原子物理学习题解答
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第四章习题解答
4-1 一束电子进入的均匀磁场时,试问电子的自旋平行于和反平行于磁场的电子的能量差为多大
解:∵磁矩为μ的磁矩,在磁场B 中的能量为: U = -μ·B = -sz μB 电子自旋磁矩 sz μ=±B μ
∴电子自旋平行于和反平行于磁场的能量差u =B μ B – (-B μB) =2B μB
∴u = 2B μ B =2 ××410-eV ·1T -× T = ×410- eV
4-2 试计算原子处于23/2D 状态的磁矩μ及投影μz 的可能值. 解:由23/2D 可知 S=12
J=32
L=2
∴j g =32+12(1)(1)(1)S S L L J J +-++=32+1213
23
223522
⨯-⨯⨯=4
5
又j μ=j g B
μ
45B μ = B μ
∴μ= B μ
又,j z j j B m g μμ= 又3113,,,2222
j m =-- ∴,142×255j z B B μμμ=±=± 或,346×255j z B B μμμ=±=±
即,6226
(,,,)5555
j z
B μμ=--
4-3 试证实:原子在63/2G 状态的磁矩等于零,并根据原子矢量模型对这一
事实作出解释.
解:由63/2G 可知:S =52
J = 32
L = 4
∴
57
45
31(1)(1)3122
··03522(1)22×22
J S S L L g J J ⨯-⨯+-+=+=+=+
∴ (1)0J j B j j g μμ=+= 即原子在63/2G 状态的磁矩等于零。
解释:∵原子的总角动量为 J L S =+,而处于63/2G 态原子各角动量为:
(1)4(41)20 4.47L L L =+=+== 5535(1)(1) 2.9622S S S =+=
+==
3315(1)(1) 1.9422J J J =+=+==
则它们的矢量关系如图示:
L 和S 同时绕J 旋进,相对取项保持不变
由三角形余弦定理可知:
2222
2
211
()[(1)
(1)
(1)]22L J L J S L L J J S S ⋅=+-+++-+=
2
2
355715[45]222222
=
⨯+⨯-⨯=
而2
222
2
1573515()(45)2222224
S J S J L ⋅=+-=⨯+⨯-⨯=-
∴相应的磁矩 2B
B
S S
g S S μμμ=-=-
B
B
L
g L L μμμ∆=-=-
S L μμμ=+
由于磁矩μ随着角动量绕J 旋进,因而对外发生效果的是μ在J 方向上的分量。其大小计算如下:
()(2)L S B J J
J
L J S J J
J J
μμμμμ⋅+⋅=
=
=-⋅+⋅
1515(2)024B J
μ
=--⨯=
此结果说明,μ垂直于J ,因而原子总磁矩0J μ=
4-4 在史特恩-盖赫拉实验中,处于基态的窄的银原子束通过极不均匀的横向磁场,并射到屏上,磁极的纵向范围d=10cm,磁极中心到屏的距离D=25cm.如果银原子的速率为400m/s,线束在屏上的分裂间距为2.0mm,试问磁场强度的梯度值应为多大银原子的基态为21/2S ,质量为.
解:原子束通过非均匀磁场时,如果磁场B 在Z 方向,可以证明:落在屏幕上的原子束偏离中心的距离为:
,33J Z Z B
B d D B d D
Z Mg KT Z Z KT
μμ∂⋅∂⋅=
=∂∂ (式中T 为炉温,d 为不均匀磁场的线度,D 是磁场中心到屏的距离,
Z
B Z
∂∂是横向不均匀磁场梯度,,J Z
μ是原子的总磁矩在Z 方向的分量),分裂后的原子束偏离中心的最大距离 Z = 3B Z g B d D
J KT Z
μ∂⋅∂ 对21/2S : S=1
2
,L=0,J=12
∴13331
22213222
222
g ⨯=+=+=⨯⨯
Z ′=2Z
又 Z ′=2.0mm ∴ Z=10mm
Z B Z ∂∂=2
223B B
Z KT Z mv JgdD JgdD μμ⋅⋅=
3272
12310107.87 1.66104001
20.10.250.9274102T m ----⨯⨯⨯⨯=
⋅⨯⨯⨯⨯⨯ 23
25
2.868102.3210--⨯=⨯
211.2410T m --=⨯⋅
4-5 在史特恩-盖赫拉实验中(图,不均匀横向磁场梯度为
/ 5.0/Z B Z T cm ∂∂= ,磁极的纵向范围d=10cm, 磁极中心到屏的距离D=30cm,
使用的原子束是处于基态4F3/2的钒原子,原子的动能Ek=50meV.试求屏上线束边缘成分之间的距离. 解:设在屏上偏离x 轴的距离为2Z
∴2Z =3Z B
Z B dD
mjgj KT
μ∂-∂
由 43/2F 可知 3
2S = 32
J = 3L =
∴35
34
31(1)(1)312
22·3522(1)22522
J S S L L g J J ⨯-⨯+-+=+=+=+⨯
3113,,,2222J m =- 要求线束边缘间的距离,则J m 取3
2
热平衡时 232250100K mV KT E meV meV ===⨯=