原子物理学 第七章
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《原子物理学》教学大纲课程性质:专业基础课程先修课程:力学、电磁学、光学总学时:60 学分:3.5理论学时:60 实验学时:实验纳入《近代物理实验》课程开课学院:物电学院适用专业:物理学大纲执笔人:凤尔银大纲编写时间:2007年元月教研室主任审核:凤尔银教学院长审定:一、说明1、课程的性质、地位和任务原子物理学为物理学专业的必修课,是物理学专业的一门重要基础课。
本课程的主要目标和任务是:以原子结构为中心,以实验事实为线索,了解原子和原子核层次的物质结构及运动和变化规律,揭示宏观现象与规律的本质。
介绍有关问题所需要的量子力学基本概念,阐述物质微观结构三个层次的物理过程、研究方法,培养创新思维。
使学生对物质世界有更深入的认识,获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力。
2、课程教学的基本要求通过本课程的学习,力图使学生初步建立描述微观世界的物理图像,理解适应微观世界的新概念,掌握处理微观世界物理问题的新方法,为后续《量子力学》课程的学习打下一定的基础;本课程涉及知识面较广,讲授时要针对实际情况,对内容加以选择,尽量做到详略得当,让学生既能较全面,又能较深刻地理解和掌握。
课程教学中,要结合有关内容,适当将一些背景材料和物理学史引入教学,以利于加深对新知识的理解和把握。
同时,通过介绍二十世纪初物理学家,在解决经典物理学应用于微观粒子体系遇到困难时的大胆探索、勇于出新的思想脉络,使学生受到创新意识和创新精神方面的熏陶和教育,提高学生分析问题和解决问题的能力。
使学生了解物理学家对物质结构的实践——理论——再实践的认识过程,引导学生养成严谨、活跃、创新的思维方式和学习方法。
3、本课程的重点与难点重点:培养学生初步建立微观世界的物理图像,掌握描述原子结构的基本概念、基本原理和方法;掌握认识原子世界的基本规律,以便从思想和方法上做好准备,为今后学习量子力学打下基础。
难点:由于原子物理学课程是学生第一次系统的接触到的近代物理学的理论体系,它的许多概念、观点与学生长期形成的观念不相符合。
第一章 原子的基本状况1.1 若卢瑟福散射用的α粒子是放射性物质镭'C 放射的,其动能为67.6810⨯电子伏特。
散射物质是原子序数79Z =的金箔。
试问散射角150οθ=所对应的瞄准距离b 多大?解:根据卢瑟福散射公式:20222442K Mv ctgb b Ze Zeαθπεπε==得到:2192150152212619079(1.6010) 3.97104(48.8510)(7.681010)Ze ctg ctg b K οθαπεπ---⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯⨯米式中212K Mv α=是α粒子的功能。
1.2已知散射角为θ的α粒子与散射核的最短距离为220121()(1)4sinmZe r Mv θπε=+,试问上题α粒子与散射的金原子核之间的最短距离m r 多大?解:将1.1题中各量代入m r 的表达式,得:2min202121()(1)4sin Ze r Mv θπε=+ 1929619479(1.6010)1910(1)7.6810 1.6010sin 75ο--⨯⨯⨯=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯143.0210-=⨯米1.3 若用动能为1兆电子伏特的质子射向金箔。
问质子与金箔。
问质子与金箔原子核可能达到的最小距离多大?又问如果用同样能量的氘核(氘核带一个e +电荷而质量是质子的两倍,是氢的一种同位素的原子核)代替质子,其与金箔原子核的最小距离多大?解:当入射粒子与靶核对心碰撞时,散射角为180ο。
当入射粒子的动能全部转化为两粒子间的势能时,两粒子间的作用距离最小。
根据上面的分析可得:220min124p Ze Mv K r πε==,故有:2min 04p Ze r K πε=19291361979(1.6010)910 1.141010 1.6010---⨯⨯=⨯⨯=⨯⨯⨯米 由上式看出:min r 与入射粒子的质量无关,所以当用相同能量质量和相同电量得到核代替质子时,其与靶核的作用的最小距离仍为131.1410-⨯米。
目录第一章原子的位形 (2)第二章原子的量子态:波尔模型 (8)第三章量子力学导论 (12)第四章原子的精细结构:电子的自旋....................... 错误!未定义书签。
第五章多电子原理:泡利原理 (23)第六章X射线 (28)第七章原子核物理概论.......................................... 错误!未定义书签。
1.本课程各章的重点难点重点:α粒子散射实验公式推导、原子能量级、氢原子的玻尔理论、原子的空间取向量子化、物质的波粒二象性、不确定原则、波函数及其物理意义和薛定谔方程、电子自旋轨道的相互作用、两个价电子的原子组态、能级分裂、泡利原理、电子组态的原子态的确定等。
难点:原子能级、电子组态、不确定原则、薛定谔方程、能级分裂、电子组态的原子态及基态的确定等。
2.本课程和其他课程的联系本课程需在高等数学、力学、电磁学、光学之后开设,同时又是理论物理课程中量子力学部分的前导课程,拟在第三学年第一学期开出。
3.本课程的基本要求及特点第一章原子的位形:卢瑟福模型了解原子的质量和大小、原子核式模型的提出;掌握粒子散射公式及其推导,理解α粒子散射实验对认识原子结构的作用;理解原子核式模型的实验验证及其物理意义。
第二章原子的量子态:玻尔模型掌握氢原子光谱规律及巴尔末公式;理解玻尔原子模型的基本假设、经典轨道、量子化条件、能量公式、主量子数、氢能级图;掌握用玻尔理论来解释氢原子及其光谱规律;了解伏兰克---赫兹实验的实验事实并掌握实验如何验证原子能级的量子化;理解索菲末量子化条件;了解碱金属光谱规律。
第三章量子力学导论掌握波粒二象性、德布罗意波的假设、波函数的统计诠释、不确定关系等概念、原理和关系式;理解定态薛定谔方程和氢原子薛定谔方程的解及n,l,m 三个量子数的意义及其重要性。
第四章 原子的精细结构:电子的自旋理解原子中电子轨道运动的磁矩、电子自旋的假设和电子自旋、电子量子态的 确定;了解史特恩—盖拉赫实验的实验事实并掌握实验如何验证角动量取向的量子化;理解碱金属原子光谱的精细结构;掌握电子自旋与轨道运动的相互作用;了解外磁场对原子的作用,理解史特恩—盖拉赫实验的结果、塞曼效应。
原子物理学第七章习题解答第七章习题解答7-1 试计算核素40Ca 和56Fe 的结合能和比结合能。
解:402020Ca结合能 22(2020)p n ca E mc m m m c ?=?=+-[]220(1.008665 1.007277)39.96259c =+-(40.3188439.96259)931.5mev =-?331.85mev =比结合能331.88.340E mev A ε?=== 562630Fe结合能: 2(2630)p n Fe B m m m c =+-0.51425931.5479.024mev =?=比结合能:479.0248.55456B mev A ε===7-2 1mg 238U 每分钟放出740个α 粒子,试证明:1g 238U 的放射性活度为0.33 Ci μ,238U 的半衰期为94.510a ?证明:1mg 238U 的放射性强度 A=74060可知1g 238U 的放射强度x 为: 374010:1:60x -= ∴x = 74060×310= 43.7103次/s =13Ci μ= 0.33Ci μ7-3 活着的有机体中,14C 对12C 的比与大气中是相同的,约为1.3×1210-,有机体死亡后,由于14C 的放射性衰变,14C 的含量就不断少,因此,测量每克碳的衰变率就可计算有机体的死亡时间。
现测得:取之于某一骸骨的100g 碳的β衰变率为300次衰变/min ,试问该骸骨已有多久历史?解:由于12C 的丰度高达98.89%,可以近似认为自然界的碳全部由12C 组成故1g 碳中,12C 的原子数目为:2322(12)11 6.0210 5.02101212A N N ==??=?个根据题意:1g 碳中,14C 的原子数目为:12122210(14)(12)1.3010 1.3010 5.0210 6.5310N N --=?==?个根据衰变率的定义(单位时间内发生的核衰变数),1g 碳中,14C 的衰变率,在t=0时为: 100(14)0.693 6.531057303652460A N λ== 150=次衰变/Min由题知t 时刻测得的衰变率为(1g 14C 在t 时刻的衰变率) 3003.00100A ==次衰变/Min 因放射性强度服从指数衰变规律 1/20.69300t T t A A e A e λ--== ∴41/20573015.0 1.3100.6930.693 3.00T A t In In y A ==?=?7-4 一个放射性元素的平均寿命为10d ,试问在第5d 内发生衰变的数目是原来的多少?解:放射性衰变规律为0N N = t e λ-。
第七章作业及解答7-1试计算核素40Ca 和56Fe 的结合能和比结合能.分析:此题可采用两种算法,一是按核结合能公式;另一是按魏扎克核质量计算公式.一.按核子结合能公式计算解:1 ) 对于核素40Ca ,A =40,Z =20,N =20 由结合能公式 B =Z m p +Z m e -M= (20×1.007825+20×1.008665-39.9625)u =0.36721u×931.5MeV/u=342MeV 比结合能 B /A =342/40=8.55MeV2 )对于核素56Fe ,A =56,Z =26,N =30 由结合能公式 B =Z m p +Z m e -M= (26×1.007825+30×1.008665-55.9349)u =0.5285u×931.5MeV/u=492.29775MeV 比结合能 B /A =492.29775/56MeV=8.79MeV 二.按魏扎克公式计算对于题目中所给的40Ca 和56Fe 都是偶偶核.依B=a V A-a s A 2/3-a c Z 2A -1/3-a sys (Z-N)2+a p A 1/2+B 壳,代入相应常数计算也可.7-2 1mg 238U 每分钟放出740个α粒子,试证明:1g 238U 的放射性活度为0.33μC i ,238U 的半衰期为4.5x109a .31060740-⨯=A )(1033.0)(103.12613Ci S --⨯=⨯=)(1087.41002.6103.121182323813--⨯=⨯⨯⨯==S NAλ故9718105.41015.3/1087.4/693.02ln ⨯=⨯⨯==--λT (年)7-3活着的有机体中,14C 对12C 的比与大气中是相同的,约为1.3x10-12.有机体死亡后,由于14C 的放射性衰变,14C 的含量就不断减少,因此,测量每克碳的衰变率就可计算有机体的死亡时间.现测得:取之于某一骸骨的100g碳的β衰变率为300次衰变/min,试问该骸骨已有多久历史?解:100g 碳14的放射性活度 A=300次/min=5次/s , 又14C 的半衰期 T 1/2=5730a, 1克碳中碳14的含量为12103.1-⨯=M (克)故10122301059.5103.1141002.6⨯=⨯⨯⨯=-N (个)/克故)(13)(21.01059.51015.35730693.011111070----==⨯⨯⨯⨯=g m g s A 而)(310030011--==g m A 由33.431322000===∴==--A A A e A A T tTtt λ12147573012.2693.047.1)2ln 33.4ln (=⨯=⨯==∴T T t (年)7-4 一个放射性元素的平均寿命为10d ,试问在第5d 内发生衰变的数目是原来的多少?由10=τ天,1.01==∴τλ/天 teN N λ-=0 064.0)5()4(10510400=-=-=∆--e e N N N N N 7-5试问原来静止的226Ra 核在α衰变中发射的α粒子的能量是多少? )(102.50026.40176.2220254.2263u M -⨯=--=∆)(84.4931102.532MeV MC =⨯⨯=∆-故)(75.484.4226222MeV E =⨯=α7-6 210po 核从基态进行衰变,并伴随发射两组α粒子。
《原子核物理》课程教学大纲课程性质:专业基础课教学对象:核工程与核技术辐射化工专业本科学生学时学分:54学时 3学分编写单位:核工程与技术学院编写人:杜纪富审定人:编写时间:2011年5月一、课程说明1、课程简介本课程是原子物理学课程的姊妹篇,它以阐述原子及原子核的结构、特性为中心。
主要内容包括核结构模型、原子核的放射性、α衰变、β衰变、γ衰变、核反应及核能和放射性的应用等。
2、课程教学目标本课程是近代物理学中的一个重要领域。
通过该门课程的学习,使学生了解和掌握原子核的基本性质和结构、放射性现象及一般规律、原子核反应、射线与物质的相互作用、离子加速器、原子能的利用、核技术及应用、粒子物理的一些简单理论,为学生将来继续学习核工程与核技术的课程奠定理论基础和实验技术能力。
3、预修课程与后续课程大学物理、量子力学、原子物理学4、教学手段及教学方法建议原子核物理学是现代物理学的重要内容,作为应用物理专业的学生,原子核物理学的基础知识理论成为必要的学习内容。
因此本门课程首先把基础知识和基本技能教给学生,使得学生扎实地学好,然后再介绍相关现代科学技术的重要成果。
本课程以讲授为主,然后在课程中会介绍与核辐射相关的案例以及实验等。
5、考核方式平时成绩占30%(考勤、课堂表现和作业),闭卷考试成绩占70%。
6、指定教材杨福家等著,原子核物理(第一版)复旦大学出版社,19937、教学参考书[1] 卢希庭主编,原子核物理,原子能出版社,2000年[2] 王炎森、史福庭,原子核物理学,原子能出版社, 1998年8、教学环节及学时安排表1 课程学时分配表9、教学大纲修订说明二、教学内容第一章原子核物理(8学时)教学目标1、了解原子核物理的研究对象及其发展历史2、理解原子核是由核子(中子和质子)组成的,原子核半径的两种含义。
3、理解原子核的结合能及其与质量的关系。
4、了解原子核的自旋、磁矩、电四极矩、宇称的定义。
本章重点1、原子核半径的两种含义以及结合能与质量的关系。
《原子物理》课程教学大纲课程名称:原子物理课程类别:专业必修课适用专业:物理学考核方式:考试总学时、学分:56学时 3.5学分其中实验学时:0 学时一、课程性质、教学目标原子物理学属普通物理范畴,是力学、电磁学和光学的后续课程,是物理专业的一门重要基础课。
本课程着重从物理实验规律出发,引进近代物理关于微观世界的重要概念和原理,探讨原子的结构和运动规律,介绍在现代科学技术上的重大应用。
通过本课程的教学,使学生建立丰富的微观世界的物理图象和物理概念。
通过对重要实验现象以及理论体系逐步完善过程的分析,培养学生分析问题和解决问题的能力。
本课程是量子力学、固体物理学、原子核物理学、近代物理实验等课程的基础课。
课程教学目标如下:课程教学目标1:使学生初步了解并掌握原子的结构和运动规律,了解物质世界的原子特性,原子层次的基本相互作用,为今后继续学习量子力学、固体物理学、近代物理实验等课程打下坚实基础。
课程教学目标2:使学生了解并适当涉及一些正在发展的原子物理学科前沿,扩大视野,引导学生勇于思考、乐于探索发现,培养其良好的科学素质。
的支撑强度来定性估计,H表示关联度高;M表示关联度中;L表示关联度低。
二、课程教学要求理解原子壳式结构,了解原子物理学的发展和学习方法。
掌握原子能量级概念和光谱的一般情况。
理解氢原子的波尔理论,了解富兰克-赫兹实验。
了解氢原子能量的相对论效应。
了解盖拉赫实验,理解原子的空间取向量子化,理解物质的波粒二象性了解不确定原则。
理解波函数及其物理意义和薛定谔方程。
了解碱金属光谱的精细结构,电子自旋轨道的相互作用。
理解两个价电子的原子态,了解泡利原理。
理解原子磁矩及外磁场对原子的作用,了解顺磁共振和塞曼效应,掌握原子的壳层结构和原子基态的电子组态。
了解康普顿效应,理解X 射线的衍射。
执行本大纲应注意的问题:1.原子物理学是一门实验性很强的学科,关于原子结构的一切知识均建立在实验的基础上,学生在学习过程中应特别注重这一点。