自旋角动量与自旋磁矩
电子自旋共振(射频) (340)
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级：应用物理学09-2班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师：电子自旋共振（射频）一、基础知识原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋角动量为() 1+=S S p S （7-2-1）其中S 是电子自旋量子数，2/1=S 。
电子的自旋角动量S p 与自旋磁矩S μ间的关系为()⎪⎩⎪⎨⎧+=-=12S S g p m e g B SS e Sμμμ（7-2-2） 其中：e m 为电子质量；eB m e 2=μ，称为玻尔磁子；g 为电子的朗德因子，具体表示为 )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （7-2-3）J 和L 为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数，S L J ±=。
对于单电子原子，原子的角动量和磁矩由单个电子决定；对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。
含有单电子或未偶电子的原子处于基态时，L=0，J=S=1/2，即原子的角动量和磁矩等价于单个电子的自旋角动量和自旋磁矩。
设g m ee2=γ为电子的旋磁比，则 S S p γμ= （7-2-4）电子自旋磁矩在外磁场B （z 轴方向）的作用下，会发生进动，进动角频率ω为B γω= （7-2-5） 由于电子的自旋角动量S p 的空间取向是量子化的，在z 方向上只能取m p z S = （S S S S m -+--=,1,,1, ）m 表示电子的磁量子数，由于S =1/2，所以m 可取±1/2。
电子的磁矩与外磁场B 的相互作用能为B B B E z S Sγμμ21±==⋅= （7-2-6）相邻塞曼能级间的能量差为B g B E B μγω===∆ （7-2-7）如果在垂直于B 的平面内加横向电磁波，并且横向电磁波的量子能量 ω正好与△E 相等时，即满足电子自旋共振条件时，则电子将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生电子自旋共振。
电子自旋与磁性材料的关系
电子自旋与磁性材料的关系自旋是重要的量子力学概念之一，它描述了粒子的固有旋转特性。
电子的自旋是一种如同地球自转的物理特性，它具有磁性。
而磁性材料是在外界磁场的作用下会发生磁化现象的物质。
本文将探讨电子自旋与磁性材料之间的关系。
首先，我们来了解一下自旋的基本性质。
电子自旋可以有两种取向，即顺时针旋转和逆时针旋转，分别表示为上自旋和下自旋。
这两种取向可以分别用+1/2和-1/2来表示。
在自旋理论中，上自旋和下自旋对应了两种不同的自旋态，即自旋向上和自旋向下。
自旋与磁性的联系可以从磁矩的角度来理解。
磁矩是一个物质内部的微观磁场来源，它类似于一个微小的磁针。
电子的磁矩正比于其自旋，而自旋又正比于其自旋角动量。
因此，电子的自旋与其磁矩之间存在着直接的关系。
在磁性材料中，电子自旋的相互作用起到了重要的作用。
磁性材料中的电子自旋可以通过相邻原子间的相互作用而相互耦合，形成磁性区域，这种现象被称为自旋耦合。
自旋耦合可以使得磁性材料具有一定的磁性，例如铁、镍等金属。
不同种类的磁性材料具有不同的自旋结构。
最简单的自旋结构是铁磁结构，其中自旋向上和自旋向下的电子呈现一定的有序排列。
铁磁结构的典型代表是铁磁体，它在外界磁场的作用下呈现明显的磁化特性。
除了铁磁体，还存在着其他类型的磁性材料，如反铁磁体和顺磁体。
反铁磁体中的自旋方向是有序的，但相邻的自旋方向是相反的；而顺磁体中的自旋方向是随机的，没有明显的有序排列。
电子自旋与磁性材料之间的关系不仅仅体现在材料的宏观磁性上，还体现在材料的电学性质上。
例如，磁性材料中的电子自旋可以影响电子的运动方式和能级结构，从而改变材料的电导率和磁电耦合效应。
磁电耦合效应是指在外加磁场下，材料的电性能发生变化的现象。
这种现象在磁电存储器等领域有重要应用。
通过控制电子自旋的变化，可以实现对材料电性能的调控，进而实现对磁电存储器等器件的控制和优化。
总结而言，电子自旋与磁性材料之间存在着密切的关系。
电子自旋角动量和自旋磁矩PPT文档共44页
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36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱Fra bibliotek——拉罗什福科
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39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
电子自旋角动量和自旋磁矩
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
电子自旋共振 实验报告
电子自旋共振【实验原理】1. 电子的轨道磁矩和自旋磁矩电子的轨道磁矩为2l le e P m μ=-l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。
轨道角动量和轨道磁矩分别为l l P μ== 电子的自旋磁矩s s e e P m μ=-s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。
自旋角动量和自旋磁矩分别为s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍。
对于单电子的原子，总磁矩jμ与总角动量jP 之间有j j e e gP m μ=-其中()()()()111121j j l l s s g j j +-+++=++。
对单纯轨道运动g 为1，对于单纯自旋运动g 为2。
引入旋磁比γ，即有j j eP e gm μγγ==-在外磁场中jP 和jμ都是量子化的，因此jP 在外磁场方向上投影为()(),1,,1,2π==----z mhP m j j j j相应的磁矩jμ在外磁场方向上的投影为()(),1,,1,2γμπ==----z mhm j j j j由以上公式可得4z Bemgehmg m μμπ=-=-4B e ehm μπ=为玻尔磁子2. 电子自旋共振（电子顺磁共振） 由于原子总磁矩jμ的空间取向是量子化的，因此原子处在外磁场B 中时，磁矩与外磁场的相互作用也是量子化的，为2j B mhBE B mg B γμμπ=-=-=- 相邻磁能级之间的能量差为2hB E γπ∆=当向能量差为20hB E γπ∆=的原子发射能量为20hB h γνπ=光子时，原子将这个光子跃迁到高磁能级，这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象，磁能级分裂是由电子自旋提供的就是“电子自旋共振”。
因此，电子自旋共振条件是光子的圆频率满足B ωγ=3. 电子自旋共振研究的对象如果分子中的原子所有的电子轨道都已成对填满了电子，自旋磁矩为0，没有固有磁矩，不会发生电子自旋共振。
量子力学复习题
量⼦⼒学复习题量⼦⼒学复习题(2013)⼀、填空题1. 在空间发现粒⼦的概率密度为_________；概率流密度为_______________。
2. 波尔的量⼦化条件为。
3. 坐标和动量的测不准关系是___________________________。
4. 德布罗意关系为。
5. 对氢原⼦，不考虑电⼦的⾃旋，能级的简并度为________________，考虑⾃旋但不考虑⾃旋与轨道⾓动量的耦合时，能级的简并度为________________，如再考虑⾃旋与轨道⾓动量的耦合，能级的简并度为__________________。
6. ⽤来解释光电效应的爱因斯坦公式为。
7.σ为泡利算符，2σ= ，2,z σσ??=?? ，,x y σσ?= 。
8. 波函数的统计解释为。
9. 隧道效应是指__________________________________。
10. 波函数的标准化条件为。
11. ()(,)nlm nl lm R r Y ψθ?=为氢原⼦波函数，,,n l m 的取值范围为。
12. 表⽰⼒学量的算符应满⾜的两个性质是。
13. 乌伦贝克和哥德斯密脱关于⾃旋的两个基本假设是 _____________________。
14. 厄⽶算符的本征函数具有，其本征值为，不同本征值对应的本征函数。
15.[],x x p = ，,y x L L ??=?? ，[],x L y = 。
16. 在z σ表象中，x σ的矩阵表⽰为，x σ的本征值为，对应的本征⽮为。
17. 若两⼒学量,A B 有共同本征函数完全集，则[],A B = 。
18. ⾃旋⾓动量与⾃旋磁矩的关系为。
19. 在定态的条件下，守恒的⼒学量是。
20. 原⼦电偶极跃迁的选择定则为。
21. 设体系处在|ψ?态，在该态下测量F 有确定值λ，则表⽰该⼒学量的算符?F与态⽮量|ψ?的关系为。
22. 轨道磁矩与轨道⾓动量的关系为，⾃旋磁矩与⾃旋⾓动量的关系为。
自旋角动量和核磁矩与外磁场方向相同
纵向磁化矢量，用Mz表示，磁化矢量
（M）在xy平面上的投影（横向分量）
称为横向磁化矢量，用Mxy表示。
9
9
三、磁化矢量和弛豫
纵向弛豫（longitudinal relaxation），又称为自旋-晶格弛豫，M在z轴方 向的分量Mz逐渐增大到M0的过程。它反映了自旋核体系和其周围环境中（ 分子结构内，周围溶剂）存在的其他各类磁性核之间的能量交换。
4
二、自旋角动量与核磁距
自旋的原子核具有一定的自旋角动量(P, spin angular
momentum)。自旋角动量是量子化的，其大小可用公式表示：
P h I (I 1) 2π
式中h为Planck（普朗克）常数（56.6261×10-34 J·S）；I 为自旋量
子数。
5
二、自旋角动量与核磁距
I = 1/2的原子核，电荷具有均匀的球形分布，它们的核磁共振谱线窄，宜于 检测，是目前核磁共振研究的主要对象。 3
3
一、原子核的磁性
核自旋量子数I与不同的原子质量和原子序数的组合
I 零 整数 半整数
半整数
原子质量 偶数 偶数 奇数
奇数
原子序数 偶数 奇数 奇数
偶数
4
原子核例子 16 8O(0)，12 6C(0)，34 16S(0) 2 1H(1)，14 7N(1)，10 5B(3) 1 1H(1/2)，15 7N(1/2)，3 1H(1/2), 19 9F(1/2)，31 15P(1/2) 13 6C(1/2)，17 8O(1/2)，29 14Si(1/2)
横向弛豫，又称为自旋-自旋弛豫，M在xy平面上的分量逐渐消失（Mxy→0 ）的过程。是由于自旋核体系中相邻的磁性核之间的自旋态交换而实现的， 自旋核体系中高低能态核的分布数没有改变，体系总能量未改变，但是进动 相位则因自旋态交换而围绕外磁场方向逐渐均匀分散。 10
原子核的磁矩与自旋的测量方法
原子核的磁矩与自旋的测量方法原子核是构成原子核的质子和中子所组成的基本粒子。
原子核具有磁性，其磁性主要表现为磁矩和自旋。
磁矩是一个矢量，它描述了原子核在外磁场下的磁性行为；自旋则是原子核固有的旋转角动量。
磁矩和自旋的测量方法对于研究原子核性质以及应用于核磁共振成像等领域具有重要意义。
本文将介绍原子核磁矩和自旋的测量方法。
一、原子核磁矩的测量方法原子核磁矩的测量方法主要有核磁共振方法和质点外差方法两种。
核磁共振(NMR)是利用原子核的磁矩与外磁场相互作用，通过检测原子核吸收或发射电磁波的谱线来测量原子核磁矩的方法。
核磁共振通过在外磁场中对样品进行激励，使样品中原子核的磁矩与外磁场共振，从而通过检测共振信号来测量原子核磁矩的大小。
核磁共振方法被广泛应用于化学、生物、医学等领域，例如核磁共振成像(NMR imaging)。
质点外差方法是利用原子核磁矩与外磁场共振时引起质点(M)的磁矩(Magnetic Particle)位置变化的方法。
即通过测量由于样品中原子核的磁矩与外磁场共振而引起质点磁矩的位置或运动变化，从而间接测量原子核磁矩的大小。
质点外差方法相比核磁共振方法更适用于测量高磁场下的原子核磁矩，因为在高磁场下，核磁共振信号往往很弱。
二、原子核自旋的测量方法原子核的自旋是原子核固有的旋转角动量，对于某一种原子核，其自旋是固定的，不随外界条件改变。
目前，测量原子核自旋的方法主要有原子光谱法、核磁共振方法和光学自旋共振法。
原子光谱法是利用激光等电磁波对样品中的原子核进行激发，通过观察激发态和基态原子核的辐射谱线来测量原子核自旋的方法。
原子光谱法通常适用于自旋量子数较低的原子核研究，对于高自旋量子数的原子核，该方法可行性较低。
核磁共振方法也可以用于测量原子核自旋。
核磁共振方法通过检测原子核在外磁场中的共振现象，测量原子核的自旋量子数。
核磁共振方法在实验上实施较为简单，且精度较高，是测量原子核自旋的常用方法。
二价铁离子总磁矩
二价铁离子总磁矩二价铁离子总磁矩是指二价铁离子在外加磁场下所表现出的总磁性。
为了理解二价铁离子总磁矩的形成，我们需要先了解一些基本概念和原理。
一、基本概念1. 电子自旋：电子具有自旋角动量，可以看作是电子自身围绕轴心旋转所产生的现象。
电子自旋有两个取向，即自旋向上和自旋向下。
2. 电子轨道角动量：电子在原子核周围运动形成的轨道称为电子轨道。
电子轨道角动量是指电子在轨道运动时所具有的角动量。
3. 磁偶极矩：由于电荷的运动而产生的磁性称为磁偶极矩。
一个物体的磁偶极矩与其内部带正负相等、大小相等但方向相反的两个点电荷之间的距离和它们之间的连线垂直于这些点上。
4. 总磁矩：一个物体在外加磁场下所表现出来的总磁性称为总磁矩。
总磁力可以分为两部分，即轨道磁矩和自旋磁矩。
二、二价铁离子总磁矩的形成1. 轨道磁矩：二价铁离子的电子在原子核周围的轨道运动形成了电子轨道角动量，从而产生了轨道磁矩。
轨道磁矩的大小与电子轨道角动量成正比。
2. 自旋磁矩：二价铁离子的电子具有自旋，即自旋向上和自旋向下。
自旋向上和自旋向下的电子分别具有相反的自旋角动量，并且它们之间存在着相互作用。
这种相互作用使得自旋向上和自旋向下的电子在外加磁场下产生了自旋磁矩。
自旋磁矩的大小与电子自旋角动量成正比。
3. 总磁力：二价铁离子总共有5个d电子，其中4个是未配对电子。
未配对电子会产生额外的总轨道角动量和总自旋角动量。
根据洪特规则（Hund's rule），总轨道角动量和总自旋角动量取最大值，从而使得总磁力最大。
三、计算二价铁离子总磁矩的方法1. 轨道磁矩的计算：轨道磁矩的大小可以通过以下公式计算：μL = -√(L(L+1)) × μB其中，μL为轨道磁矩，L为电子轨道角动量量子数，μB为玻尔磁子。
2. 自旋磁矩的计算：自旋磁矩的大小可以通过以下公式计算：μS = -2 × √(S(S+1)) × μB其中，μS为自旋磁矩，S为电子自旋角动量量子数，μB为玻尔磁子。
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7
位移电流
位移电流
d E B ds 0 I enc 0 0 dt I d ,enc dE 0 dt
0 enc
B ds I
0 I d ,enc
B 0 J 0 J d
B 0 J 0 J d 0
Jd t
8
E Jd 0 t
B E t
2 B J d 0 2 t
位移电流的旋度对应磁场的二阶变化
• 当磁场变换缓慢时位移电流的效应不容易观测到
9
Maxwell方程
积分形式
E dA
微分形式
Qe
0
B E ds t
• 外磁场越强磁化强度越大
• 有饱和现象：所有磁矩都以最大排序
温度让原子磁矩无序
• 温度越高磁化强度越小
M C Bext T
C 居里常量
16
磁性材料 铁磁性材料
• 材料原子具有强磁矩 • 由于临近原子的相互作用局域磁矩会排序（磁畴）
17
磁滞回线
外磁场增加时材料 磁场增加
增加后降低外磁场 至零时材料磁场并 不减为零
B dA 0
e E 0
B 0
E B ds 0 0 0 I e t
B E t
E B 0 0 0 J e t
10
自旋角动量与自旋磁矩 电子具有固有角动量，称自旋角动量 S
• 自旋在此处只是一个名字，不意味着电子在转
• 自旋角动量是矢量 • 由于量子效应完整的自旋角动量无法测量
• 自旋角动量沿特定方向的投影可以测量，并且是量子 化的
S z ms 1 ms , 普朗克常数 2
• 此时垂直与该方向的自旋分量是不定的
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自旋角动量与自旋磁矩 自旋磁矩
s, z
玻尔磁矩
e e Sz m 2m
e B 9.27 1024 J / T 2m 外场中磁矩的势能
U s B
12
轨道磁矩
当电子绕核转动时
• 具有轨道角动量 • 具有轨道磁矩
orb iA
• i 电流， A 面积
i
e 2 r / v
A r2
orb
evr 2
• 角动量
Lorb m r v
E
E dA
qenc
0
4
感应磁场
法拉第定律
dB E ds dt 类比：是否电通量的变化可产生磁场 d E B ds 0 0 dt
5
安培定律
B ds I
安培-麦克斯韦定律
0 enc
d E B ds 0 I enc 0 0 dt
6
自洽性的恢复
d E B ds 0 I enc 0 0 dt E B 0 J 0 0 t E B 0 J 0 0 t 0 0 0 E t t
0
E 0
预习：34章
21
积分形式
D E, H
e
1
B
D dA Q
B dA 0
微分形式
B E ds t
D H ds Ie t
D e
B 0
B E t D H Je t
20
作业：32章 习题1，11，21，27，33
Lorbቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ mrv
e Lorb 2m
13
orb
磁性材料
抗磁性材料
• 来源：楞次定律 • 这样的材料一般 合磁矩为零 • 通常很弱
14
磁性材料
顺磁性材料
• 合磁矩不为零 • 在外磁场的作用下原子磁矩会根据外磁场排序
15
磁化强度：单位体积的磁偶极矩
M 磁偶极矩 V
外磁场让原子磁矩排序
自洽性丧失
J t
B 0 J
B 0 J 0 t 0
电荷密度非稳定分布时上式不成立
• 非稳定电流 • 流守恒方程修改余地小 • 磁场旋度方程是否可以修改？
3
磁场的高斯定律
无磁单极
B
电场
B dA 0
温度升高至某临界 温度（居里温度） 时材料转变为顺磁 材料
18
磁性介质的一般描述 磁化强度（各向同性线性介质）
M 1
磁场强度
H 1
0
m B
1
介质磁导率
1 0 1 m
0
BM
0
1 m B
1
H
B
有介质时的安培环路定律
H dl
I
19
有介质时的Maxwell方程
物质的磁性与Maxwell方程
李晟
2012.10
磁场的旋度
电荷连续性方程：电流密度和电荷密度之间有关系
J t
法拉第定律，对于电流有
B ds I
0 enc
B dA
考虑到环路的任意性，则有
0 J dA
B 0 J
2