern-Gerlach）
Z1
Review
Z2
x
mv 2 3kT
1 Ek mv 2 2
ml 0, 1, 2,… l
back
角动量空间量子化
next
目录
结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第一节：原子中电子轨道运动磁矩 即完整的微观模型是： 给定的n，有l 个不同形状的轨道（l ）； 确定的轨道有2l +1个不同的取向（ml ）； 当n ，l ，m 都给定后，就给出了一个确 定的状态；
1)与轨道角动量进行类比知，自旋角动 量的大小为
前
言
电子自旋 假设 朗德g因子 角动量的 合成
S
其中 s
3 s ( s 1) （1） 2 1
原子态的 表示
S-G实验解 释
2
称为自旋量子数
back
next
目录
结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第三节：电子的自旋 2）自旋角动量在外场方向投影
出磁场到P点 （设D表示磁场中点到屏的距离） （设d 表示磁场的纵向范围）
Dd Bz Z2 z 3k T z
Dd Bz Z2 cos 3kT z
分析
z -Lz
若原子磁矩可任意取向，则 cos 可在 （-1，+1）之间连续变化，感光板将呈现连续带 但是实验结果是：出现的两条分立线对应 cos = -1 和 +1 ，处于 S 态的氢原子 =0，没有轨道磁矩，所以原子磁矩可能来自 于其它运动的磁矩。
back next
原子态的 表示
S-G实验解 释
目录
结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第三节：电子的自旋 1925年，两位荷兰学生乌仑贝克与古兹米 特根据史特恩-盖拉赫实验、碱金属光谱的精 细结构等许多实验事实，发展了原子的行星模 它具有固有的自旋角动量S。
前 言
电子自旋 假设
型，提出电子不仅有轨道运动，还有自旋运动， 朗德g因子
ISn
back next 目录 结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第一节：原子中电子轨道运动磁矩 轨道磁矩的量子表达式 1.量子力学关于轨道角动量的计算结果 根据量子力学的计算，角动量 L 是量 子化的，这包括它的大小和空间取向都 是量子化的。 量子力学的结论为
前 言 经典表达 式 量子表达 式 角动量取 向量子化
原子物理中的一些重要实验：
• α粒子散射实验：否定了汤姆逊的原子模型，证实了原子的核式结构。 • 弗兰克-赫兹（Frank—Hertz）实验：证实了原子内部分立能级的存 在。 • 戴维逊-革末（Davision—Germer）实验：证实了电子的波动性 • 施特恩-盖拉赫（Stern—Gerlach）实验证实了：原子的空间量子化
为磁矩方向的单位矢量。设电子绕核运 n
动的频率为v，则周期为:
设电子的轨道是圆形的
e 2 iS r 磁矩的大小为： T
1 T v
e 依电流的定义式得 i T
e e r 2 mer 2r 2me
对任意形状的闭合轨道同
e L L 2m
back
next
S z ms
前
言
（2）
即
1 ms 自旋磁量子数 2 s 有两个空间取向。
电子自旋 假设 朗德g因子 角动量的 合成
原子态的 表示
S-G实验解 释
back
next
目录
结束
பைடு நூலகம்
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第三节：电子的自旋 3)与 s 对应的磁矩，由 式知， r L 轨道磁矩 l 与轨道角动量 L 之间的对应 关系是
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第三节：电子的自旋
对锂、钠、钾、银、金等其它原子：
史特恩-盖拉赫实验中出现偶数分裂的事实， 也表明电子的轨道运动似乎不是全部的运动。
∵
前
言
电子自旋 假设 朗德g因子 角动量的 合成
l 一定时, ml = -l….l ，共 2l+1个取值 （奇数个取值）
换句话说，轨道磁矩应该只是原子总磁矩的 一部分，那另一部分的运动是什么呢？ 相应的磁矩又是什么呢？
L l (l 1)h , Lz ml h
back
（1）
next
目录
结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第一节：原子中电子轨道运动磁矩
式中l 称为角量子数，它的取值范围为
前 言 经典表达 式 量子表达 式 角动量取 向量子化
l 0,1, 2,…, n 1
ml
称为轨道磁量子数
当l 取定后，他的可能取值为
第一节：原子中电子轨道运动磁矩
前 言
本节介绍了原子中电子轨道运动引起的磁矩， 经典表达
从电磁学定义出发，我们将得到它的经典表
达式，利用量子力学的计算结果，我们可以 得到电子轨道磁矩的量子表达式。
式 量子表达 式 角动量取 向量子化
back
next
目录
结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第一节：原子中电子轨道运动磁矩 在电磁学中，我们曾经定义，载流线圈的 磁距为
（3）
量子表达 式 角动量取 向量子化
，称之为玻尔磁子。
玻尔磁子是轨道磁矩的最小单元，它是原子 物理中的一个重要常数。
B 0.9274 10 23 J T 1 0.9274 10 23 A m2 0.5788 10 -4 eVT -1
back next 目录 结束
第二节：史特恩—盖拉赫实验 磁场沿Z 方向是变化的，即
实验装置
Bz Bz 0 x y
Bz 0 z
理论推导
热平衡时原子速度满足下列关系
1 3 2 2 2 m(vx v y vz ) kT 2 2
即
mv 2 3kT
back next 目录 结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第二节：史特恩—盖拉赫实验
在磁场区域 x 方向：
d vt1
（1）
实验装置
理论推导
1 F Z 方向： z1 z t12 （2） 2 m
t1 时刻，原子沿z方向的速度为
Fz d vz at1 mv
back next 目录 结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
前 言 经典表达 式 量子表达 式 角动量取 向量子化
iS n
back
next
目录
结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第一节：原子中电子轨道运动磁矩 因此，原子中电子绕核转也必定与一个磁距 相对应，式中i 是回路电流，S 是回路面积
前 言 经典表达 式 量子表达 式 角动量取 向量子化
第二节：史特恩—盖拉赫实验 出磁场到P点（设D表示磁场中点到P点的距离）
dZ1 dZ1 dt Z 2 Dtg D D( ) dx dt dx
实验装置 理论推导
1 Dv z v
Fz d 1 Dd D Fz m v v mv 2
Fz d vz at1 mv
前 言 经典表达 式 量子表达 式 角动量取 向量子化
back
next
目录
结束
• 光谱和能级的精细结构应该从原子的运动特征进行解释 • 除了相对论效应外，还应该有其它因素
• 电子应该还有除了轨道运动之外的其它运动特征
• 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
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
Kramers
Samuel Abraham Goudsmit 1902–1978 Netherland physicist 古兹密特
艾伦菲斯特
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第三节：电子的自旋 1.电子自旋假设
1925年，年龄不到25岁的两位荷兰学生乌 仑贝克和古兹米特根据大量的实验事实， 提出一个极大胆的假设，电子不仅有轨道 运动，还有自旋运动，它具有固有的自旋 角动量 S ，具体内容是：
角动量的 合成
引入了自旋假设以后，人们成功地解释了碱
金属的精细结构，塞曼效应以及史特恩-盖拉 赫实验等。
back next
原子态的 表示
S-G实验解 释
目录
结束
“你们还年轻，有些荒唐没关系”（导师埃伦菲斯特）
Paul Ehrenfest 1880–1933 Austrian physicist
George Eugene Uhlenbeck 1900 – 1988 Netherland physicist 乌伦贝克
eh l rL l (l 1) 2m
back
next
目录
结束
第四章：原子的精细结构：电子的自旋
第一节：原子中电子轨道运动磁矩
又由式