第四章原子的精細結構：電子的自旋(完整版)
【正文】 原子實以同樣的速率沿相反方向繞電子運動。二輔系的譜線隨波數(shù)增加，雙線間距保持不變，可推想雙線是由同一原因引起的。軌道貫穿只能發(fā)生在偏心率大的軌道，所以它的值一定是較小的。它可從最小軌道（不是原子中的最小軌道）被激發(fā)到高能軌道，或從高能軌道躍遷到低能軌道發(fā)出輻射。里德伯提出堿金屬原子光譜的波數(shù)：式中是線系限的波數(shù)。在這些字母前可寫上主量子數(shù)的數(shù)值。由于原子核的磁矩比電子磁矩小3個數(shù)量級，一般可不考慮。狄拉克于1928年找到一種與狹義相對論相融洽的理論，可由狄拉克量子方程得出電子自旋的自然結果。烏侖貝克與古茲米特根據(jù)大量實驗事實提出假設：1）電子不是點電荷，除軌道角動量外還有自旋運動，具有固有的自旋角動量（內稟角動量）。由于共有個值，所以就有個分裂的值，即在感光板上有個黑條，表明了個空間取向。沿x方向進入磁場的原子束只在Z方向上受力，原子束在磁場區(qū)內的運動方程為：原子經磁場區(qū)（長度為D）后，與x軸線的偏角為：當原子束落至屏上P點時，偏離x軸的距離為。將以上量子化條件代入磁矩和磁矩在z方向投影的表達式有：令，稱為玻爾磁子，是軌道磁矩的最小單元。從電磁學知道，磁矩在均勻外磁場中不受力，但受到一個力矩作用，力矩為力矩的存在將引起角動量的變化，即由以上關系可得，可改寫為拉莫爾進動的角速度公式：，表明：在均勻外磁場中高速旋轉的磁矩不向靠攏，而是以一定的繞作進動。本章先介紹原子中電子軌道運動引起的磁矩，然后介紹原子與外磁場的相互作用，以及原子內部的磁場引起的相互作用。說明空間量子化的存在，且說明僅靠電子的軌道運動不能解釋精細結構，還須引入電子自旋的假設，由電子自旋引起的磁相互作用才是產生精細結構的主要因素。的方向與一致。是原子物理學中的一個重要常數(shù)。式中，見右上圖。由此得出一種通過實驗確定因子的重要方法。它在z方向的分量只有兩個：。反過來看，電子軌道運動的磁矩為在原子體系中并不普遍成立。因此，對單電子原子電子的磁矩即為原子的磁矩。如表示的原子態(tài)或原子能級。但從實驗數(shù)據(jù)計算得到的量子數(shù)不是整數(shù)（堿金屬與氫不同之處），而要減去一個與角量子數(shù)有關的很小的改正數(shù)，改寫后n仍為整數(shù)。堿金屬原子由原子實和價電子構成，有兩種情況是氫原子所沒有的。（堿金屬原子光譜的精細結構，是在無外場情況下的譜線分裂）如用分辨率很高的儀器觀察堿金屬原子的光譜，會發(fā)現(xiàn)每一條譜線是由二至三條線組成，這稱為光譜線的精細結構。鋰的第二輔線系是由躍遷產生的。首先在電子靜止的坐標系中考慮。此外，Z越大，裂距越大，所以堿金屬原子譜線的精細結構比氫原子容易觀察到。無外磁場時，有外磁場時，當體系的自旋為0時，則：依選擇規(guī)則得：以上結果表明，在外磁場中的一條譜線（）將分為等間隔的三條，間隔值為。上式表明，外加的磁場而引起的分裂是。反常塞曼效應：光譜線在外磁場中發(fā)生分裂數(shù)目不是三個也不等間隔的現(xiàn)象。如果在垂直于外磁場方向再加一個頻率為的電磁波，當電磁波的能量與塞曼支能級的間距相匹配，即滿足時，則會發(fā)生物質從電磁波吸收能量的共振現(xiàn)象。2）核磁共振：原子核的自旋磁矩與外磁場的相互作用會產生塞曼能級分裂，裂距為（是核的朗德因子，是核磁子）。直至電子自旋假設提出后才被解釋。由于分裂的能量間隔相等，故由上式導出的與1897年湯姆孫實驗所測數(shù)值相符。故稱為正常塞曼效
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