原子及原子核物理

前言

绪论 1

第1篇 原子物理

第1章 原子的核式结构及氢原子的玻尔理论 5

1.1 原子的基本状况 5

*1.2 原子的核式结构 7

*1.3 卢瑟福散射公式 9

*1.4 氢原子玻尔理论的历史背景 13

1.5 氢原子的玻尔理论 21

1.6 类氢系统的光谱 26

*附录：数值计算法 29

习题与思考题 31

第2章 量子力学初步 33

*2.1 波粒二象性德布罗意物质波 33

*2.2 不确定关系 36

*2.3 波函数与薛定谔方程 38

2.4 量子力学对氢原子的处理 45

习题与思考题 54

第3章 碱金属原子和电子自旋 56

3.1 碱金属原子的光谱和能级 56

3.2 原子实的极化和轨道贯穿 58

3.3 原子的精细结构 60

3.4 电子自旋 65

3.5 单电子辐射跃迁的选择定则 70

3.6 氢原子光谱的精细结构 70

习题与思考题 73

第4章 多电子原子 75

4.1 氦及周期表第二主族元素的光谱和能级 75

4.2 具有两个价电子的原子的原子态 77

4.3 泡利不相容原理 82

4.4 复杂原子光谱的一般规律 86

4.5 辐射跃迁的选择定则 88

习题与思考题 89

第5章 原子的壳层结构 90

5.1 元素性质的周期性 90

5.2 原子的电子壳层结构 91

习题与思考题 101

第6章 外场中的原子 102

6.1 原子的磁矩 102

6.2 磁场对原子的作用 104

6.3 几个证明磁场中能级分裂的典型实验 106

*6.4 斯塔克效应 113

习题与思考题 115

第7章 X射线 117

7.1 X射线的产生及波长和强度的测量 118

7.2 X射线发射谱及特征 122

7.3 原子内壳层电子电离的能级——X射线标识谱产生机制 125

7.4 X射线的吸收 128习题与思考题 133

*第8章 分子结构和光谱 134

8.1 原子间的键联与分子的形成 134

8.2 分子的能级与光谱 144

8.3 拉曼散射和光谱 153

习题与思考题 157

第2篇 原子核物理

第9章 原子核的基本性质和结构 161

9.1 原子核的电荷、质量和半径 161

9.2 原子核的组成与核素图 163

9.3 质量亏损和结合能 166

9.4 原子核的角动量、磁矩和电四极矩 169

9.5 原子核的宇称和统计性 174

9.6 核力 176

9.7 原子核结构模型 180

习题与思考题 194

第10章 放射性衰变及其应用 195

10.1 放射性衰变规律 195

10.2 放射性平衡与天然放射系 199

10.3 衰变规律的应用 202

习题与思考题 204

第11章 α、β、γ衰变 205

11.1 α衰变 205

11.2 β衰变 212

11.3 γ衰变 220

习题与思考题 230

第12章 原子核反应 232

12.1 核反应概述 232

12.2 核反应中的能量 234

12.3 核反应截面 241

12.4 核反应的理论模型 248

习题与思考题 255

第13章 原子核的裂变与聚变 256

13.1 原子核的裂变 256

*13.2原 子核的聚变 268

习题与思考题 274

*第14章 射线与物质的相互作用 275

14.1 重带电粒子与物质的相互作用 275

14.2 快速电子与物质的相互作用 281

14.3 γ射线与物质的相互作用 284

14.4 中子与物质的相互作用 288

习题与思考题 293

*第15章 粒子物理简介 294

15.1 粒子和粒子的相互作用 294

15.2 共振态 298

15.3 粲性粒子的发现 301

15.4 夸克模型 302

15.5标准模型及“基本”粒子的分类 304

习题与思考题 308

习题参考答案 309

参考文献 315

附录 316

附录Ⅰ 常用物理常量 316

附录Ⅱ 一些核素的性质 317

物理学是研究物质运动的一般规律和物质基本结构的学科. 物质的结构按空间尺度分成一个一个层次. 原子及原子核物理学研究空间尺度在10-15～10-10m的物质层次，是关于物质微观结构的一门科学，其研究对象分别为物质结构的原子(10-10m)和原子核(10-15m)层次. 它主要研究原子、原子核的结构与性质及有关问题，即研究物质在原子和原子核层次是由什么组成，这些组成体如何相互作用，这些组成体是怎么运动的.

 尽管人们提出原子的概念已有两千多年的历史，但原子及原子核物理学，准确来说都是在19世纪末20世纪初随着近代物理学的发展而迅速发展的. 特别是人类在1895年、1896年、1897年的三大发现(X射线、放射性和电子的发现)，拉开了近代物理的序幕，开启了原子物理、原子核物理发展的新篇章.

 原子及原子核物理学课程，上承**物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴，但在内容体系的描述上，采用普通物理的描述风格讲述量子物理的基本概念和物理图像. 本书在原子物理部分，从原子光谱入手，提出假设，建立模型，研究价电子的运动规律；以实验为基础研究磁场对原子的作用；从元素周期律和X射线入手研究内层电子的运动规律和排布；然后再进行实验验证，*后形成理论. 通过学习，学生应建立正确的原子结构图像(原子的量子态、电子自旋、泡利原理等)，掌握原子物理学的研究方法及基本概念和原理，掌握原子光谱、能级和能级跃迁的基本规律，了解在原子领域中物理遇到的主要困难，以及为克服这些困难而引入的一些全新的分析方法和推理方法、一些与物理不同的新概念，辩证认识**与近代物理的基本关系. 本书的重点放在对有关概念和规律的物理分析和阐述上，严格的理论处理留待量子力学等后继课程去完成.

 由于原子核是典型的量子多体复杂体系，原子核中包含了丰富的内禀自由度与*多种类的基本相互作用，所以利用射线轰击原子核引起核反应的方法以及利用原子核的放射性衰变特性是研究原子核的主要手段. 我们借助原子核的放射性衰变(α衰变、β衰变、γ衰变)、核反应等大量的科学实验，归纳总结稳定的核素或寿命较长的放射性核素的基态和较低激发态的性质，并通过理论分析建立各种唯象模型，讨论核子在核内的运动和核衰变、核反应机制，对实验事实给出理论解释. 原子核物理学是与整个科学技术发展紧密相连的，它以兴建若干大科学工程为标志，而对大科学工程的研究与开发需在全球范围开展合作竞争，以及较大的公共资源投入，因此，原子核物理学是具有典型的“大科学”特征. 同时，原子核物理学还具有接近实际、依赖实验、唯象成分较多的特点，在学习与研究中应留意.

 第1篇 原子物理

 第1章 原子的核式结构及氢原子的玻尔理论

 1.1 原子的基本状况

 随着科学的发展，人们已经证实了原子的存在. 现在，我们已经证明原子不是如同古人所想象的那样简单而不可分割，而是有复杂的结构和运动，并且是可以被击破的. 化学已经阐明各种物体是由元素构成的，原子是元素能保持其化学特征的*小单元，各种元素的原子结构是有差异的. 例如，碳和铁是不同类型的元素，它们的*小单元就是碳原子和铁原子，这两种原子有各自的结构和特征，它们都可以被击破，但击破后分出来的粒子不再具有碳或铁的特征，已经不是碳或铁了. 各种原子的成分是相同的，只是几种基本粒子. 这几种基本粒子怎样构成多种多样的、具有各种元素特征的原子，我们将逐步说明. 本节先介绍原子的一般情况.

 1.1.1 原子的质量

 不同原子的质量不同，在化学和物理学中常用到它们质量的相对值. 我们把碳在自然界中*丰富的一种同位素12C的质量定为12个单位，以此作为原子量的标准，即一个12C原子质量的1/12为1个原子质量单位u(是unit的缩写) ——碳单位. 1u = m12C×1/12，其他原子的质量同12C的质量比较，定出质量相对值，称

 为原子量. 于是氢的原子量是1.0079u，碳是12.011u，氧是15.999u，铜是63.54u等. 原子量可用化学方法测定.

 u和g的换算关系推算如下：按阿伏伽德罗定律，1mol原子的物质中，不论哪种元素，都含有同一数量的原子. 这个数称为阿伏伽德罗常量N0. 如1mol的12C或12g(12C的原子量以克为单位)12C含有N0个12C原子，则每个碳原子的质量以g为单位为12/N0(g)；现在把它定义为12u，故u和g的换算关系为12u= 12/N0g，即

 所以，知道了原子量，可以求出原子质量的绝对值. 如果以A代表原子量，N0代

 表阿伏伽德罗常量，MA代表一个原子的质量绝对值，那么

 (1-1)

 式中，A代表1mol原子的以克(g)为单位的质量，只要N0知道，MA就可以算出. 测定N0的方法有几种，现在列举一种. 通过电解法可以实验测得法拉第常数

 F = 96485.309(29)C/mol

 F表示1mol带单个电量的离子所带的总电量. 如果原子的原子价为n，则显然有

 (1-2)

 如果电子电量e精密测得，N0便可求出. 目前认为*精密的N0值为

 (1-3)

 由式(1-1)可算得氢原子的质量，即

 (1-4)

 其他原子质量的绝对值同样可算出，*大的原子质量是这个数值的200多倍.

 1.1.2 原子的大小

 原子的大小可以从下述几个方法加以估计.

 (1)在晶体中原子是按一定的规律排列的. 从晶体的密度和一个原子的质量可以求出单位体积中的原子数. 假设晶体中的原子是互相接触的球体，并已知其排列情况，就可以算出每个原子的大小. 即使排列情况未知，也可以求得原子大小的数量级. 单位体积中的原子数的倒数大约是每个原子的体积，其立方根的数值表示原子线性大小的数量级

 ……

全书共15章，各章均附有习题。第1-8章为原子物理部分，从原子的核式结构及氢原子的玻尔理论、量子力学初步、碱金属原子和电子自旋、多电子原子、原子的壳层结构、外场中的原子、X射线、分子结构和光谱等方面的实验事实总结出的规律汇总到原子结构的全貌。第9-14章为原子核物理部分，主要包括原子核的基本性质和结构，放射性衰变及其应用，a、β、y衰变，原子核反应，原子核的裂变与聚变、射线与物质的相互作用。第15章为粒子物理学的简单介绍。