原子物理 杨福家_课件
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原子物理学 第4章 原子的精细结构页数:80
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原子物理学杨福家1-6章 课后习题答案.pptx页数:50
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原子物理课件第五章(06年2月)
（对自由电子是不可能的，因为动量能量不能同时守恒。）
（2）康普顿散射：光子与原子外层电子发生散射；
（3）电子对产生：光子在原子核的库仑场中产生一对正负电子。
截面：
光电 康 电子对； 光电 康 电子对
反应截面：
光电 康 电子对； 光电 康 电子对
Z
光电
康普顿
电子对
第五章 X 射线
§1 X 射线的发现
1895 年，伦琴（德），阴极射线管
X 射线：短波电磁波，波长 ~ 0.01 — 10 Å
x 1 Å ———— 软 x 射线 x 1 Å ———— 硬 x 射线
§2 X 射线的产生机制
一、X 射线管
真空管
靶
-e
X 射线 阴级
高压 当高速电子突然在靶面受阻而减速时，产生 X 射线。
h (1 cos ) Mme 0
MC
（4）康普顿轮廓
原因是前面的“自由电子”近似造成的， 电子动量有分布。
问：X 光究竟是波动还是粒子？ 答：X 光既是波动又是粒子 ！
§5 电子对的产生和湮灭
e
e
正粒子 负粒子
e e e e 2 或 3
电子对产生：
e-
h 2m0C 2
+Ze
...........
L 壳层电子电离，出现空穴，M 壳层电子填补，发 L 线。
L 壳层电子电离，出现空穴，N 壳层电子填补，发 L 线
...........
2．X 射线能级图
6
O
5
N
4 3
Nα Nβ M
Mα Mβ Mγ
2
L
Lα Lβ Lγ Lδ
1
K
n
Kα Kβ Kγ Kδ Kε
（2）康普顿散射：光子与原子外层电子发生散射；
（3）电子对产生：光子在原子核的库仑场中产生一对正负电子。
截面：
光电 康 电子对； 光电 康 电子对
反应截面：
光电 康 电子对； 光电 康 电子对
Z
光电
康普顿
电子对
第五章 X 射线
§1 X 射线的发现
1895 年，伦琴（德），阴极射线管
X 射线：短波电磁波，波长 ~ 0.01 — 10 Å
x 1 Å ———— 软 x 射线 x 1 Å ———— 硬 x 射线
§2 X 射线的产生机制
一、X 射线管
真空管
靶
-e
X 射线 阴级
高压 当高速电子突然在靶面受阻而减速时，产生 X 射线。
h (1 cos ) Mme 0
MC
（4）康普顿轮廓
原因是前面的“自由电子”近似造成的， 电子动量有分布。
问：X 光究竟是波动还是粒子？ 答：X 光既是波动又是粒子 ！
§5 电子对的产生和湮灭
e
e
正粒子 负粒子
e e e e 2 或 3
电子对产生：
e-
h 2m0C 2
+Ze
...........
L 壳层电子电离，出现空穴，M 壳层电子填补，发 L 线。
L 壳层电子电离，出现空穴，N 壳层电子填补，发 L 线
...........
2．X 射线能级图
6
O
5
N
4 3
Nα Nβ M
Mα Mβ Mγ
2
L
Lα Lβ Lγ Lδ
1
K
n
Kα Kβ Kγ Kδ Kε
原子物理 杨福家 第二章讲解及习题
me mH
1
基态到第一激发态的能量
E
E2
E1
Rhc 2
(112
1 22
)
6.8
3 4
5.1(eV)
om （3）
1.24nmKeV E
2.43102 nm
2-10 μ-子是一种基本粒子，除静止质量为电子质量的 207 倍外，其
c 余性质与电子都一样．当它运动速度较慢时，被质子俘获形成μ子原
能量状态的统计权重．试问：原子态的氢在一个大气压、20℃温度的
w条件下，容器必须多大才能有一个原子处在第一激发态?已知氢原子 w处于基态和第一激发态的统计权重分别为g1=2 和g2=8．
(2)电子与室温下的氢原子气体相碰撞，要观察到Hα线，试问电子的
最小动能为多大?
3
2-6 在波长从 95nm 到 125nm 的光带范围内，氢原子的吸收光谱中包
a B
L
36 5RAZ 2
4 3RA
Z
2
88 15RA
Z
2
133.7
课 后 答 案 网
d 解之 Z= 2(注意波数单位与波长单位的关系,波长取纳米,里德伯
常数为 0.0109737nm-1,1cm=108nm,即厘米和纳米差十的八次方)
h Z=2, 它是氦离子. k 2-8 一次电离的氦离子He+从第一激发态向基态跃迁时所辐射的光
1 22
)
10.2eV
ww 21
hc E41
1.24 0.0102
(nm)
121.57nm
原子物理学第2章原子的量子态全解
的温度升高时,单色辐射能量密度
最大值向短波方向移动.
0 1 2 3 4 λ(µm) 绝对黑体辐射能量密度按波长分布(实验)曲线
第二章 原子的量子态：玻尔模型
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
4
物体辐射总能量按波长分布决定于温度.
800K
1000K
1200K
固体在温度升高时颜色的变化
矛盾二:经典的光强和时间决定光电流大小;而光电效应中只有 在光的频率大于红限时才会发生光电效应.
矛盾三:经典的驰豫时间（or:响应时间）较长 (若光强很小,电 子需较长时间吸收足够能量才能逸出),而光电效应不超过10-9s.
实验表明:光强为1μW/m2的光照射到钠靶上即有光电流产生, 这相当于500W的光源照在6.3km处的钠靶.
第二章 原子的量子态：玻尔模型
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
10
“在目前业已基本建成的科学大厦中,物理学家似乎只要 做一些零碎的修补工作就行了;然而在物理学晴朗天空的 远处,还飘着两朵令人不安的愁云.”
——《19世纪笼罩在热和光的动力论上的阴影》 1900年4月27日于不列颠皇家科学院
1）光电流与入射光强度的关系
光电子
单色光
I
e
Is
A
V
遏止电压
光强较强 光强较弱
第二章 原子的量子态：玻尔模型
Ua o
U
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
15
第二章 原子的量子态：玻尔模型
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
16
2）光电子初动能与入射光频率呈线性关系,而与入射光强度
原子物理学第一章
Atomic Physics 原子物理学
背景知识 在此基础上，1893年道尔顿提出了他的原 子学说，他认为:
1.一定质量的某种元素，由极大数目的该元 素的原子所构成；
2.每种元素的原子，都具有相同的质量，不 同元素的原子，质量也不相同； 3.两种可以化合的元素，它们的原子可能按
几种不同的比率化合成几种化合物的分子。
Atomic Physics 原子物理学
背景知识 1808，法国盖· 吕萨克定律告诉我们，在每 一种生成或分解的气体中，组分和化合物气 体的体积彼此之间具有简单的整数比； 1811，意大利阿伏伽德罗发现气体的体积 与其中所含的粒子数目有关。同温同压下， 相同体积的不同气体含有相等数目的分子； 1826，英国布朗观察到液体中的悬浮微粒作 无规则的起伏运动---布朗运动；
从上式可以预言下列四种关系： ① 在同一 粒子源和同一散射物的情况下
dn 在同一散射角， d
dn 4 Sin 常数 d 2
② 用同一粒子源和同一种材料的散射物，
t
dn 4 ③ 用同一个散射物，在同一个散射角， v 常数 d
3．散射截面的物理意义
设有一薄膜，面积为A，厚度为ｔ，单位体积内的原子数为N ，则薄膜中的总原子数是： N＇ NAt
近似：设薄膜很薄，薄膜内的原子核对射来的粒子前后不互 相覆盖。 则N’个原子把粒子散射到d中的总有效散射截面为：
d N `d NAtd
n A
dn d
dn dn d Ntd d n A nNt
问题： (l) d的物理意义？
(2) 库仑散射公式为什么不能直接检验?
(3) 如果粒子以一定的瞄准距离接近原子核时， 以90o 角散射，当粒子以更小的瞄准距离接近 原子核时，散射角的范围是什么? (4) 卢瑟福依据什么提出他的原子模型? (5) 卢瑟福模型与汤姆逊模型的主要区别是什么?
原子物理学PPT课件
.
18
原子物理学
第九章 分子结构与分子光谱
9.2 分子光谱和分子能级
二、分子内部的运动状态及能级分类
3、分子的转动和转动能级
这是分子的整体转动，对双原子分子要考虑的转动是 转动轴通过分子质量中心并垂直于分子轴(原子核间的联线) 的转动。对多原子分子的转动，如果分子的对称性高，也 可以进行研究。转动能量也是量子化的，但比前二种能量 要小得多，转动能级的间隔只相当于波长是毫米或厘米的 数量级。
以上简单地叙述了原子结成分子的几种方式。
.
15
原子物理学
第九章 分子结构与分子光谱
9.2 分子光谱和分子能级
从分子的光谱可以研究分子的结构，分子光谱比原子 光谱要复杂得多。就波长的范围说，分子光谱可以有如下 三类别。
一、分子光谱的类别
（1）远红外光谱，波长是厘米或毫米的数量级。
（2）近红外光谱，波长是构与分子光谱
9.2 分子光谱和分子能级
二、分子内部的运动状态及能级分类
2、构成分子的诸原子之间的振动和振动能级
这也就是原子核带同周围的电子的振动，在9.1 节已 经提到双原子分子沿着轴线振动。多原子分子的振动就比 较复杂，是多种振动方式的叠加。振动的能量是量子化的， 振动能级的间隔比电子能级的间隔小。如果只有振动能级 的跃迁，而没有电子能级的跃迁，所产生的光谱是在近红 外区，波长是几个微米的数量级。
起着势能作用。这个“势能”随原子核距离的变化如果
出现最低值，分子就能构成，如果没有最低值，分子就
不能构成。
分子中的电子可以处在激发态，这也可以由分离原
子变到联合原子的相应激发态来考虑。同样也只有那些
“势能”随原子核距离的变化具有最低值的才是分子的
原子物理学_答案_杨福家_高教第四版
T时间内入射质子被散时到 之间得数目为：
(个)
②入射粒子被散时大于θ的几率为：
（个）
③大于 的几率为：
大于 的原子数为： （个）
小于 的原子数为： （个）
注意：大于 的几率：
大于 的原子数为：
第二章
2-1)解：
①
②
2-2)解：
①对于H：
对于He+：Z=2
对于Li+：Z＝3
②结合能＝
③由基态到第一激发态所需的激发能：
设y= 1 + V/2 mec2= 1+x，f(y) =
由于x<< 1，f(y)函数可在y= 1点做泰勒展开，并忽略高次项。结果如下：
f(y) = 1 + = 1 + = 1−x/2 = 1 −
将mec2以电子伏特为单位时的数值511000代入上式，得
f(y) =
因此=0f(y) =
3-7)解：
3-8)解：
1-3)解：
金
当Z＝79时
当Z＝3时，
但此时M并不远大于m，
1-4)解：
①
将Z＝79代入解得：
②对于铝，Z＝13，代入上公式解得：
E=4.68Mev
以上结果是假定原子核不动时得到的，因此可视为理论系的结果，转换到实验室中有：
对于
①
②
可见，当M>>m时， ，否则，
1-5)解：
在θ方向dΩ立方角内找到电子的几率为：
将所有数据代入解得： T/m
4-Байду номын сангаас)解： （束）
对于边缘两束，
4-6)解：
即：屏上可以接收到4束氯线
对于H原子：
对于氯原子：
(个)
②入射粒子被散时大于θ的几率为：
（个）
③大于 的几率为：
大于 的原子数为： （个）
小于 的原子数为： （个）
注意：大于 的几率：
大于 的原子数为：
第二章
2-1)解：
①
②
2-2)解：
①对于H：
对于He+：Z=2
对于Li+：Z＝3
②结合能＝
③由基态到第一激发态所需的激发能：
设y= 1 + V/2 mec2= 1+x，f(y) =
由于x<< 1，f(y)函数可在y= 1点做泰勒展开，并忽略高次项。结果如下：
f(y) = 1 + = 1 + = 1−x/2 = 1 −
将mec2以电子伏特为单位时的数值511000代入上式，得
f(y) =
因此=0f(y) =
3-7)解：
3-8)解：
1-3)解：
金
当Z＝79时
当Z＝3时，
但此时M并不远大于m，
1-4)解：
①
将Z＝79代入解得：
②对于铝，Z＝13，代入上公式解得：
E=4.68Mev
以上结果是假定原子核不动时得到的，因此可视为理论系的结果，转换到实验室中有：
对于
①
②
可见，当M>>m时， ，否则，
1-5)解：
在θ方向dΩ立方角内找到电子的几率为：
将所有数据代入解得： T/m
4-Байду номын сангаас)解： （束）
对于边缘两束，
4-6)解：
即：屏上可以接收到4束氯线
对于H原子：
对于氯原子：
原子物理学讲义.doc
《原子物理学》讲义教 材：杨福家《原子物理学》高等教育出版社.2000.7第三版参考教材：褚圣麟《原子物理学》人民教育出版社.1979.6第一版作者简介：1936年6月出生于上海，著名科学家，中科院院士。
1958年复旦大学物理系毕业后留校任教，1960年担任复旦大学原子核物理系副主任。
此后历任中国科学院上海原子核研究所所长、复旦大学研究生院院长、复旦大学校长、上海市科协主席等职。
又受原本只有王室成员和有爵位的人才能担任校长的英国诺丁汉大学的聘请，于2001年出任该校第六任校长。
2004年兼任宁波诺丁汉大学校长。
1984年获国家级“有突出贡献的中青年专家”称号。
1991年当选为中国科学院院士，领导、组织并建成了基于加速器的原子、原子核物理实验室，完成了一批引起国际重视的研究成果。
撰有《原子物理学》、《应用核物理》等专著。
课程简介：《原子物理学》这门课程是在经典物理课程（力学、热学、电磁学、光学）之后的一门重要必修课程。
它以力、热、光、电磁等课程的知识为基础，从物理实验规律出发，引进量子化概念，探讨原子、原子核及基本粒子的结构和运动规律，从微观机制解释物质的宏观性质，同时介绍原子物理学知识在现代科学技术上的重大应用。
本课程强调物理实验的分析、微观物理概念和物理图像的建立和理解。
通过本课程教学，使学生初步了解物质的微观结构和运动规律，了解物质世界中三个递进的结构层次，为学习量子力学和后续专业课程打下基础。
本课程注重智能方面的培养，力求讲清基本概念，而大多数问题需经学生通过阅读思考去掌握。
部分内容由学生自行学习。
本课程原则上采用SI 单位制，同时在计算中广泛采用复合常数以简化数值运算。
[通常用0A (cm A 80101-=)描写原子线度，用fm (m fm 15101-=)描写核的线度，用eV 、MeV 描述原子和核的能量等。
]第一章 原子的位形：卢瑟福模型§1-1背景知识“原子”概念（源于希腊文，其意为“不可分割的” ）提出已2000多年，至19世纪，人们对原子已有了相当的了解。
原子物理学(杨福家)总结
原子物理学四、五、六、七、八章总结第四章1、定性解释电子自旋定性解释电子自旋和和轨道运动相互作用的物理机制。
原子内价电子的自旋磁矩与电子轨道运动所产生的磁场间的相互作用，是磁相互作用。
电子自旋对轨道磁场有两个取向，导致了能级的双重分裂，这就是碱金属原子能级双重结构的由来这种作用能通常比电子与电子之间的静电库仑能小（在LS 耦合的情况下），因此是产生原子能级精细结构即多重分裂（包括双重分裂）的原因。
2、原子态55D 4的自旋和轨道角的自旋和轨道角动量动量动量量子数是多少？总角量子数是多少？总角量子数是多少？总角动量动量动量在空间有几在空间有几个取向，如何实验证实？自旋量子数：s=2轨道量子数：l=2角动量量子数：J=4总角动量在空间有9个取向。
由于J J J m J −−=,,1,⋯，共12+J 个数值，相应地就有12+J 个分立的2z 数值，即在感光片上就有12+J 个黑条，它代表了12+J 个空间取向。
所以，从感光黑条的数目，就可以求出总角动量在空间有几个取向。
3、写出碱金属原子的能级公式，说明各写出碱金属原子的能级公式，说明各量量含义含义。
22jl njl n Rhc Z E ∆−−=其中，Z：原子序数，R：里德堡常数，h：普朗克常量，c：光速，n：主量子数，jl ∆：量子数亏损。
4、朗德间隔定则德间隔定则：：在三重态中，一对相邻的能级之间的间隔与两个J 值中较大的那个成正比。
5、同科电子：n 和l 二量子数相同的电子。
6、Stark 效应效应：：原子能级在外加电场中的移位和分裂。
7、塞曼效应效应：：一条谱线在外磁场作用下一分为三，彼此间间隔相等，且间隔值为B B µ。
反常塞曼效应：光谱线在磁场中分裂的数目可以不是三个，间隔也不尽相同。
8、帕邢帕邢--巴克效应：在磁场非常强的情况下，反常塞曼效应会重新表现为正常塞曼效应，即谱线的多重分裂会重新表现为三重分裂，这是帕邢和巴克分别于1912和1913年发现的,故名帕邢-巴克效应。
原子物理01
原子物理学是在这一层次上，研究物质的 结构、运动规律和相互作用的一门科学。
H.Becquerel (1852-1908)
J. J. Thomson (1856-1940)
J L Gay-Lussac (1778 –1850)
阿伏伽德罗定律：在相同的温度和压力条件下，同 体积的任何气体含有的分子数相同。
A. Avogadro (1776 –1856)
§1.1物质的原子性--原子的质量与大小 (1) 元素的原子量
道尔顿定义了元素原子的相对质量： 以H原子质量为1，其它元素原 子的相对质量(原子量)可以通过 化学反应定律确定。 1961年，国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)采用C元素在自然界中 最丰富的同位素的原子为基准，设其原子量为12。 H：1.00794 O：15.9994
§1.1物质的原子性--原子的质量与大小
表1.1 部分固态金属物质的一般性质
元素 锂Li 铝Al 铁Fe 铜Cu 银Ag 铅Pb Z 3 13 26 29 47 82 A 6.9 27.0 55.8 63.5 108 207 ρ (×103kg· m-3） 0.534 2.70 7.86 8.94 10.5 11.4 M （×10-26kg） 1.15 4.49 9.30 10.5 17.9 34.4 N VA R 28 -3 -29 3 （×10 m ） （×10 m ） （×10-10m） 4.66 6.02 8.48 8.48 5.85 3.32 2.15 1.66 1.18 1.18 1.71 3.02 1.53 1.41 1.25 1.25 1.42 1.72
§1.1物质的原子性--原子的质量与大小 (3) 原子的大小
单个原子平均占有的空间体积
原子物理学课件 (5)
电场和磁场力平衡时， qE=qVB V=E/B
撤去电场，阴极射线受罗伦兹力作用， 在磁场内做半径为R的圆周运动；在磁场外 做直线运动并偏离轴线。 由偏转角 测量出R；由 mV2/R=qVB q/m （荷质比） = V/RB = E/RB2
汤姆逊的阴极射线实验
结果：1、阴极射线是一种带负电的粒子流； 2、求出了阴极射线的荷质比，此值和发出 阴极射线的材料无关； 3、汤姆逊认为，阴极射线是一种比原子小 的粒子（电子）流，阴极射线的荷质比 就是电子的荷质比。 意义：发现了电子，并由此发现获得1905年度 诺贝尔物理学奖。
第一章
第一节
量子力学前的原子物理学
原子的外部和内部特性
第二节 第三节
第四节
玻尔的氢原子理论* 索末菲对玻尔理论的推广
光谱产生的爱因斯坦理论
1．1
原子的外部和内部特性
金，木，水，火，土； 铜，木，水，火，土。
“原子”的原始慨念：组成物质的最基本单元 。 古代中国人: 古代云南彝族:
问题：“最基本单元”存在吗？ 说明：人们对“最基本单元”的认识是无止境的。 意义： 闪烁着人类认识世界的哲学光芒， 但是，不具备“科学”的“实证”特征。 “实证”（实验证据!）：多大？多重？内部结构特性？ 中医：“阴阳学说”；“五行学说”；“经络 学说”
12 6
1.1.1
原子的外部特性 （多重？）
III、单个原子的绝对质量(mA ) 据定义： A=M(A)/[M(12 C )/12], 6 M(A)=A×M(12 C )/12 = A (g) = A×10－3( kg), 6
mA= M(A) / NA＝A×10－3/ 6.022×1023 ( kg)
《原子物理学》
云南大学