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绪论1

第1篇原子物理5

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

1.1.1 原子的质量5

1.1.2 原子的大小6

*1.2 原子的核式结构6

1.2.1 α粒子的散射实验7

1.2.2 原子的核式结构模型8

*1.3 卢瑟福散射公式8

1.3.1 库仑散射公式8

1.3.2 卢瑟福散射公式9

1.3.3 原子核半径的估算11

*1.4 氢原子玻尔理论的历史背景11

1.4.1 卢瑟福原子核式结构模型的困难11

1.4.2 黑体辐射11

1.4.3 光电效应14

1.4.4 氢原子光谱的规律16

1.5 氢原子的玻尔理论18

1.5.1 氢原子的玻尔理论18

1.5.2 光谱项21

*1.5.3 原子能级的实验验证——弗兰克－赫兹实验21

1.6 类氢系统的光谱23

*附录：数值计算法25

习题26

第2章 量子力学初步28

*2.1 波粒二象性 德布罗意物质波28

2.1.1 德布罗意假设28

2.1.2 德布罗意波的实验验证28

2.1.3 德布罗意波的统计解释30

*2.2 不确定关系30

*2.3 波函数薛定谔方程32

2.3.1 波函数概率密度32

2.3.2 薛定谔方程33

2.3.3 力学量的算符和平均值34

2.3.4 薛定谔方程应用举例35

2.4 量子力学对氢原子的处理37

*2.4.1 氢原子的薛定谔方程37

*2.4.2 能量和角动量39

*2.4.3 电子被发现的概率的分布41

2.4.4 三个量子数的物理意义44

习题45

第3章 碱金属原子和电子自旋47

3.1 碱金属原子的光谱和能级47

3.1.1 碱金属47

3.1.2 碱金属原子的光谱和能级47

3.2 原子实的极化和轨道贯穿49

3.2.1 原子实49

3.2.2 原子实的极化49

3.2.3 轨道的贯穿50

3.3 原子的精细结构51

3.3.1 碱金属原子光谱的精细结构51

3.3.2 原子中电子轨道运动的磁矩52

3.4 电子自旋54

3.4.1 电子自旋的假设54

3.4.2 电子自旋磁矩55

3.4.3 自旋——轨道相互作用，原子精细结构的定量考虑55

3.5 单电子辐射跃迁的选择定则58

3.6 氢原子光谱的精细结构59

3.6.1 氢原子能级的精细结构59

3.6.2 氢光谱精细结构的观测60

习题61

第4章 多电子原子63

4.1 氦及周期表第二族元素的光谱和能级63

4.1.1 氦的光谱和能级63

4.1.2 镁的光谱和能级64

4.2 具有两个价电子的原子的原子态65

4.2.1 电子组态65

4.2.2 一种电子组态构成不同的原子态65

4.3 泡利不相容原理69

4.3.1 泡利不相容原理69

4.3.2 等效电子形成的原子态70

4.4 复杂原子光谱的一般规律72

4.4.1 光谱和能级的位移律72

4.4.2 多重性的交换律72

4.5 辐射跃迁的选择定则73

4.5.1 电子组态变化的规则73

4.5.2 原子辐射跃迁的选择定则74

习题74

第5章 原子的壳层结构76

5.1 元素性质的周期性76

5.2 原子的电子壳层结构77

5.2.1 决定原子壳层结构的两条准则77

5.2.2 原子中电子的壳层结构77

5.2.3 电子组态的能量——壳层的次序78

5.2.4 原子基态的电子组态及元素周期表79

5.2.5 原子基态光谱项的确定83

习题85

第6章 磁场中的原子86

6.1 原子的磁矩86

6.1.1 单电子原子的总磁矩86

6.1.2 两个或两个以上电子的原子磁矩87

6.2 磁场对原子的作用87

6.2.1 拉莫进动（旋进）87

6.2.2 原子受磁场作用附加的能量88

6.3 几个证明磁场中能级分裂的典型实验89

6.3.1 施特恩－格拉赫实验的再分析89

6.3.2 顺磁共振90

6.3.3 塞曼效应91

习题95

第7章 X射线97

7.1 X射线的产生及波长和强度的测量98

7.1.1 X射线的产生98

7.1.2 X射线波长和强度的测量98

7.1.3 X射线在晶体中衍射的应用100

7.2 X射线发射谱及特征101

7.2.1 X射线的发射谱101

7.2.2 连续谱——轫致辐射101

7.2.3 标识辐射的特征102

7.3 原子内壳层电子电离的能级——X射线标识谱产生机制104

7.3.1 产生标识辐射的先决条件104

7.3.2 X射线标识谱产生机制和标识谱的标记方法105

7.3.3 俄歇电子106

7.4 X射线的吸收106

7.4.1 光子与物质的相互作用106

7.4.2 X射线的吸收107

7.4.3 吸收限108

7.4.4 X射线吸收过程的应用109

习题111

**第8章 分子结构和光谱112

8.1 原子间的键联与分子的形成112

8.1.1 离子键112

8.1.2 共价键114

8.2 分子的能级与光谱120

8.2.1 分子内部运动的三种形式120

8.2.2 双原子分子的转动能级和光谱121

8.2.3 双原子分子的振动能级和光谱123

8.2.4 双原子分子的振转能级和振转光谱124

8.2.5 双原子分子的电子态126

8.3 拉曼散射和光谱127

8.3.1 拉曼散射及主要的实验结果127

8.3.2 拉曼散射的理论解释129

习题131

第2篇原子核物理135

第9章 原子核的基本性质和结构135

9.1 原子核的电荷、质量和半径135

9.1.1 原子核的电荷135

9.1.2 原子核的质量135

9.1.3 原子核的半径135

9.2 原子核的组成136

9.2.1 原子核的组成136

9.2.2 核素和核素图136

9.3 质量亏损和结合能138

9.3.1 1＋1≠2138

9.3.2 平均结合能139

9.4 原子核的角动量和磁矩140

9.4.1 原子核的角动量（核自旋）140

9.4.2 原子核的磁矩142

9.4.3 原子核的电四极矩142

9.5 原子核的统计性和宇称143

9.5.1 原子核的宇称143

9.5.2 原子核的统计性143

9.6 核力144

9.6.1 核力的一般性质（今已了解的）144

9.6.2 核力的介子论145

9.7 原子核结构模型147

9.7.1 原子核的液滴模型和结合能的半经验公式147

9.7.2 原子核的壳层模型149

*9.7.3 原子核的集体模型153

习题156

第10章 原子核放射性衰变157

10.1 放射性衰变及其规律157

10.1.1 放射性衰变及类型157

10.1. 2单独存在的放射性物质的衰变规律157

10.2 4个放射系159

10.2.1 铀系（铀－镭系）159

10.2.2 锕系（4n+3系）162

10.2.3 钍系（4n系）162

10.2.4 镎系（4n+1系）162

习题162

第11章 α衰变163

11.1 α衰变的条件及能量分配163

11.1.1 α衰变的条件163

11.1.2 衰变能及其分配163

11.2 α能谱的精细结构与核能级164

11.2.1 α能谱的精细结构164

11.2.2 能谱精细结构与核能级的关系165

11.2.3 α衰变机制166

11.3 长射程α粒子167

习题167

第12章 β衰变168

12.1 β衰变的3种形式168

12.1.1 β-衰变168

12.1.2 β+衰变168

12.1.3 电子俘获和俄歇效应169

12.2 β衰变面临的难题170

12.2.1 β能谱的连续性170

12.2.2 β衰变面临的难题170

12.2.3 中微子假说170

12.3 β衰变纲图和β衰变三种形式的比较172

12.3.1 β衰变纲图172

12.3.2 β衰变三种形式的比较172

习题173

第13章 γ衰变174

13.1 γ射线的一般性质174

13.1.1 γ射线的性质174

13.1.2 γ跃迁中的能量分配174

13.2 内变换（IC）174

13.2.1 内变换现象174

13.2.2 内转换电子的能量谱175

13.2.3 电子偶内变换176

13.3 同质异能素176

13.4 穆斯堡尔效应177

13.4.1 原子核内光子的共振吸收177

13.4.2 穆斯堡尔效应178

习题180

*第14章 射线与物质的相互作用181

14.1 重荷电粒子与物质的相互作用181

14.1.1 电离和激发181

14.1.2 射程（R）182

14.2 快速电子与物质的相互作用184

14.2.1 非弹性散射（电离和激发）184

14.2.2 轫致辐射184

14.2.3 弹性散射184

14.2.4 切伦科夫辐射185

14.2.5 正负电子的湮灭185

14.2.6 β射线的吸收和射程185

14.3 γ射线同物质的相互作用186

14.3.1 原子截面186

14.3.2 γ射线在物质中的吸收187

14.4 放射性的应用188

14.4.1 示踪原子的应用188

14.4.2 地质考古中的应用188

习题189

第15章 原子核反应190

15.1 核反应及遵循的守恒定律190

15.1.1 概述190

15.1.2 核反应遵守的一系列守恒律191

15.2 核反应中的能量191

15.2.1 反应能Q191

15.2.2 Q方程192

15.2.3 核反应的阈能193

15.3 核反应截面195

15.3.1 反应截面σ195

15.3.2 总截面、分截面196

15.3.3 微分截面196

15.4 核反应的三阶段描述197

15.5 核反应的复合核模型198

15.5.1 复合核模型的基本假设198

15.5.2 复合核的能级宽度198

15.5.3 核共振199

15.5.4 截面的连续区200

15.6 原子核的光学模型200

习题201

第16章 原子核的裂变和原子能的利用202

16.1 原子核的裂变现象202

16.1.1 裂变现象202

16.1.2 裂变能203

16.2 裂变理论203

16.2.1 重核的稳定性（原子核的稳定性）203

16.2.2 原子核势能与核形变的关系204

16.2.3 激活能（裂变阈能）204

16.3 链式反应和原子反应堆205

16.3.1 链式反应205

16.3.2 维持链式反应的必要条件206

16.3.3 原子反应堆206

16.3.4 原子武器207

习题208

第17章 原子核的聚变和原子能的利用展望209

17.1 原子核的聚变209

17.1.1 核聚变209

17.1.2 实现自持聚变的条件209

17.2 等离子体的约束210

17.2.1 引力约束210

17.2.2 磁约束（MCF）211

17.2.3 惯性约束（ICF）212

*第18章 粒子物理简介214

18.1 粒子和粒子的相互作用214

18.1.1 4种基本相互作用214

18.1.2 早期粒子的分类214

18.1.3 奇异粒子的发现和奇异数S215

18.1.4 同位旋和盖尔曼－西岛关系216

18.1.5 对称原理（粒子在C、P、T操作下的对称性）216

18.2 共振态217

18.2.1 重子共振态217

18.2.2 介子共振态218

18.3 粲性粒子的发现219

18.4 夸克模型220

18.4.1 粒子的内部结构220

18.4.2 夸克模型220

18.5 标准模型及“基本”粒子的分类222

18.5.1 标准模型中的基本相互作用222

18.5.2 按标准模型对粒子的分类223

习题225

附录226

附录Ⅰ 常用物理常数226

附录Ⅱ 一些核素的性质227

习题参考答案231

参考文献234