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原子磁矩

原子磁矩是原子内部各种磁矩总和的有效部分。原子的磁矩是物质磁性的来源,而原子的磁矩又主要来自于电子的自旋磁矩和轨道磁矩的贡献。 [1]

原子磁矩(atomic magnetic moment)

原子内部各种磁矩总和的有效部分。一个原子的总磁矩,是其内部所有电子的轨道磁矩、自旋磁矩和核磁矩的矢量和。原子核具有磁矩,但核磁矩很小,通常可忽略,原子磁矩则为电子轨道磁矩与自旋磁矩的总和的有效部分 。

一般地原子磁矩μJ与原子的总角动量PJ有简单的关系,大小为μJ=g(e/2m)PJ,方向相反,式中e/m是电子的荷质比,g称为朗德g因子,它可以根据原子中的耦合类型计算出来,是表征原子磁性质的量。原子磁矩在塞曼效应中起重要作用。

描述载流线圈磁性质及微观粒子物理性质的物理量。载有电流I、面积为S的平面线圈的磁矩m定义为:

m=I×S×n;

式中,n为沿平面线圈法线方向的单位矢量,其指向与电流I环绕方向间成右螺旋关系,磁矩为m的载流小线圈在磁感应强度为B的磁场中受到的磁力F、磁力矩L分别为:F=(m×grad)×BL=MB

磁矩的单位为Am2。电子磁矩的通用单位是 玻尔磁子(μB=9.274×10-Am2)。原子核、质 子和中子磁矩的类似单位是核磁子(相当于5.051 ×10-Am2)。

原子磁矩来源于两部分,电子围绕核的轨道运动和电子的自旋。

从原子结构的简单模型出发,电子以角速度ω、半径为r作圆轨道运动时,它所产生的电流为-eω/2π。其中e为电子的电荷,若电流i闭合回路的截面积为S,那么从电磁理论可以得出,这时的磁矩为μ0iS(单位为Wbm)。

因此由单个电子的圆周运动所产生的轨道磁矩为:

圆周运动的角动量为pl=mωrr,其中m是电子的质量。因此, 轨道磁矩可改写成Ml=

若原子中有多个电子,则总的轨道角动量等于各个电子轨道角动量的矢量和,即总轨道角动量等于PL=∑pl,其数值为pl=

这些公式中,g朗德因子(lande splitting factor);J原子总角量子数;L原子总轨道角量子数;S原子总自旋量子数。

若一个原子有多个电子,则总的自旋量子数也是各个电子自旋量子数的组合,总自旋角动量Ps=

mJ有(2J+1)个可能取值,当mJ取最大值J时,就得到原子总磁矩在磁场方向上的最大分量,MJZ=gJB.这里gJ是Lande因子。上述LS耦合也称Russell-Saunders耦合,除了LS耦合外,尚有jj耦合。此时,各电子的轨道角动量和自旋角动量先合成电子的总角动量j,然后各电子的总角量j再合成原子的总角动量。jj耦合适用于原子序数大于Z=82的原子。 [2]


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