高等原子分子物理学

目录

第二版前言

第一版前言

第一章原子物理学的主要研究内容1.1原子物理学发展概况

一、早期发展

二、原子物理学发展新高潮·

s1.2激发态结构

一、一般情况

二、里德伯态

三、自电离态、分子超激发态和双电子激发态

四、X射线吸收精细结构

S1.3碰撞

一、电子碰撞

二、原子分子碰撞

三、离子碰撞

四、某些特殊碰撞过程

81.4团簇一、一般情况

二、Co团簇与Co团簇固体三、碳纳米管和碳纳米洋葱

S1.5超精细能级结构和精密测量一、计量标准

二、原子钟

1.6奇特原子结构一、μ-子催化核聚变二、反氢原子

三、电子偶素

81.7强场效应一、强磁场中的原子

二、强电场中的原子三、强激光场中的原子81.8原子分子测控一、单原子分子操纵和探测识别

二、玻色-爱因斯坦凝聚三、原子激射器

四、量子计算机

参考文献

第二章原子的激发态结构2.1电子组态和原子态一、原子单位

二、中心力场近似和电子组态

三、静电非中心力作用、LS耦合、谱项和原子态四、原子能级表和图

2.2氢、碱金属IA族和IB、IⅢA族原子一、氢原子能级精细结构

二、兰姆移位

三、氢原子波函数和电子的概率密度分布

四、碱金属IA族原子的精细结构…

五、IB和ⅢA族原子

S2.3 氦和ⅡA、IⅡB族原子

一、氦原子能级的精细结构·

二、碱土金属ⅡA族原子…

三、ⅡB族原子

2.4耦合类型、组态作用和跃迁选择定则一、LS、j和J'l耦合…二、耦合的一般情况…三、组态相互作用…四、跃迁类型和选择定则·

2.5ⅣA族和0族惰性气体原子

一、ⅣA族原子

二、0族惰性气体原子

S2.6 VA、ⅦA和ⅦA族原子

一、VA族原子

二、ⅥA族原子

三、ⅦA族原子

四、各族能级结构比较

82.7过渡元素原子和X激光一、过渡元素和稀土元素原子二、X射线激光

参考文献

第一章原子物理学的主要研究内容本章首先介绍原子分子物理学的发展概况，重点是原子物理学的发展新高潮，主要内容是分节介绍当前原子分子物理实验研究的主要前沿领域和最新进展，并着重介绍原子物理方面的内容，在其他各章也会补充一些前沿研究内容。

1.1原子物理学发展概况

一、早期发展

原子论最早是由古希腊哲学家为了论证唯物主义主张作为哲学而提出来的。但在当时，人们对自然界只是很肤浅的了解，还没有形成自然科学，把思想和认识上的东西统称为哲学。因此这一主张只不过是一个大胆的想法，一个哲学学派的有争议的思想而已，并没有任何实验根据可说。但是世界上的事总是合久必分，分久必合，螺旋式上升。当时的合是低水平的合，是对自然规律不了解下的合。到17世纪以后，随着自然科学的发展，终于脱离哲学的束缚而分离出来成为独立科学——自然哲学，随后又分开为各门学科，特别是化学的发展，才使原子分子论（简称原子论）建立在实验和理论的基础上。这里值得提到的是1774年拉瓦锡

（A.L.Lavoisier）的元素学说，1803年道尔顿（J.Dalton）的原子学说，以及阿伏伽德

罗（A.Avogadro）常量假设。原子论指出：不同元素代表不同原子，原子在空间上按一定方式或结构结合成分子，分子进一步集聚成物体。分子的结构直接决定物体性能。

注意这时的原子分子论基本上属于化学范畴。近代化学的框架基本上仍然是建立在原子分子论基础上。当时有个不成文的分工，物理学研究物体的运动规律和相互作用，分力、热、电、声、光学。现在的原子物理当时没有，所以叫近代物理。

化学研究物体组成和结构以及分子的性质和反应。

然而，就原始的概念来说，物理是探索宇宙万物之理，物理学研究自然界和物质的属性、特征、原因、运动现象、作用及其规律。根据这个定义，现代的原子分子物理学研究原子的内部组成和结构（特别是能级结构）、原子如何构成分子、分子的结构和能级、以及动力学问题，当然与其他科学交叉，也会发展一些新的研究方向。尽管光谱数据的积累从19世纪末已开始，但原子分子物理作为一门科学却是从20世纪开始的。首先汤姆孙在1897年发现电子之后推动了卢瑟福通过a粒子散射实验在1911年提出了原子的核式模型，玻尔在1913年分析了过去的氢原子

光谱数据，提出了原子的电子处于不同的能级状态的氢原子模型。立即弗兰克兹利用电子束与原子气体碰撞实验证实了原子的电子能级结构。1927年戴维和乔治·汤姆孙发现电子在晶体中的衍射现象，从而揭示了波粒二象性，在这前后，海森伯、薛定谔和狄拉克建立了量子力学的矩阵力学和波动力学，从而开始了原子物理发展的黄金时期。这一时期理论上主要是发展量子力学，实验上主要利用光谱学方法研究原子的能级结构，利用电子碰撞研究动力学问题。随看光谱仪分辨率的提高，发现了能级精细结构和超精细结构现象。这时化学也在物理上这些重大成就的基础上向前发展，用量子力学可以解释化学反应和计算化学反应率。物理与化学在新的基础上发生交融，促进了交叉学科量子化学和化学物理学的发展。卢瑟福和居里夫人、尤里得的是诺贝尔化学奖，但我们认为这些都是原子物理工作。事物发展分久必合，但是是在更高层次上的合。

自从1932年发现中子，特别是1936年发现裂变现象之后，人们的注意力发生很大的变化，许多原子物理学家转移到原子核物理的研究上来，这是由于当时处于二次世界大战前夕，主要是军事上的动力，即研制裂变武器和聚变武器，当然也有和平利用原子能和射线造福于人类的动力，以及核物理学科本身的探索发展动力。40年代后期以后，建造了许多加速器，使核物理和粒子物理得到蓬勃发展，爆炸了原子弹和氢弹，原子能发电和放射性核素得到广泛应用，发现了各种各样的当时叫做基本粒子的微小粒子。

　　《普通高等教育十一五规划教材：高等原子分子物理学》是在大学“原子物理”和“量子力学”基础上为原子分子物理有关专业的研究生开设的“高等原子分子物理学”课程的要内括原子物理学的主要研究内容、原子的激发态结构、分子的能级结构、谱线宽度和线形、激光和同步辐射光谱学、电子能谱学和电子动量谱学、其它一些重要研究手段等。《普通高等教育十一五规划教材：高等原子分子物理学》以实验事实为基础，着重阐述物理概念和规律，力求说理清楚、突出、条理分明。既注重介绍原子分子物理学的基础知识，又介绍20年来原子分子物理学实验的研究前沿、主展，以及相关的技术基础。主要内括原子分子物理学的主要研究内容、原子分子的激发态结构、分子的能级结构、普线宽度和线形、激光和同步辐射光谱学、电子能谱学和电子动量谱学，以及其他的一些重要研究手段等。
　　 　　《普通高等教育“十一五”规划教材：高等原子分子物理学（第2版）》适合于大学物理系原子分子物理专业和化学系物理化学专业研究生用做教材，亦可供相关专业研究生和教学科研人员参考。
　　

版前言     
 版前言     
 章 原子物理学的主要研究内容     
 1.1 原子物理发展概况     
 一、早期发展     
 二、原子物理发展新高潮     
 1.2 激发态结构     
 一、一般情况     
 二、里德伯态     
 三、自电离态、分子超激发态和双电子激发态     
 四阈结构和扩展X射线细结构     
 1.3 碰撞过程     
 一、电子碰撞     
 二、原子分子碰撞     
 三、离子碰撞     
 四、某些特殊碰撞过程     
 1.4 团簇     
 一、一般情况     
 二、C60原子团簇与C60团簇固体     
 三、碳纳米管和碳纳米洋葱     
 1.5 超精细能级结构和精密测量     
 一、计量标准     
 二、原子钟     
 1.6 奇特原子结构     
 一、μ子催化核聚变     
 二、反氢原子     
 三、电子偶素     
 1.7 应     
 一、强电、磁场中的原子     
 二、强激光场中的原子     
 1.8 原子分子测控     
 一、单原子分子操纵和探测识别     
 二、玻色-爱因凝聚     
 三、原子激射器     
 四、量子计算机     
 参考文献     
 章 原子的激发态结构     
 2.1 谱项和原子态     
 一、原子单位     
 二、中心力似和电子组态     
 三、静电非中心力作用和LS耦合谱项与原子态     
 四、原子能级表和图     
 2.2 氢、碱金属ⅠA族和ⅠB、ⅢA族原子     
 一、氢原子能级精细结构     
 二、兰姆移位     
 三、碱金属IA族原子的精细结构     
 四、ⅠB和ⅢA族原子     
 2.3 氦和ⅡA、ⅡB族原子     
 一、氦原子能级的精细结构     
 二、碱土金属ⅡA族原子     
 三、ⅡB族原子     
 2.4 耦合类型和组态作用     
 一、LS、jj和J‘l耦合     
 二、耦合的一般情况     
 三、组态相互作用     
 2.5 ⅣA族和O族惰气体原子     
 一、ⅣA族原子     
 二、O族惰气体原子     
 2.6 ⅤA、ⅥA和ⅦA族原子     
 一、ⅤA族原子     
 二、ⅥA族原子     
 三、ⅦA族原子     
 四、各族能级结构比较     
 2.7 过渡元素原子和X激光     
 一、过渡元素和稀土元素原子     
 二、X射线激光     
 参考文献     
 第三章 分子的能级结构     
 3.1 玻恩-奥本海似     
 一、玻恩-奥本海似     
 二、分子的势能函数     
 3.2 双原子分子的转动和振动结构     
 一、刚转子的转动能级和纯转动光谱     
 二、简谐振子的振动能级和振动转动光谱     
 三、分子在不同能级上的布居     
 四、非谐、非刚和振动-转动相互作用     
 3.3 双原子分子的电子态结构     
 一、电子轨道     
 二、电子组态     
 三、电子谱项     
 3.4 电子能级的转动和振动结构     
 一、电子振动转动光谱     
 二、电子角动量对转动能级的影响     
 三、弗兰克-康登原理     
 3.5 双原子分子波函数的对称和选择定则     
 一、空间反演对称——宇称     
 二、核交换对称——同核分子核自旋的影响     
 三、电子跃迁选择定则     
 3.6 分子的对称和对称点群     
 一、对称元素和对称r /> 二、分子的点群种类     
 三、分子的点群表示     
 3.7 多原子分子的转动和振动结构     
 一、多原子分子的转动态     
 二、多原子分子的振动态     
 3.8 多原子分子的电子态结构     
 一、线形多原子分子的分子轨道、电子组态和电子态     
 二、非线形多原子分子的分子轨道、电子组态和电子态     
 参考文献     
 第四章 谱线宽度和线形     
 4.1 自然宽度和洛伦兹线形     
 一、跃迁概率、寿命和能级宽度     
 二、自发辐射谱的洛伦兹线形     
 三、吸收谱的线形和宽度     
 4.2 多普勒斯线形及佛克托线形     
 一、多普勒宽度和高斯线形     
 二、佛克托线形     
 4.3 碰撞增宽     
 一、碰撞增宽     
 二、液体和固体中谱线增宽     
 4.4 饱和增宽     
 一、饱和吸收     
 二、均匀增宽情形     
 三、不均匀增宽情形     
 4.5 其它增宽     
 一、穿越时间增宽     
 二、仪器增宽     
 三、法诺线形     
 参考文献     
 第五章 激光和同步辐射光谱学     
 5.1 光子的吸收和散射     
 一、光电效应     
 二、汤姆孙散射和康普顿散射     
 三、瑞利散射和共振散射     
 四、吸收定律     
 5.2 激光光谱中常用的激光器     
 一、产生激光的基本条件     
 二、液体燃料激光器     
 三、固体钛宝石激光器     
 四、泵浦光源     
 5.3 常用的激光光谱学方法     
 一、激光光谱学特点     
 二、吸收光谱     
 三、激光诱导荧光光谱     
 四、激光拉曼光谱     
 五、共振增强多光子电离光谱     
 5.4 高分辨激光光谱学方     
 一、饱和吸收光谱     
 二、偏振光谱     
 三、多光子吸收光谱     
 四、超声射流分子束光谱     
 五、激光泵浦双共振     
 六、时间分辨激光光谱     
 5.5 同步辐射技术     
 一、同步辐射光源     
 二、同步辐射特点     
 三、原子分子物理实验站     
 参考文献     
 第六章 电子能谱学和电子动量谱学     
 6.1 电子能谱技术     
 一、静电型能量分析器     
 二、电子能量损失谱方法     
 三、光电子能谱和电子束电子能谱     
 6.2 散射截面和电离、解离截面     
 一、微分散射截面     
 二、积分截面和全截面     
 三、电离和解离截面     
 6.3 振子强度     
 一、广义振子强度     
 二、光学振子强度     
 6.4 电子动量谱学和波函数绘图     
 一、氢原子的电子动量谱     
 二、测量电子动量谱的原理     
 三、电子动量谱测量     
 6.5 固体的电子碰撞谱学     
 一、电子能量损失谱和电子衍射     
 二、固体电子动量谱     
 参考文献     
 第七章 其它一些重要研究手段     
 7.1 离子束源     
 一、普通离子源     
 二、强流高电荷态离子源     
 7.2 质谱仪和原子分子磁共振     
 一、质谱仪     
 二、原子分子束磁共振     
 7.3 粒子囚禁技术     
 一、离子阱     
 二、激光冷却     
 三、激光阱     
 7.4 扫描探针显微镜     
 一、扫描隧道显微镜     
 二、原子力显微镜     
 三、其它扫描力显微镜     
 四、扫场光学显微镜和扫场微波显微镜     
 参考文献     
 附录     
 Ⅰ 基本的物理化学常数     
 Ⅱ 元素周期表和原子壳层结构     
 Ⅲ 原子K、L、M和部分N壳层的电子结合能     
 Ⅳ 原子和离子的电离能（eV）     
 Ⅴ 某些常见分子和自由基的电离能（eV）     
 名词索引