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