III. Строение и свойства атомов. 10. Атомы в магнитном и электрическом полях.
10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.
10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов
10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.
10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.
10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.
10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.
10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.
10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных
10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных
10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных
10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных
10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных
10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных
10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных
10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных
2.25M
Категория: ФизикаФизика

Строение и свойства атомов. Лекция 10. Атомы в магнитном и электрическом полях

1. III. Строение и свойства атомов. 10. Атомы в магнитном и электрическом полях.

• 10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.
• 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных
линий атомов в однородном магнитном поле.
Эффект Зеемана в слабых и сильных полях. Эффект
Пашена-Бака.
• 10.3. Электронный парамагнитный резонанс и его
применение.
• 10.4. Действие электрических полей на атом.
Поляризуемость атома. Квадратичный и линейный
эффекты Штарка.

2. 10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.

ДЛЯ АТОМА ВОДОРОДА
e
Pm I n n;
e
Pm l l ; l
;
2me
e
l ;
Pm l l 1 Pm0 l l 1 ; Pm0
2me
Pm0 9,27 10
24
1
Дж Тл .
z
Pm l l z Pm0 m.

3. 10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов

Pm ?

4. 10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.

L
S
J
PmL
PmS
PmJ
PmJ
- Суммарный орбитальный момент;
- Суммарный спиновый момент;
- Полный механический момент;
- Магнитный момент, вызванный
орбитальным движением электронов;
- Магнитный момент, вызванный
спиновым движением электронов;
- Полный магнитный момент электронов;
-Усредненное значение магнитного
момента электронов;

5. 10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.

*
PmL L L Pm 0 L ,
*
PmS S S 2 L S 2Pm0 S ,
*
L L( L 1 ) L ,
S S( S 1 ) S * ,
Pm 0 l .

6. 10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.

PmJ PmL cos PmS cos ,
2 2 2
S L J 2 L J cos ,
2 2 2
L S J 2 S J cos .
J ( J 1) J
*

7. 10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.

*2
*2
L J S
cos
* *
2L J
cos
S
*2
*2
*2
*2
J L
* *
2S J
*
PmJ J gPm0
g 1
J
*2
S
*2
2J
2
*
*2
L
- Фактор Ланде

8. 10.1. Магнитные свойства многоэлектронных атомов.

*
PmJ J gPm 0 ,
g 1
J
*2
S
*2
2J
*
2
*2
L
.
Если L=0, то J=S и g=2.
В эксперименте для свободного электрона g=2,0024.
Если S=0 (синглетное состояние), то J=L и g=1.

9. 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных

полях. Эффект Пашена-Бака.
А) Слабое поле.
E PmJ B
E M J gPm 0 B

10. 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных

полях. Эффект Пашена-Бака.
• Если вещество поместить в однородное
магнитное поле, то линии его атомных
спектров
расщепляются
на
несколько
компонент. Это явление было обнаружено в
1896 г. голландским физиком Зееманом при
наблюдении свечения паров натрия и носит
его имя. Расщепление не велико – при Н=20
– 30 тыс. эрстед, оно составляет несколько
десятых долей ангстрем.
• Это явление первоначально было объяснено
Лоренцем на основе электронной теории.

11. 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных

полях. Эффект Пашена-Бака.
• Согласно теории Лоренца при наблюдении
перпендикулярно к направлению магнитного поля
спектральная линия должна расщепляться на 3
компоненты, давая симметричную картину.
Причем расстояние между средней линией и
каждой из крайних в шкале частот должно быть
равно:
e
l B
B.
2me

12. 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных

полях. Эффект Пашена-Бака.
Расщепление
спектральных
линий,
согласующееся с
теорией Лоренца,
называется
нормальным или
простым эффектом
Зеемана. Во всех
остальных случаях
говорят об
аномальном или
сложном эффекте
Зеемана.

13. 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных

полях. Эффект Пашена-Бака.
• Расщепление спектральных линий в
магнитном поле обусловлено расщеплением
в магнитном поле уровней энергии.
Последнее обусловлено наличием у атома
магнитного момента.
Pm !

14. 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных

полях. Эффект Пашена-Бака.
А) Слабое поле.
E M J gPm 0 B ;
En Em
En Em
;
L M Jn g n M Jm g m
B;
Если термы синглетные, то
0 , L B .
M J 0 , 1.
g g
n
m

15. 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных

полях. Эффект Пашена-Бака.
Б) сильное поле.
E E L E S ,
E L M L Pm 0 B ,
E S 2 M S Pm 0 B .
E Pm 0 ( M L 2 M S ) B .

16. 10.2. Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в однородном магнитном поле. Эффект Зеемана в слабых и сильных

полях. Эффект Пашена-Бака.
Б) сильное поле.
Pm0
E Pm 0 ( M L 2 M S ) B ,
( M L 2M S ) B .
M L 0, 1
M S 0
0 , L B

17.

10.3. Электронный парамагнитный резонанс
и его применение
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) – явление поглощения
электромагнитного излучения СВЧ диапазона парамагнитными
веществами, помещенными в однородное магнитное поле. В результате
поглощения кванта электромагнитного излучения происходит
изменение ориентации спина неспаренного электрона атома (молекулы)
и переход атома на соседний подуровень зеемановского расщепления с
большей энергией.
2
MJ=+1/2
S1/ 2
B=0
MJ=−1/2
B>0
N1
g B B
E2 E1
g B B
exp
exp
1
N2
kT
kT
kT

18.

10.3. Электронный парамагнитный резонанс
и его применение
Расщепление терма основного состояния Mn в слабом магнитном поле.
MJ
6
S5 / 2
5/ 2
3/ 2
1/ 2
1/ 2
3/ 2
5/ 2
E M j 1 gPm 0 B погл

19.

10.3. Электронный парамагнитный резонанс
и его применение
1) Частота полос поглощения:
погл
gPm 0 B
-- тонкая структура полос поглощения возникает по причине
взаимодействия парамагнитной частицы с кристаллической
решеткой. В результате, например:
MJ
+1
0
-1
-- сверхтонкая структура полос поглощения возникает по причине
взаимодействия магнитного момента неспаренного электрона
парамагнитной частицы с магнитным моментом ядра.
В результате, например:

20.

10.3. Электронный парамагнитный резонанс
и его применение
Образование сверхтонкой структуры линии ЭПР марганца.
I
ms 1/ 2
ms 1/ 2
5/ 2
3/ 2
1/ 2
1/ 2
3/ 2
5/ 2
5/ 2
3/ 2
1/ 2
1/ 2
3/ 2
5/ 2

21.

10.3. Электронный парамагнитный резонанс
и его применение
Сверхтонкая структура линии ЭПР марганца.
dI
dB
0,36
B, Тл

22.

10.3. Электронный парамагнитный резонанс
и его применение
2) Форма, ширина и интенсивность полос поглощения:
2
2
1 / 2
s s s r
-- Iпогл = f(c)

23.

10.3. Электронный парамагнитный резонанс
и его применение
Модулятор
ДФПГ
Автодин
Синхронный
детектор
Индикатор
резонанса
Катушки
Гельмгольца
Ток
катушек
Частотомер
Специфические возможности ЭПР: качественный и количественный атомный
и молекулярный анализ веществ, содержащих неспаренные электроны.

24.

10.3. Электронный парамагнитный резонанс
и его применение

25.

10.4. Действие электрических полей на атом.
Поляризуемость атома. Квадратичный и линейный
эффекты Штарка.
Смещение и расщепление спектральных линий и уровней энергии в
электрическом поле было обнаружено в 1913 г. для атома водорода
Штарком, и носит
его имя
Е Р Е
Дополнительная энергия, приобретаемая атомом в
электрическом поле, если атом имеет отличный от 0
дипольный момент Р
Pинд. Е Индуцированный дипольный момент
E
E
1
A E EdPинд. EdE E 2
2
0
0

26.

10.4. Действие электрических полей на атом.
Поляризуемость атома. Квадратичный и линейный
эффекты Штарка.
Hˆ Hˆ 0 Uˆ ,
U P E
Ε = ∫ Uˆ k0dV
1
k
0*
k

27.

Квантоворазмерные полупроводниковые
наночастицы (НЧ) типа «ядро/оболочка» CdSe/ZnS

28.

Теоретическое моделирование оптических параметров наночастиц CdSe/ZnS
2 m( r )
[U (r ) E] (r) 0
2
U 0 ,0 r r1 ,
U(r) U 1 ,r1 r r2
U ,r r .
2
2
m ,0 r r1 ,
m(r) m2 ,r1 r r2
m3 ,r r2
d
1
d
(
k
r
)
1S ,ZnS (k2 r ) r r1
1S ,CdSe 1
r r1
mh ( e )CdSe dr
mh ( e) ZnS dr
r
2
f f ex
( х)dх
r1
1
1
(r) Ce
ZnS
ex
2
ex (0) m
2m(U 0 E)
2
r2
CdSe
E
r

29.

Наночастицы CdSe/ZnS
гидрофобные
нейтральные
гидрофильные
анионные
E
E
E
0
гидрофильные
катионные
0
0
Искривление энергетических зон полупроводников
вследствие заряжения поверхности при хемосорбции

30.

9
(а)
(б)
Рассчитанные и измеренные зависимости энергии (а) и вероятности (б)
квантового электронного перехода от диаметра НЧ CdSe/ZnS
E1S
1S

31.

(а)
(б)
(в)
Спектры ОП гидрофобных (а, 1) в хлороформе и гидрофильных
(а, 2) CdSe/ZnS НЧ в водном растворе; спектры ФЛ гидрофобных в
растворе хлороформа (б, 1) и катионных CdSe/ZnS НЧ в водном (2-4)
растворе; Спектр Штарка (в, 1), полученный как разница между спектрами
оптической плотности CdSe/ZnS НЧ в водном растворе (поле включено) и
растворе хлороформа (поле выключено), первая (в, 2) и вторая (в, 3)
производная спектра ОП НЧ

32.

33.

Значительное смещение полос в спектрах электронных переходов
гидрофильных наночастиц CdSe/ZnS, полученных в реакции на границе раздела
фаз, является следствием самоиндуцированного эффекта Штарка, что
позволяет использовать такие частицы в качестве меток в штарковской
спектроскопии

34.

20 мкм
n=100:1,
быстрая сушка образца,
20 мкм
20 мкм
n=50:1,
Флуоресцентные изображения комплексов CdSe/ZnS НЧ с ПАА
(г)
IФЛ, о.е.
28
26
24
22
20
18
16
14
12
0
100
200
300
400
500
концентрация ПСС, нмоль/л
5,4
5,2
5,0
4,8
4,6
4,4
4,2
4,0
3,8
(д)
IФЛ, о.е.
0
50
100
150
200
250
300
концентрация ПАА, нмоль/л
Зависимость интенсивности ФЛ CdSe/ZnS НЧ в комплексах с ПСС (г) и ПАА (д)

35.

IФЛ, о.е.
150000
2
7 мВт/мм
100000
2
2 мВт/мм
50000
2
1,5 мВт/мм
0
0
5
10
15
время, минуты
20
Самоорганизация наночастиц CdSe/ZnS на поверхности диэлектриков из
водно-буферных растворов приводит к формированию центров
фотоактивируемой флуоресценции вследствие процессов фотоокисления
и оптического выстраивания экситонов, что может быть использовано для
технологии получения скрытых флуоресцентных изображений
English     Русский Правила