原子物理學

本書講述大學普通物理的“原子物理學”部分，內容包括原子的結構、量子化的原子模型、量子力學的初步介紹、原子、分子的光譜和能級，以及原子核的基本知識。書中詳細描述了有關原子物理的重要實驗，提供了大量的實驗數據，利用量子力學的基本知識，通過對實驗結果的分析，向讀者儘可能詳盡地介紹了原子、分子的結構、能級、躍遷、光譜以及原子核的組成、放射性、核反應等方面的知識，以及原子物理學在各個方面的應用。對於處理和研究原子結構、能級、光譜的方法和技巧，做了仔細的說明和論證。書中附有大量圖片和實驗數據，便於讀者參考核對。

本書適合作為大學物理類以及其他理工類本科生的教材，也適合作為其他專業讀者的參考書。

本書第1章介紹了湯姆孫發現電子的實驗以及盧瑟福確立原子結構模型的α粒子散射實驗。第2章中，首先分析了光譜學實驗的結果，以及這些結果與經典物理學理論體系的矛盾。正是為了解決這些經典物理學的困難，玻爾建立了量子化的原子模型。本章還通過多個實驗說明了玻爾模型在許多方面所獲得的巨大成功。第3章開始介紹量子力學的基礎知識，通過對多個實驗事實的仔細描述和分析，向讀者展示了光的粒子性和電子（包括分子）的波動性，引入了德布羅意物質波的思想，並特彆強調了“波粒二象性是量子力學的基礎”這一重要觀點。從波粒二象性出發，自然地得到了不確定關係、態疊加原理以及波函數的統計解釋等這些量子力學中最基本的原則，隨後介紹了薛定諤方程和不同表象下的力學量算符，並利用該方程計算了幾個一維情況下微觀體系的波函數和本徵值，特別對單個電子在有心力場（庫侖勢）中的波函數以及電子角動量的本徵值做了詳細的分析與合理的解釋，為之後利用這些理論研究原子的狀態做了充分的準備。第4章至第7章是本書的核心部分，分別介紹了單電子原子、多電子原子、磁場中的原子以及分子的能級和光譜，其中充分地利用了第3章中已經介紹過的量子力學的知識，結合對各種原子光譜的實驗研究結果，通過對電子角動量和磁矩的討論，逐步引入了分析各種不同類型、不同外界條件下（主要是外磁場）原子狀態的方法，以及建立在泡利原理基礎上的原子殼層模型和元素的周期律，並對簡單分子的能級和光譜做了討論。第8章介紹了原子核的基本知識，由於對原子核以及基本粒子的研究還在不斷地深入和發展，所以本章注重向讀者展示核物理的實驗研究結果.

經過相當長時期的探索，直到20世紀初，人們對原子本身的結構和內部運動規律才有了比較清楚的認識，之後才逐步建立起近代的原子物理學。

1897年前後，科學家們逐漸確定了電子的各種基本特性，並確立了電子是各種原子的共同組成部分。通常，原子是電中性的，而既然一切原子中都有帶負電的電子，那麼原子中就必然有帶正電的物質。20世紀初，對這一問題曾提出過兩種不同的假設。

1904年，湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分佈在一個大小等於整個原子的球體內，而帶負電的電子則一粒粒地分佈在球內的不同位置上，分別以某種頻率振動著，從而發出電磁輻射。這個模型被形象的比喻為"果仁麵包"模型，不過這個模型理論和實驗結果相矛盾，很快就被放棄了。

1911年盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎上，提出原子的中心是一個重的帶正電的核，與整個原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉動，類似大行星繞太陽轉動。這種模型叫做原子的核模型，又稱行星模型。從這個模型導出的結論同實驗結果符合的很好，很快就被公認了。

繞核作旋轉運動的電子有加速度，根據經典的電磁理論，電子應當自動地輻射能量，使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變，因而發射光譜應是連續光譜。電子因能量的減少而循螺線逐漸接近原子核，最後落到原子核上，所以原子應是一個不穩定的系統。

但事實上原子是穩定的，原子所發射的光譜是線狀的，而不是連續的。這些事實表明：從研究宏觀現象中確立的經典電動力學，不適用於原子中的微觀過程。這就需要進一步分析原子現象，探索原子內部運動的規律性，並建立適合於微觀過程的原子理論。

1913年，丹麥物理學家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎上，結合原子光譜的經驗規律，應用普朗克於1900年提出的量子假說，和愛因斯坦於1905年提出的光子假說，提出了原子所具有的能量形成不連續的能級，當能級發生躍遷時，原子就發射出一定頻率的光的假說。

玻爾的假設能夠說明氫原子光譜等某些原子現象，初次成功地建立了一種氫原子結構理論。建立玻爾理論是原子結構和原子光譜理論的一個重大進展，但對原子問題作進一步的研究時，卻顯示出這種理論的缺點，因此只能把它視為很粗略的近似理論。

1924年，德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設，以後的觀察證明，微觀粒子具有波的性質。1926年薛定諤在此基礎上建立了波動力學。同時，其他學者，如海森伯、玻恩、狄拉克等人，從另外途徑建立了等效的理論，這種理論就是現在所說的量子力學，它能很好地解釋原子現象。

20世紀的前30年，原子物理學處於物理學的前沿，發展很快，促進了量子力學的建立，開創了近代物理的新時代。由於量子力學成功地解決了當時遇到的一些原子物理問題，很多物理學家就認為原子運動的基本規律已清楚，剩下來的只是一些細節問題了。

由於認識上的局限性，加上研究原子核和基本粒子的吸引，除一部分波譜學家對原子能級的精細結構與超精細結構進行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理學家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相當長的一段時間裡，對原子物理未能進行全面深入的研究，

使原子物理的發展受到了一定的影響。

20世紀50年代末期，由於空間技術和空間物理學的發展，工程師和科學家們發現，只使用已有的原子物理學知識來解決空間科學和空間技術問題已是很不夠了。過去，人們已精確測定了很多譜線的波長，深入研究了原子的能級，對譜線和能級的理論解釋也比較準確。

但是，對譜線強度、躍遷幾率、碰撞截面等這些空間科學中非常重要的基本知識，則了解得很少，甚至對這些物理量的某些參數只知道其量級。核試驗中遇到的很多問題也都與這些知識有關。因此還必須對原子物理進行新的實驗和理論探討。

原子物理學的發展對激光技術的產生和發展，作出過很大的貢獻。激光出現以後，用激光技術來研究原子物理學問題，實驗精度有了很大提高，因此又發現了很多新現象和新問題。射頻和微波波譜學新實驗方法的建立，也成為研究原子光譜線的精細結構的有力工具，推動了對原子能級精細結構的研究。因此，在20世紀50年代末以後，原子物理學的研究又重新被重視起來，成為很活躍的領域。

目錄：前言 1

緒論 1

第一章 原子的基本狀況 6

1.1 原子的質量和大小 6

1.2 原子的核式結構 8

1.3 同位素 19

習題 20

第二章 原子的能級和輻射 22

2.1 光譜--研究原子結構的重要途徑之一 22

2.2 氫原子的光譜和原子光譜的一般情況 24

2.3 玻爾的氫原子理論和關於原子的普遍規律 26

2.4 類氫離子的光譜 36

2.5 夫蘭克-赫茲實驗與原子能級 42

2.6 量子化通則 48

2.7 電子的橢圓軌道與氫原子能量的相對論效應 50

2.8 史特恩-蓋拉赫實驗與原子空間取向的量子化 55

2.9 原子的激發與輻射 激光原理 62

2.10對應原理和玻爾理論的地位 70

習題 75

第三章 量子力學初步 78

3.1 物質的二象性 78

3.2 測不準原理 82

3.3 波函數及其物理意義 86

3.4 薛定諤波動方程 89

3.5 量子力學問題的幾個簡例 93

3.6 量子力學對氫原子的描述 103

習題 113

第四章 鹼金屬原子和電子自旋115

4.1 鹼金屬原子的光譜 115

4.2 原子實的極化和軌道的貫穿 120

4.3 鹼金屬原子光譜的精細結構 124

4.4 電子自旋同軌道運動的相互作用 126

4.5 單電子輻射躍遷的選擇定則134

4.6 氫原子光譜的精細結構與藍姆移動 135

習題 143

第五章 多電子原子 145

5.1 氦及周期系第二族元素的光譜和能級 145

5.2 具有兩個價電子的原子態 149

5.3 泡利原理與同科電子 159

5.4 複雜原子光譜的一般規律 161

5.5 輻射躍遷的普用選擇定則164

5.6 原子的激發和輻射躍遷的一個實例--氦氖激光器 165

習題 168

第六章 在磁場中的原子 170

6.1 原子的磁矩 170

6.2 外磁場對原子的作用 174

6.3 史特恩-蓋拉赫實驗的結果 178

6.4順磁共振180

6.5 塞曼效應 184

6.6 抗磁性、順磁性和鐵磁性191

習題 196

第七章 原子的殼層結構 199

7.1 元素性質的周期性變化 199

7.2 原子的電子殼層結構 202

7.3 原子基態的電子組態 205

習題 217

第八章 X射線 219

8.1 X射線的產生及其波長和強度的測量 219

8.2 X射線的發射譜 224

8.3 同X射線有關的原子能級 229

8.4 X射線的吸收 233

8.5 康普頓效應 237

8.6 X射線在晶體中的衍射 242

習題 248

第九章 分子結構和分子光譜 250

9.1 分子的鍵聯 250

9.2 分子光譜和分子能級 256

9.3 雙原子分子的電子態 260

9.4 雙原子分子的振動光譜 263

9.5 雙原子分子光譜的轉動結構和分子常數的測定 267

9.6 組合散射(拉曼效應) 275

9.7 多原子分子簡述 279

習題 284

第十章 原子核 285

10.1 原子核的基本性質 285

10.2 原子核的放射衰變 295

10.3 射線同實物的相互作用和放射性的應用 312

10.4 核力 323

10.5 原子核結構模型 326

10.6 原子核反應 341

10.7 原子核裂變和原子能 352

10.8 原子核的聚變和原子能利用的展望 359

習題 368

第十一章 基本粒子 370

11.1 基本粒子和粒子的相互作用 370

11.2 粒子的觀測 373

11.3 守恆定律和對稱原理 382

11.4 共振態 388

11.5 強子分類和層子模型 394

11.6 關於電磁相互作用400

11.7 弱相互作用 403

習題 409

常用物理常數 411

參考書籍 412

外國人名表 413

索引 415

近十多年來，對原子碰撞的研究工作進展很快，已成為原子物理學的一個主要發展方向。目前原子碰撞研究的課題非常廣泛，涉及光子、電子、離子、中性原子等與原子和分子碰撞的物理過程。與原子碰撞的研究相應，發展了電子束、離子束、粒子加速器、同步輻射加速器、激光器等激光源、各種能譜儀等測譜設備，以及電子、離子探測器、光電探測器和微弱信號檢測方法，還廣泛地應用了核物理技術和光譜技術，也發展了新的理論和計算方法。電子計算機的應用，加速了理論計算和實驗數據的處理。

摺疊

原子光譜與激光技術的結合，使光譜解析度達到了百萬分之一赫茲以下，時間解析度接近萬億分之一秒量級，空間分辨達到光譜波長的數量級，實現了光譜在時間、空間上的高分辨。由於激光的功率密度已達到一千萬瓦每平方厘米以上，光波電場場強已經超過原子的內場場強，強激光與原子相互作用產生了飽和吸收和雙光子、多光子吸收等現象，發展了非線性光譜學，從而成為原了物理學中另一個十分活躍的研究方向。

極端物理條件(高溫、低溫、高壓、強場等)下和特殊條件(高激發態、高離化態)下原子的結構和物性的研究，也已成為原子物理研究中的重要領域。

原子量有兩種：原子原子量和元素原子量。原子原子量是原子以碳單位為質量單位(見"原子質量單位")量度的原子質量，是一種相對質量。如12C原子的原子量為12.000000，13C原子的原子量為13.008665。而通常所說的化學元素的原子量是指該元素在自然界存在的同位素混合物的平均原子量，跟混合物中各成分的佔有率直接有關。

元素原子量的計算公式為：元素原子量，其中mi，λi分別為第i種同位素的原子量和它在混合物中的佔有率，r為同位素的種數。如自然界的碳，是三種同位素12C、13C、14C的混合物，分別佔98.892%，1.108%，12×10-10%，因此，碳元素的原子量是12×98.892%+13×1.108%=12.011，而不是整數12，這就是元素周期表中列出的碳原子量。若某元素沒有天然同位素，則該元素原子量就是該原子的原子質量(以碳單位為質量單位)。如鈉原子只有一種23Na，則鈉元素的原子量就是鈉原子的原子量22.98977。

1962年以前物理學中曾經用16O原子質量的1/16作為物理學中原子質量單位，這是物理學中的氧單位。而在化學中仍採用天然同位素混合物(由16O和微量的17O、18O組成)的平均質量的1/16為化學中原子質量單位，稱為化學中的氧單位(即1.6734×10-27kg)，這是對原子質量的兩種標度。按照物理標度，氧元素的原子量為整數16，而按照物理標度，則為16.004462。自然界中氧的同位素組成，在海水中與在空氣和岩石中不一樣，因此氧單位的化學標度不夠嚴格。從1962年起物理學和化學統一用碳單位為原子質量單位，解決了物理學和化學中標度不一致的問題。採用碳單位還有其他好處，如可用質譜儀測量質量，準確度很高；碳能生成很多含碳原子的分子、離子，便於用質譜儀測量，將12C和很多元素的離子的質量進行精確比較，從而確定其原子量；用12C為標準，對原來的原子量的修正值也不大。

"原子量"現已更名為"相對原子質量"。

原子是從宏觀到微觀的第一個層次，是一個重要的中間環節。物質世界這些層次的結構和運動變化，是相互聯繫、相互影響的，對它們的研究缺一不可，很多其他重要的基礎學科和技術科學的發展也都要以原子物理為基礎，例如化學、生物學、空間物理、天體物理、物理力學等。激光技術、核聚變和空間技術的研究也要原子物理提供一些重要的數據，因此研究和發展原子物理這門學科有著十分重要的理論和實際意義。