§34-3 原子磁体的进动

磁矩与角动量成正比的后果之一是,放在磁场中的一个原子磁体将会进动 。首先,我们将按照经典方式来做论证。假设在匀强磁场中有一个自由悬挂着的磁矩μ,它将感受到一个等于μ×B的力矩,该力矩试图将它转至场的方向。但原子磁体是个陀螺仪——它具有角动量J。因此,由磁场所产生的力矩并不会使该磁体排列整齐。而是,磁体将会进动 ,正如我们以前在第1卷第20章中分析陀螺仪时所见到的。角动量——以及和它相随的磁矩——相对一平行于磁场的轴进动。我们可以通过与第1卷第20章中所用的相同的方法求出这个进动速率。

486-3

图34-3 一个具有角动量J和与之平行的磁矩μ的物体被放在磁场B中时,将以角速度ωp 进动

假设在一小段时间Δt内角动量从J变至J′,如图34-3所示,而相对于磁场B的方向始终保持一个相同角度θ。让我们称这个进动角速度为ωp进动的 角(度)为ωp Δt。从图中的几何形状就可看出,在时间Δt内角动量的改变为

ΔJ=(Jsinθ)(ωp Δt).

因而角动量的变化率为

487-1  (34.8)

它必定等于转矩

τ=μBsinθ. (34.9)

于是进动的角速度为

487-2  (34.10)

由式(34.6)代入μ/J,则我们见到,对于一个原子系统来说,

487-3  (34.11)

进动频率与B成正比。记住下列两个关系式会很方便,即对于一个原子(或电子),

487-4

而对于一个核,

487-5

(关于原子与核这两公式不同之处,仅仅是由在这两种情况下g的不同规定引起的)。

这样,按照经典 理论,原子中的电子轨道——和自旋——应在磁场中进动。按照量子力学这是否也正确呢?基本上是正确的,但关于“进动”的意义却有所不同。在量子力学中人们不能在与经典相同的意义上谈论角动量的方向 ,尽管如此,还是存在着十分密切的类似——类似得那么密切以致我们仍称之为“进动”。以后在谈论量子力学时将对此再作讨论。