background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

VIII.

VIII.1. ORBITALNY MOMENT MAGNETYCZNY ELEKTRONU,



L=r×p

   (VIII.1.1)

p=mv

   (VIII.1.2)

Z (VIII.1.1) i (VIII.1.2) wynika (VIII.1.1a):

L

=| |=mvr

 (VIII.1.1a)

⊥v

 r=v

   (VIII.1.3)

Z zależności (VIII.1.1a) oraz (VIII.1.3) wynika, że kręt elektronu jest równy:

L

=mr

2

 (VIII.1.1b)

Elektron jest to cząstka obdarzona masą, ale równocześnie jest ładunkiem poruszającym 
się. Jest on równoważny bezprzewodowemu przepływowi prądu. Elektron orbitalny ma 
własności magnetyczne (jest dipolem magnetycznym  |

| ).

∣∣==i S

   (VIII.1.4)

– 1 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

S – powierzchnia obwodu,
i – natężenie prądu w obwodzie, wyraża się ono wzorami (VIII.1.5a) – w układzie Gaussa 
oraz (VIII.1.5b) – w układzie SI:

i

=

e

c

 (VIII.1.5a)

i

=

e

 (VIII.1.5b)

τ – okres obiegi elektronu po orbicie

Rys.VIII.1. Schematyczne przedstawienie orbity atomu.

dS

=

1

2

rdl

   (VIII.1.6)

dl

rd 

   (VIII.1.7)

– 2 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

dS

=

1

2

r

2

d

   (VIII.1.8)

S

=

dS

=

1
2

0

2

r

2

d

   (VIII.1.9)

L

≡ p

, gdzie  p

oznacza pęd uogólniony ze względu na współrzędną φ.

Z wzoru (VIII.1.1b) wynika:

r

2

=

p

˙

=

p

m

dt

d

 (VIII.1.10)

Z wzorów (VIII.1.9) i (VIII.1.10) otrzymujemy, że powierzchnia S obwodu wynosi:

S

=

1
2

0

2

p

m

dt

d

d

=

p

2m

0

τ

dt

=

p

2m 

 (VIII.1.11)

Wyrażenie (VIII.1.11) otrzymaliśmy przechodząc z całkowania po kącie na całkowanie po 
czasie, przy czym: jeżeli 

є [0, 2  ), to t є [0,]

Z wzorów: (VIII.1.4), (VIII.1.5) oraz (VIII.1.11) otrzymujemy wzór na moment magnetyczny 
elektronu:

 = iS =

e

c

p

2m

 =

e

2mc

p

 (VIII.1.12)

p

=

e

2mc

const

 (VIII.1.13)

Stosunek momentu magnetycznego dipolowego do momentu pędu (krętu) jest wielkością 
stałą.

Wektorowo:

=

e

2mc 

p

 (VIII.1.14)

A ponieważ 

L

≡ p

:

– 3 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

=

e

2mc

L

 (VIII.1.15)

Z teorii Wilsona – Sommerfelda wynika, że 

p

n

 (VIII.1.16)

Z wzorów (VIII.1.13) oraz (VIII.1.16) otrzymujemy:

 =

eh

4

mc

n

=

df

B

n

 (VIII.1.17)

gdzie n

=1,2 ,3 ,...

Magneton Bohra:
– w układzie Gaussa

B

=

eh

4

 mc

=

e ħ

2mc

 (VIII.1.18)

Z (17) i (18) wynika, że dla 

n

= 1

:

B

= 

Jest to wówczas moment magnetyczny atomu wodoru w stanie podstawowym.

w układzie SI:

B

=

e

2m

         (VIII.1.18a)

Wartość liczbowa magnetonu Borha wynosi:

μ

B

= 0,927×10

−20

erg

/Oe = 9,274×10

−24

J

/T

VIII.2. PRECESJA LARMORA 

Jest to częstość wirowania momentu magnetycznego, który ustawiony pod kątem  α  do 
pola magnetycznego precesuje wokół pola.

– 4 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

a) częstość kołowa

L

=

eB

2mc

           (VIII.2.1a)

b) częstość liniowa

f

L

=

eB

4

 mc

           (VIII.2.1b)

Z (VIII.2.1a) wynika, że: 

L

≠ 

oraz że

ω

L

~B

VIII.3. KWANTOWANIE PRZESTRZENNE

L ,μ

Jeśli   zbiór   wartości   danej   wielkości   nie   jest   ciągły   –   to   jest   skwantowany.   Orientacja 
przestrzenna   wektorów   również   jest   skwantowana,   co   nazywa   się   kwantyzacją 
przestrzenną.
Jeżeli   normalna   do   powierzchni   jest   skwantowana,   to   orientacja   powierzchni   jest 
skwantowana.

Kwantyzacja orbity

Założenie 1: 

B=const

(pole jednorodne).

Założenie 2: pole magnetyczne nie zaburza kształtu orbit (teoria Wilsona – Sommerfelda).

Współrzędne sferyczne:

P: (r,

ϑ,ϕ

)

x = r sin 

ϑ 

cos 

ϕ 

y = r cos 

ϑ

 sin 

ϕ

z = r cos 

ϕ

p

φ

const  α const

– 5 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

p

p

⋅cos

   (VIII.3.1)

r

 p

r

:

p

r

dr

n

r

h

(VIII.3.2a)

  θ  p

θ

:

p

θ

n

θ

h

 (VIII.3.2b)

   p

:

p

d

 = n

h

 (VIII.3.2c)

n

r

, n

, n

θ

liczby kwantowe

E

k

=

m

2

˙r

2

r

2

˙θ

2

r

2

sin

2

θ ⋅ ˙

2

   (VIII.3.3)

p

r

=

∂ E

k

∂ ˙r

˙r

 (VIII.3.4a)

p

θ

=

∂ E

k

∂ ˙θ

mr

2

˙θ

 (VIII.3.4b)

p

=

∂ E

k

∂ ˙

mr

2

sin

2

θ

⋅˙

 (VIII.3.4c)

Z wzoru (VIII.3.1) wynika, że p

=const , więc:

p

p

0

2

 = p

⋅2

   (VIII.3.5)

Z zależności (VIII.3.5) oraz (VIII.3.2c) wynika:

2

 p

n

h

   (VIII.3.6)

p

n

   (VIII.3.7)

L

Z

=

– rzut wektora L

m – magnetyczna liczba kwantowa – rzut na kierunek pola magnetycznego

– 6 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

p

=n

   (VIII.3.8)

n

=– orbitalna liczba kwantowa 

p

p

=

n

n

 (VIII.3.9a)

Z wzoru (VIII.3.1) otrzymujemy:

p

p

=cos

 (VIII.3.9b)

Z wzorów (VIII.3.9a) i (VIII.3.9b):

cos

=

n

n

 (VIII.3.10)

Wzór (VIII.3.10) – skwantowanie α

∣cos ∣1

n

=m=0,±1, ±2, .... n

l

Przykłady kwantyzacji przestrzennej:

a)

n

=1

m

=0,±1

– trzy możliwe orbity

– 7 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

b)

n

=2

m

=0, ±1, ±2

5 możliwych orbit

VIII.4. ENERGIA ELEKTRONU NA ORBICIE ZORIENTOWANEJ.

W 2D (dwóch wymiarach): Energia E = E(r, 

ϕ

)

W 3D (trzech wymiarach): Energia E = E(r,

ϑ,ψ)

E(r, 

ϕ

) = E(r,

ϑ,ψ)

p

r

˙r p

˙= p

r

˙ p

 p

˙

   (VIII.4.1)

p

˙= p

˙ p

˙

   (VIII.4.2)

p

d

= p

d

 p

d

   (VIII.4.3)

p

d

=

p



p

d

   (VIII.4.4)

Z reguł Wilsona – Sommerfelda otrzymujemy:

n

n

n

   (VIII.4.5)

E

n

= −

2

2

me

4

Z

2

h

2

n

2

= −

2

2

e

4

Z

2

m

h

2

n

r

n

2

= −

2

3

me

4

Z

2

h

2

n

r

n

n

2

  (VIII.4.6)

– 8 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

Wniosek:
Energia zależy od sumy wszystkich liczb kwantowych.

VIII.5. KWANTYZACJA RZUTU

 na B

.

'=⋅cos 

cos

=

'

   (VIII.5.1)

=

e

2mc

p

m

n

=

'

   (VIII.5.2)

=⋅

m

n

   (VIII.5.3)

n

=

B

'=m

B

   (VIII.5.4)

m

=0, ±1, ±2, .... ,±n

 l

Kwantyzacja przestrzenna obejmuje oba wektory: 

Li 

– 9 –