角动量和磁矩

如题所述

第1个回答  2022-07-08
电子因轨道运动而具有磁矩:

考虑到:

改写为:

这里引入了因子(朗德因子) ,

对轨道运动而言,

因为电子还具有自旋运动, 自旋也会导致电子具有磁矩,

回到电子的轨道磁矩,

角动量 在 方向的投影 ,

在 方向上的取值为,

这里 是玻尔磁子(Bohr magneton), 即磁矩也是量子化的, 对电子而言, 其最小单位是玻尔磁子,

类似地,还可以定义核磁子(Nuclear magneton)

磁矩 , 在磁场 中, 能量是:

磁矩 在磁场中的力矩 ,

利用

i.e.,

解出:

对轨道运动而言, ,

是电子做轨道运动时的进动频率, 也叫拉莫频率(Larmor frequency)。

更一般地,可写为:

比如,对自旋运动,

回到公式,

可改写为,

这里的因子 叫旋磁比(Gyromagnetic ratio),

对电子而言, 自旋朗德因子, 使用量子电动力学计算:

得到,

已知炉温600K,非均匀磁场强度 , 磁铁长度 , 磁铁到屏的距离是 , 估算银原子在屏上的分裂 。

首先估算银原子的速度,

银原子质量数 ,

银原子飞跃磁铁的时间:

银原子磁矩,

磁矩在 轴的投影,

这里 ,

在非均匀磁场中的受力,

银原子在垂直方向的加速度,

在垂直方向获得的速度,

张角,

银原子偏转,

考虑到银原子对称地向上、向下偏转,条纹间距为:

由于电子自旋运动朗德因子 和电子轨道运动朗德因子 不同, 导致电子总角动量 和电子总磁矩 不共线。

这个求和首先是向量求和,其次它们都是量子力学算符,应在量子力学意义下予以研究。由于知识的欠缺,我们先半经典地研究角动量的相加。

, , 三个向量一起构成一个三角形, 根据三角形的性质(两边之和大于第三边, 两边只差小于第三边), 应满足:

这里 是与轨道角动量 对应的量子数, 是与自旋角动量 对应的量子数, 是与总角动量 对应的量子数。

总角动量 也是角动量,和 , 一样它也满足:

的取值是整数,或半整数; ;共 种取值的可能性。

(如果是两个一般的角动量 , 相加, 我们有总角动量量子数: )

比如一个电子处在p轨道,它的总角动量就是:

, 或

由于 , , 与 并不共线。

我们现在的做法是先将 投影到 方向, 得到 , 然后再把 写为 的形式, 这样我们就得到了总角动量 的朗德因子 。

化简可得:

得到:

考虑到 , , 进一步可得,

在原子物理中, 我们实际关心的是磁矩 在已知磁场 中的能量。

选磁场方向是 轴,

即,

这里,

共 种取值的可能性。