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2.5.2L-S矢量偶合模型
2.5.2 L-S 矢量偶合模型
内容更新如下:
在讨论矢量耦合模型之前,首先要对“角动量矢量耦合”这个概念作一
浅显的解释。因为这一概念常使一些初学者感到困惑:角动量为什么会耦
合呢?
以一个 p 电子的轨道- 自旋耦合为例, 借用经典力学的描述, 将电子的
轨道运动近似看作环形电流, 它产生一个与轨道角动量矢量反向的轨道磁
矩矢量(反向是因为电子带负电), 大小由磁旋比 γ 决定。类似地, 自旋角动
l
量矢量也对应着反向的自旋磁矩, 但磁旋比为 γ (:γ 约为 γ 的 2 倍) 。轨道
s s l
磁矩与自旋磁矩相当于条形磁铁,当然会相互作用即相互耦合。
对于单个电子, 只有它自己的轨道磁矩与自旋磁矩发生耦合,而对于
多电子体系, 耦合方式就更复杂了,因为各个电子的轨道磁矩也会相互耦
合,自旋磁矩也是如此。换言之,我们可以认为处于磁矩反方向的轨道角
动量矢量与自旋角动量矢量也以相应的方式进行耦合。如何考虑这些耦合,
正是下面要讨论的问题。
在矢量耦合模型中, 有两种耦合方案。以原子中的两个电子为例:
如果静电相互作用大于轨道- 自旋耦合作用(在较轻的原子中), 首先由
电子的轨道角动量矢量l1 和 l2 耦合成总轨道角动量矢量 L , 电子的自旋角
动量矢量 s1 和 s2 耦合成总自旋角动量矢量 S , 然后再由L 与S 耦合成原子
的总角动量矢量J 。这种耦合方案叫做L-S 耦合或 Russell-Saunders 耦合。
反之, 如果轨道- 自旋耦合作用大于静电相互作用 (在较重的原子中),
则首先由 l1 和 s1 耦合成j 1,l2 和 s2 耦合成j 2, 然后再由j 1 和j 2 耦合成原子的
总角动量矢量 J 。这种耦合方案叫做j -j 耦合。
实际上, 这两种方案代表了两种极端情况。原子中的真实情况介于这
二者之间。不过,实验表明, 即使象 Pb (Z=82 )这样的重原子, 也远未达
到纯粹的j -j 耦合。所以,很多较轻的原子(Z40 )可以用L-S 耦合方案满
意地描述。下面就是此方案的矢量进动图(图 2-11)。
L 、S 矢量是分别由 l 、s 矢量以特定方式作矢量加法而成,这种方式
要保证合矢量的 z 分量也是量子化的。
l 及其 z 分量 lz 的模、s 及其 z 分量 sz 的模,分别由以下公式决定(l 、s
取绝对值是由于只能确定矢量的模而不能确定其方向。但它们的 z 分量的
模和方向都可以确定,取绝对值是只需要模):
l l(l =+1)h, l m h
z l
s s(s =+1)h, s m h
z s
以两个电子为例,按特定的矢量相加方式,l1 与 l2 形成 L ,s1 与 s2 形成
S ,进而由 L 与 S 形成 J 。这些合矢量及其 z 分量的模可由下列公式来计算,
它们与分矢量 l 、s 的公式具有类似形式。可见,这些合矢量的z 分量确实
也是量子化的:
L L (L =+1)h, Lz M L h
S S (S =+1)h, Sz M S h
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