1、X射线,X射线发射谱：原子的内层电子因外来因素失去一 个电子，留下一个空穴，外层电子跃迁至该空穴，发 射一个光子。频率一般在X射线波段，形成X射线的发 射谱。,X射线吸收谱：原子的内层电子吸收外来的X射线光子 被电离，形成了X射线吸收谱。,一、原子X射线能级,1、X射线的发现,一种常用的X射线管的示意图,一般是几万伏到几十万伏,1895年11月8日，伦琴做阴极射线实验时发现X射线。,为了确证这一新射线的存在，并了解它的特性，伦琴用 了6个星期深入研究这一现象，于1895年底公布了他的发 现，并把它称为X射线，因为他当时无法确定这一新射线 的本质。,1912年，劳厄才从晶体衍射的新发现判定X射线
2、是频率 极高的电磁波。 随后，莫塞莱证实它是由于原子中内层电子跃迁所发出 的辐射。,由于X射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和 薄金属中的缺陷，在医疗上和金属检测上有重大的应用 价值。,2. X射线的衍射,1912年，冯劳厄发现X射线通过晶体时会产生衍射现象， 这就同时证明了X射线的波动性和晶体内部具有周期性。,由各层面上反射的射线，如果满足干涉极大值条件，即相邻光线光程差是波长的整数倍：,就形成一束强度为极大的衍射线。上式称为布喇格公式。,X射线的标识谱和原子的电离能级,下图是产生X射线的能级示意图：,标识谱,L,K,K,LI,LII,LIII,2S1/2,2S1/2,2P1/2,2P
3、3/2,原子的x射线发射谱是线状谱，其频率由原子结构的特点所决定，所以又叫原子的标识谱。,n=1,n=2,n=3,n=4,n=5,低能级失去一个电子，高能 级的电子跃迁到低能级放出 电磁波形成了X射线。,镉 原 子 X 射 线 能 级,镉原子的电离态的能级（限于一个电子被电离），这 种电离能级又叫X射线能级。最上面一个能级左端所标 的K，指的是一个K电子（1s电子）被电离的能级，268 keV 表示电子的电离能，即在中性镉原子中将一个1s电 子电离所需的最低能量。下面L指一个L层电子被电离的 能级。,镉的基态最外层是5s2组态，能级O是一个5s电子被电 离的能级，电离能8.99eV，能级符号2
4、S1/2。在基态与O 态之间就是普通一个价电子被激发的光学能级。在O能,二、原子的X射线吸收谱,级之上是一组5个能级，能量在13112eV之间。它们是一个n=4的内层电子（4s，4p或4d）被电离后的能级。,2D3/2,2D5/2,N,NV,4d9,用频率(光子能量)可调的x射线照射原子，当光子能量由小到大增加到某一X射线能级的能量(电离能阈值)时，原子即可吸收此光子，并从基态跃迁到相应的X射线能级。实际上是光电离过程，随着光子的吸收，相应壳层中的一个电 子被击出。,磁场中的原子,电子轨道运动的磁矩,6.1、原子的磁矩,其中：gl=1 为轨道磁矩 g 因子。,P119-125,磁矩大小:, 玻
5、尔磁子,磁矩空间取向量子化,电子自旋磁矩,磁矩大小:,二、单电子原子的总磁矩,总磁矩,写成：,磁矩大小:,单电子,自旋s = 1/2,三、多电子原子的磁矩,原子总磁矩仍表示为:,LS耦合：,jj耦合(两个电子),解：,一、拉莫尔(Larmor)进动我们用经典物理的方法，分析原子的微观磁矩J在外磁场B中的运动。这种外磁场的作用总是力图使J与B方向一致，因为这种取向时势能最小。但是在原子中，磁矩J与角动量J相联系，这样，在它们自己轨道上运动的电子(其角动量设为J)受到力矩N的作用：,6.2 外磁场对原子的作用,由于J与J方向相反，因此dJ垂直于B、J所构成的平面，如图，这将引起J绕B的转动(进动)
6、称为拉莫尔进动。,对比理解：陀螺,计算进动的角频率,力矩N的大小,一个粒子的磁矩与角动量之比称为旋磁比,由于原子在磁场中附加了拉莫尔旋进，会使其能量发生 变化。旋进角动量叠加到J在磁场方向的分量上，将使系 统能量增加(J与B方向一致)，或使系统能量减少(J与B方 向相反)。,dJ,二、原子受磁场作用的附加能量,外磁场的作用比原子内部轨道磁矩与自旋磁矩的耦合弱.,与外磁场耦合产生附加能量:,在外磁场中,原子的能级分裂成 个,间隔为,例: 在磁场中能级的分裂情况,分裂为四个能级，裂距,三、史特恩盖拉赫实验的结果的再分析,N,S,银原子束通过非均匀磁场时将分裂成两束,结果:偶分裂.,实验结果解释,原
7、子束偏离原方向的横向位移为,应为 在 方向的分量 :,有 个值，因而有 个条纹。,基态原子最外层为s 电子，原子态：两个条纹！,进一步开辟原子束,分子束实验新领域,开创了新 的技术。,一、实验事实,1.塞曼效应现象,1896年，荷兰物理学家塞曼发现：若把光源放入磁场中，则一条谱线就会分裂成几条，且分裂后的谱线成分是偏振的，这种现象称为塞曼效应。,6.3 原子光谱的塞曼效应,正常塞曼效应：一条谱线在外磁场作用下，分裂为等间隔的三条谱线。相应于单态谱线在外磁场中的分裂称之为正常塞曼效应。,反常塞曼效应：除正常塞曼效应外的塞曼效应。相应于非单态谱线在外磁场中的分裂称之为反常塞曼效应。,1902年，洛
8、仑兹、塞曼获诺贝尔物理学奖,二、理论解释,1.基本理论,设无磁场时，有两个能级 ，它们之间的跃迁将产生一条谱线：,若加外磁场，则两个能级各附加能量 ,使能级发生分裂，所以光谱为：,将频率差转为波数差:,磁能级之间的跃迁选择定则产生 线(但 时 除外),产生 线,2. 镉6438.47埃的塞曼效应,借助格罗春图计算波数的改变：,M 2 1 0 -1 -2,M2g2 2 1 0 -1 -2,M1g1 1 0 -1,（M2g2 - M1g1）=,0 0 0,-1 -1 -1,1 1 1, ,有磁场,Cd6438的正常塞曼效应跃迁图,3. Na原子5890埃和5896埃双线的塞曼效应,这两条线对应的跃
9、迁是：,在外磁场中2P3/2分裂为四个塞曼能级， 间距为4 BB /3；,2P1/2分裂为二，间距为 2BBo/3 ； 2S1/2分裂为二，间距为 2BBo,M 1/2 -1/2,M2g2 1/3 -1/3,M1g1 1 -1,（M2g2 - M1g1）=,-2/3 2/3,-4/3,4/3,借助格罗春图计算波数的改变：,2P3/2,2S1/2,M 3/2 1/2 -1/2 -3/2,M2g2 6/3 2/3 -2/3 -6/3,M1g1 1 -1,-1/3 1/3,-5/3 -3/3,3/3 5/3,3S,3P,不考虑自旋,考虑自旋,在磁场中, ,5896,5890,5896,5890,58
10、93,为了说明塞曼谱线的偏振，复习一下电磁学中偏振及角动量方向的定义。 对于沿Z方向传播的电磁波，它的电矢量必定在xy平面(横波特性)，并可分解为Ex和Ey :,当=0时，电矢量就在某一方向做周期变化，此即线偏 振；当=/2，A=B时，合成的电矢量的大小为常数， 方向做周期性变化，矢量箭头绕圆周运动，此即圆偏振。,下面定义右旋偏振和左旋偏振：若逆着z轴对准光传播方 向观察见到的电矢量作逆时针转动，称右旋(圆)偏振； 假如见到的电矢量作逆时针转动，则称为左旋(圆)偏振。,可以测量 S,L, J, g 等参数,可获得原子态的重要资料,塞曼效应是研究原子结构的重要途径之一。,塞曼效应的意义,例 、,
11、三、强磁场的作用,在以上处理原子塞曼效应问题时，均假定外加磁场比较弱，不影响原子内部的相互作用。如果外加磁场影响了原于内部作用，就需另作研究。下面分两种情况来讨论：忽略超精细结构和考虑超精细结构的情况。,忽略超精细结构的情况：,价电子在原子中受到的作用：等效有力场作用，价电子间非有心电相互作用和原子内部的磁性相互作用。,LS 耦合:,外场强弱是相对的,强磁场情况,自旋轨道耦合被破坏,强磁场虽然破坏了LS耦合，但各电子间的轨道角动量、自旋角动量的耦合仍然存在，L,S量子数仍然有意义，而总角动量J不再有意义。,轨道磁矩、自旋磁矩与强磁场作用，产生的能级分裂为：,选择定则：,当,当,谱线分裂为三条。
12、 正常塞曼分裂谱线也为三条，但两者产生的机理不同。,这种强场下的塞曼效应又称帕邢贝克效应,强、弱外磁场说明：,例题：已知锂原子主线系第一条谱线由两条精细谱线A组成，试问当外磁场为B=3.2T 时，产生何种效应，能级分裂的裂距？,解:,此能量也可理解为电子自旋磁矩与电子轨道运动产生的内磁场间的作用所致。,可见，表现为帕邢-贝克效应。在磁场中，能级的裂距 波数表示：,对钠原子主线系第一条谱线由两条精细谱线A组成，同理可计算出内磁场约为18T。,四、有超精细结构时的塞曼能级分裂,以氢原子及碱金属原子基态2S1/2在磁场中的行为为例。,核磁矩,弱磁场：,当外磁场较强，磁场引起的分裂远大于超精细分裂,附加能量：,原子的磁性,本章小结,原子光谱的塞曼效应,正常塞曼效应 电子发生跃迁前后两个原子态的总自旋都为零的谱线称为单态谱线，单态谱线分裂为三条的现象称为正常塞曼效应。,只有不具有精细结构的光谱线（即单线）才表现出正常 塞曼效应,一定要学会计算正常塞曼效应能级和跃迁图,一定要学会计算反常塞曼效应能级和跃迁图,
