磁场对原子能级的影响
原子能级和辐射知识点总结
原子能级和辐射知识点总结一、原子能级1. 原子结构原子是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电。
电子是带负电的，围绕原子核轨道运动。
2. 能级原子的电子围绕原子核运动时，由于受到电子自旋磁矩和轨道磁矩的相互作用，会产生能级分裂，形成多个能级。
电子在这些能级上运动时，会处于不同的状态。
3. 能级跃迁当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射光子，这种光子的能量正好等于两个能级之间的能差。
这是光子的辐射。
4. 能级的确定能级取决于原子核的质量和电子的位置，不同的原子核和电子分布形式会导致不同的能级结构。
每个原子都有特定的能级，这些能级是由原子的物理特性所决定的。
5. 能级的作用原子的能级决定了原子的光谱特性，不同原子的能级结构不同，因此存在着不同的光谱线。
通过研究原子的能级结构，可以揭示原子内部的物理特性，从而为原子物理学和量子力学的研究提供重要的信息。
6. 能级分布原子的能级是离散的，即只能取一些特定的数值。
在研究光谱时，我们经常需要计算原子的能级分布，以便理解光谱线的产生机制。
二、辐射1. 辐射的概念辐射是指从一个物体发射出的能量或粒子，并向外传播的过程。
辐射可以是电磁波、光子、中子等形式，通常是由原子、分子或亚原子粒子发射出来的。
2. 辐射的分类辐射可以分为电磁辐射和粒子辐射两大类。
电磁辐射包括可见光、紫外线、X射线和γ射线等，而粒子辐射包括α射线、β射线和中子辐射等。
3. 电磁辐射电磁辐射是由电磁场振荡产生的，具有电磁波的性质。
根据频率不同，电磁辐射可以分为不同的波段，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
不同波长的电磁辐射具有不同的能量和穿透能力。
4. 粒子辐射粒子辐射是由高速粒子产生的，包括α粒子、β粒子和中子。
这些粒子具有质量和电荷，与物质相互作用时会产生不同的效应。
5. 吸收和发射物质对辐射的吸收和发射是辐射研究的重要课题。
二能级原子与单模电磁场相互作用
二能级原子与单模电磁场相互作用首先，我们来看看二能级原子的能级结构。
在该模型中，原子有两个能级，即基态和激发态。
基态能级为E1，激发态能级为E2，两者之间的能量差为ΔE=E2-E1接下来，我们考虑将这个二能级原子置于一个单模电磁场中。
单模电磁场是一个频率为ω的平面波电磁场，可以表示为E(t)=E0sin(ωt)，其中E0为电场强度。
这个电磁场可以通过在一个具有合适频率的声学共振腔中激励来产生。
那么原子与电磁场的相互作用体现在哪里呢？原子的能级结构可以通过电磁场的作用而发生变化。
当原子吸收一个与其能级差相匹配的光子时，原子从基态跃迁到激发态，这个过程称为光吸收。
而当原子从激发态向基态跃迁并发射出一个光子时，这个过程称为光致发射。
在这个相互作用过程中，原子与电磁场的耦合强度由矩阵元表示，即相互作用哈密顿量V可以描述为V=−eEz，其中e为元电荷，Ez为电场在z 方向上的投影。
这意味着原子与电磁场的相互作用与电场的强度和方向有关。
为了更详细地研究原子与电磁场的相互作用，我们可以利用量子力学的形式体系来描述。
在量子力学中，原子可以用一个Hamiltonian表示，而电磁场则用一个算符描述。
原子的能量本征态由该Hamiltonian的本征值和本征态给出，而电磁场的能量和动量则分别由算符E和p表示。
在该模型中，研究二能级原子与单模电磁场相互作用的物理过程，我们需要考虑以下几个关键方面：1.初始态和末态：原子的初始态可以是基态或激发态，它们具有不同的能量。
末态则表示原子在相互作用过程后的态。
2.耦合强度和频率：原子与电磁场的相互作用强度由耦合矩阵元表示，而相互作用的频率由电磁场的频率确定。
3.能级跃迁：原子通过吸收或发射光子实现能级之间的跃迁。
通过研究这些关键方面，我们可以得到二能级原子与单模电磁场相互作用的一些重要结果，如光吸收和发射的概率、频率和能量的关系等。
总结一下，二能级原子与单模电磁场相互作用是一个经典的物理问题，我们可以通过量子力学的形式体系来描述。
在磁场中的原子解读
第六章 在磁场中的原子一、学习要点1．原子有效磁矩 J J P m e g2-=μ, )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g (会推导) 2．外磁场对原子的作用：（1）拉莫尔进动圆频率(会推导): B m e g eL 2=ω （2）原子受磁场作用的附加能量:B g M B E B J J μμ=⋅-=∆ 附加光谱项()1-m 7.464~,~4B mc eB L L g M mc eB g M T J J ≈===∆ππ 能级分裂图（3）史—盖实验；原子束在非均匀磁场中的分裂B J g M v L dz dB m s μ221⎪⎭⎫ ⎝⎛-=,（m 为原子质量） （4）塞曼效应：光谱线在外磁场中的分裂，机制是原子磁矩与外磁场的相互作用,使能级进一步的分裂所造成的. 塞曼效应的意义①正常塞曼效应：在磁场中原来的一条谱线分裂成3条,相邻两条谱线的波数相差一个洛伦兹单位L ~Cd 6438埃 红光1D 2→1P 1氦原子 66781埃 1D 2→1P 1②反常塞曼效应：弱磁场下：Na 黄光：D 2线 5890埃 2P 3/2→2S 1/2（1分为6）；D 1线5896埃 2P 1/2→2S 1/2（1分为4）Li ( 2D 3/2→2P 1/2)格罗春图、相邻两条谱线的波数差、能级跃迁图选择定则 )(1);(0);(1+-+-=∆σπσJ M垂直磁场、平行磁场观察的谱线条数及偏振情况③帕邢—贝克效应：强磁场中反常塞曼效应变为正常塞曼效应()()B M M B E B S L S L μμμ2+=⋅+-=∆ ，()L M M SL ~2~∆+∆=∆ν，1,0,0±=∆=∆L S M M ()L L ~,0,~~~0-+=νν （5）顺磁共振、物质的磁性二、基本练习1．楮书P197 ①—⑧ P198⑩⑾2．选择题（1）在正常塞曼效应中，沿磁场方向观察时将看到几条谱线：A ．0； B.1； C.2； D.3（2）正常塞曼效应总是对应三条谱线，是因为：A ．每个能级在外磁场中劈裂成三个； B.不同能级的郎德因子g 大小不同；C ．每个能级在外场中劈裂后的间隔相同； D.因为只有三种跃迁（3）B 原子态2P 1/2对应的有效磁矩（g ＝2／3）是 A. B μ33； B. B μ32； C. B μ32 ； D. B μ22. (4)在强外磁场中原子的附加能量E ∆除正比于B 之外,同原子状态有关的因子有：A.朗德因子和玻尔磁子B.磁量子数、朗德因子C.朗德因子、磁量子数M L 和M JD.磁量子数M L 和M S(5)塞曼效应中观测到的π和σ成分,分别对应的选择定则为：A ；)(0);(1πσ±=∆J M B. )(1);(1σπ+-=∆J M ;0=∆J M 时不出现；C. )(0σ=∆J M ，)(1π±=∆J M ；D. )(0);(1πσ=∆±=∆S L M M(6)原子在6G 3/2状态,其有效磁矩为：A ．B μ315； B. 0； C. B μ25； D. B μ215- (7)若原子处于1D 2和2S 1/2态,试求它们的朗德因子g 值：A ．1和2/3； B.2和2/3； C.1和4/3； D.1和2（8）由朗德因子公式当L=S,J≠0时,可得g 值：A ．2； B.1； C.3/2； D.3/4（9）由朗德因子公式当L=0但S≠0时,可得g 值：A ．1； B.1/2； C.3； D.2（10）如果原子处于2P 1/2态,它的朗德因子g 值：A.2/3； B.1/3； C.2； D.1/2（11）某原子处于4D 1/2态,若将其放于弱磁场中,则能级分裂为：A ．2个； B.9个； C.不分裂； D.4个（12）判断处在弱磁场中,下列原子态的子能级数那一个是正确的：A.4D 3/2分裂为2个；B.1P 1分裂为3个；C.2F 5/2分裂为7个；D.1D 2分裂为4个(13)如果原子处于2P 3/2态，将它置于弱外磁场中时，它对应能级应分裂为：A.3个B.2个C.4个D.5个(14)态1D 2的能级在磁感应强度B 的弱磁场中分裂多少子能级?A.3个B.5个C.2个D.4个(15)钠黄光D 2线对应着32P 3/2→32S 1/2态的跃迁，把钠光源置于弱磁场中谱线将如何分裂：A.3条B.6条C.4条D.8条(16)碱金属原子漫线系的第一条精细结构光谱线(2D 3/2→2P 3/2)在磁场中发生塞曼效应,光谱线发生分裂,沿磁场方向拍摄到的光谱线条数为A.3条B.6条C.4条D.9条(17)对钠的D 2线(2P 3/2→2S 1/2)将其置于弱的外磁场中，其谱线的最大裂距max~ν∆和最小裂距min~ν∆各是 A.2L 和L/6; B.5/2L 和1/2L; C.4/3L 和2/3L; D.5/3L 和1/3L(18)使窄的原子束按照施特恩—盖拉赫的方法通过极不均匀的磁场 ，若原子处于5F 1态，试问原子束分裂成A.不分裂B.3条C.5条D.7条（19）（1997北师大）对于塞曼效应实验，下列哪种说法是正确的？A ．实验中利用非均匀磁场观察原子谱线的分裂情况；B ．实验中所观察到原子谱线都是线偏振光；C ．凡是一条谱线分裂成等间距的三条线的，一定是正常塞曼效应；D ．以上3种说法都不正确.3．计算题(1)分析4D 1/2态在外磁场中的分裂情况 .(2)原子在状态5F 中的有磁矩为0，试求原子在该状态的角动量.(3)解释Cd 的6438埃的红光(1D 2→1P 1) 在外磁场中的正常塞曼效应，并画出相应的能级图.(4)氦原子从1D 2→1P 1跃迁的谱线波长为6678.1埃,(a)计算在磁场B 中发生的塞曼效应(,用L 洛表示); (b) 平行于磁场方向观察到几条谱线？偏振情况如何？(c)垂直于磁场方向观察到几条谱线？偏振情况如何？(d)写出跃迁选择定则，画出相应跃迁图 .（5）H g 原子从6s7s 3S 1→6s6p 3P 1的跃迁发出波长为4358埃的谱线,在外磁场中将发生何种塞曼效应？试分析之.(6)计算H g 原子从6s7s 3S 1→6s7p 3P 2跃迁发出的波长为5461nm 的谱线,在外场B =1T 中所发生的塞曼效应（7）试举两例说明如何测量普朗克常数 .（8）处于2P 1/2态的原子在半径为r =5cm.载有I =10A 的线圈轴线上，原子和线圈中心之间的距离等于线圈的半径，求磁场对原子的最大作用力 .（9）处于正常状态下的氢原子位于载有电流I =10A 长直导线旁边，距离长直导线为r =25cm 的地方，求作用在氢原子上的力 .（10）若要求光谱仪能分辨在T 200.0=B 的磁场中钠原子谱线589nm （2P 3/2→2S 1/2）的塞曼结构，试求此光谱仪最小分辨本领δλλ. （已知：-15B T eV 10788.5nm ,eV 1240⋅⨯=⋅=-μhc ） （11）在Ca 的一次正常塞曼效应实验中，从沿磁场方向观察到钙的422.6nm 谱线在磁场中分裂成间距为0.05nm 的两条线，试求磁场强度. （电子的荷质比为1.75×1011C/kg ）（2001中科院固体所）；Ca 原子3F 2→3D 2跃迁的光谱线在磁场中可分裂为多少谱线？它们与原来谱线的波数差是多少（以洛仑兹单位表示）？若迎着磁场方向观察可看到几条谱线？它们是圆偏振光，线偏振光，还是二者皆有？（12）以钠原子的D 线为例，讨论复杂塞曼效应.。
原子物理学思考题
1.玻尔理论的核心是什么?其中那些理论对整个微观理论都适用?答：前提：电子绕核做圆周运动，二者是点电荷，二者的电场力提供向心力假设：定态假设（原子只能较长久地停留在一些稳定状态）、量子条件主要结果：原子内部能量量子化（能级）其中定态和量子条件理论对整个微观理论都适用。
2.为什么通常总把氢原子中电子状态能量作为整个氢原子的状态能量?答：因为原子核内部能量比较恒定，一般容易发生变化的是电子的状态能量，所以通常总把氢原子中电子状态能量作为整个氢原子的状态能量。
3.要确定一个原子的状态,需要哪些量子数?答：主量子数n、轨道角动量量子数l、自旋方向量子数ms、轨道方向量子数ml4.什么实验证明原子能量是量子化的?答：弗兰克-赫兹实验、光电效应、黑体辐射、康普顿效应1.量子力学是在什么基础上建立起来的?它与旧量子论的根本区别是什么?答：量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。
旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。
由于旧量子论不能令人满意，人们在寻找微观领域的规律时，从两条不同的道路建立了量子力学，分别是矩阵力学和波动力学。
2.微观粒子的状态用什么来描述?为什么?答：波动方程。
因为1924德布罗意从光的二象性推断微粒的波动性，并且由戴维孙和革末实验得到证实。
3.怎样理解测不准关系(或不确定原理)?答：测不准原理来源于物质的二象性。
既是微粒，有时波，这是微观物体表现出来的性质，所以测不准原理是物质的客观规律，不是测量技术和主观能力的问题。
4.用量子力学解氢原子问题得出哪些主要结果?这些结果与旧量子论有何区别与联系?这说明了什么问题?答：略1. 什么叫原子实？碱金属原子的价电子的运动有何特点？它给原子的能级带来什么影响？答：原子中，原子核和除价电子以外的内层电子组成原子实。
运动特点：原子实的极化，轨道在原子核中的贯穿。
在磁场中原子作用与效应
EM4ghm eBMgBB
光谱项差： T hEcM4gemBcMgL
洛仑兹单位：
L
e
B0.47 cm 1B
4mc
结论:
1.原子在磁场中所获得的附加能量与B成正比；
2.因为M取(2J+1)个可能值,因此无磁场时的原子
的一个能级,在磁场中分为(2J+1)个子能级。
3.分裂后的两相邻磁能级的间隔都等于 gBB
当沿磁场方向观察时,中间的 成分看不到,
只能看到两条 线,，它们都是圆偏振的。
垂 直 于 磁 场 方 向 观 察
沿 着 磁 场 方 向 观 察
在 投 影 仪 下 观 察
2.反常塞曼效应
双重或多重结构的原子光谱,在较弱的 磁场中,每一条谱线分裂成许多条分线。
无磁场
在垂直 于B方向 B 观察
沿 B方 向观察
绕B连续进动的现象。
L0μJHμJB L
dP dt
旋进角速度:
L
d
dt
μJ PJ
B
L
g e BH,
2m
旋进频率：
L
L 2
H 2
0 ge
2m
B
d B
dP µJ
PJ
µJ
µJ
PJ
dP µJ
Pj绕磁场旋进示意图
d
二、原子受磁场作用的附加能量
EJBcos
Eg2empJBcos
pJ cosM2h
磁量子数： M J,J 1 , J 共（2J+1）个
BB
Cd6438Å
5896
5890
Na
锌的单线
正常三重线 锌的正常塞曼效应
钠主线系的双线
原子物理学——外磁场对原子的作用
§6.2 外磁场对原子的作用一、拉莫尔旋进如图所示，具有磁矩的原子在磁场中将受到力矩的作用：B L J ⨯=μ力矩的作用改变物体的角动量：dt P d L / =J J P L ,μ⊥⇒J P P d ⊥⇒J P 只改变方向⇒J P 绕B 旋进⇒拉莫尔旋进。
旋进角速度：B L γω=旋磁比：m ge 2/=γ旋进频率：πγν2/B L =二、原子在外磁场中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：B E J ⋅-=∆μαμcos B J -=βcos 2J BP me g = J P 在外场中的取向是量子化的⇒β是量子化的⇒J P 在外场方向的分量βcos J P 是量子化的。
πβ2cos h M P J = J J J M --= ,1,----磁量子数M 共有12+J 个取值，说明J P 在空间有12+J 个取向。
π2h m L lz = l l l m l --= ,1,，共12+l 个 π2h m S s z = 21±=s m ，共12+s 个，21=s B MgB mhe MgB h BM m e g E μππ===∆422 hcT E -= T hc E ∆-=∆MgL mce MgB hc MgB T B ===∆πμ4/ mc Be L π4=----兹仑兹单位。
例2 计算求下列能级的分裂情况：(1)11P (2)2/32P(3)2/14D 解：(1) 11P ：1=g ， 1,0±=J M B B J B gB M E μμ]1,0,1[-==∆(2) 2/32P ：34=g ， 21,23±±=J M B B J B gB M E μμ]2,32,32,2[--==∆ (3) 2/14D ：0=g ， 21±=J M 0==∆B J gB M E μ。
第3章 原子物理_外磁场对原子的影响
4 2
四.拉莫尔旋进的应用 1. 拉莫尔旋进是物质具有抗磁性的根源。
2. 原子核也具有磁矩，在外磁场中会产生
旋进。 测定核子旋进角速度，便可确定外磁场 ---核子旋进磁力仪的原理。
3. 原子在静磁场中做拉莫尔旋进，再外
J 的计算：
其中 2 2 2 PJ PL PS cos PL , PJ 2 PJ PL 2 2 2 PJ PS PL cos PS , PJ 2 PJ PS
PL PS PJ
L L 1 S S 1 J J 1
3.应用
（1）研究有机化合物的分子结构。 （2）核磁共振成像（NMRI）技术。
（3）核磁测井。
3.5 光泵磁力仪的工作原理
（综合： 塞曼效应 磁共振和光泵技术）
一.光泵磁力仪的结构
H 氦灯 放 大 器 光敏元件 透镜1 偏振片 1/2波片 氦吸收室 透镜2
射频振荡器
1.氦的单色圆偏振光射入氦吸收室
dt
由 且
M J B sin M PJ sin L sin sin
所以 令
J 0 ge L B H H PJ 2m 0 ge ---旋磁比 2m
旋进频率： 三、旋进方向
L H L 2 2
旋进角动量的方向在任何情况下都
解释：在辐射过程中，原子和发出的
光子的总角动量（及其在外磁场方向
的分量）守恒。
M 1
右旋圆偏振
P 光传播方向
L 光的角动量方向
强电、磁场效应中的氢及类氢原子
强电、磁场效应中的氢及类氢原子强电、磁场效应是指外加的静电场、静磁场和交变电磁场的场强大到已不能作为微扰时对原子分子体系的物理和化学性质的影响。
实验表明髙激发态里德伯原子的能级特性与外场异常敏感而且复杂。
而理论研究也很困难，在弱外场下，可用微扰法求解薛定谔方程计算能级的劈裂、移动和展宽，得到与实验一致的结果。
强外场下就不能用微扰法，需要严格求解含外场的薛定谔方程，这变得很困难。
这种困难主要在于外场的静电力、洛伦兹力和核的库仑力具有各自不同的对称性。
大多数理论计算仍集中在氢原子，或以氢原子为模型的适当修正，如碱金属原子。
由于在均匀外电场中的哈密顿量在抛物坐标中变量是可分离的，相对计算容易一些。
本文简单的记述国内关于强电、磁场中氢以及类氢原子的部分研究。
一、强电场中的氢及类氢原子高激发态里德伯原子在电场下行为主要有电离和斯塔克效应这两方面的情况。
由于氢原子和类氢离子基态s电子波函数是球对称的它的点和分布中心和原子核是重合的。
可以证明：任意一个具有确定角动量量子数l态的固有电偶极矩也为零。
但是每一个n≠1的激发态，由于对l是简并的，不同l态线型叠加的结果使固有电偶极矩不为零。
对其他多电子原子，如碱金属原子，由于轨道贯穿和极化效应，使能级对l的简并破坏，它们的固有电偶极矩也为零。
在均匀电场作用下，原子被计划，电子云中心不再与核重合，原子还能产生电偶极矩。
除了原子具有的固有电偶极矩d0之外，外场诱导的电偶极矩d1正比于场强E。
原子具有的总电偶极矩d= d0+ d1，在外电场强度E作用下产生的能级分裂为?Ee=-d*E，这就是斯塔克效应。
关于类氢原子在强电场中的电离[1]，前人有过研究。
方法是分离变量，即恒电场下类氢原子的薛定谔方程在旋转抛物座标下形式上分离变量，得到如下联立常微分方程：联立条件为。
其中，E为能量，Z为原子序，为电场强度，使用原子条件。
零边界条件为，。
在方向，；在方向远端渐进解包含出射波和入射波振幅为零。
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磁场对原子能级的影响
磁场是指能表示磁场的物理量组成的力场，是由电磁相互作用产生的，是磁性质的体现。
磁场对原子能级的影响可以看作是物理量的深层结构，也可以看作是磁性状态的调节。
由于磁性作用，原子受到磁场的影响后可以产生能级变化，此时称为原子磁性调节，是对原子和分子中能级构造的调整。
磁场作用下，原子核和电子绕它正转，原子在磁场中受到磁力作用，因此电子在原子核周围施加磁场，影响其能级构造，引发了其能级的调整。
原子易受外界磁场的影响，其能级的变化可以得到直接的观察，磁场的强度增强则能级的调整力量加强，降低磁场强度可以使原子能级发生反向变化。
磁场变化时，能级变化也会相应地发生变化，原子核中受磁力影响的电子能级，其变化率会比大小电子能级变化率要快得多。
而且，磁场给原子轨道添加的破坏作用会变得更强，这就意味着，当磁场强度增强的时候，原子轨道的能级变得更脆弱。
另外，磁场力也可改变原子离子辐射，影响离子数的变化，磁场的强弱也会随离子的种类而变化。
以上这些原子能级构造的变化，使得磁场对原子能级的影响越发明显，给物理研究带来了便利。
经过这些分析，我们可以清楚地认识到，磁场是原子能级构造的一个重要组成部分，对于原子能级的研究十分重要。