第六章在磁场中的原子
原子物理学总复习
段正路
2014年
1
第一章 原子的基本状况
重点： 1，原子的核式结构 2，α粒子散射实验的意义
2
1、卢瑟福的原子核式模型
原子中的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子中央一 个很小的体积内，称为原子核。原子中的电子在核的周围 绕核运动。
2. α粒子的散射实验：
α粒子被静止核的库仑场散射的角度θ由下式决定
• Z：质子数 • A: 质量数
C4 0
20
a
原子核的角动量
P 核 LnSnLpSp
P核 I(I1)h
原子核的磁矩
I g
I(I1) he 2M
38
原子核的统计性：A为奇数的原子核属于费米子；A为偶 数的原子核属于玻色子。
原子核的结合能
E [Z m p (A Z )m n m 核 ]C 2 或 E [Z m H (A Z )m n m 原 子 ]C 2
r rr 总角动量 JLS JLS,LS 1 ,......,LS
L LS耦合下的原子态符号表示:
2S 1
s=0，单重态
J s=1，三重态
能级排布规则
洪特定则 朗德间隔定则
17
j-j 耦合
rjrj21 rrll12srsr12 rr r Jj1j2
j1 l1 s 1 ,l1 s 1 1 ,....,l1 s 1 j2 l2 s 2 ,l2 s 2 1 ,....,l2 s 2 Jj1j2,j1j2 1 ,....,j1j2
% 1R (m 12n 1 2)Tm Tn
R — 里德堡常数；T(m) —光谱项。
光谱线系 m = 1，n = 2、3、4…，赖曼系（紫外） m = 2，n = 3、4、5…，巴尔末系（可见光） m = 3，n = 4、5、6…，帕邢系（红外） m = 4，n = 5、6、7…，布喇开系（远红外）
原子物理学课后习题答案
第一章 原子的基本状况1.1 若卢瑟福散射用的α粒子是放射性物质镭'C 放射的，其动能为67.6810⨯电子伏特。
散射物质是原子序数79Z =的金箔。
试问散射角150οθ=所对应的瞄准距离b 多大？解：根据卢瑟福散射公式：20222442K Mv ctgb b Ze Zeαθπεπε==得到：2192150152212619079(1.6010) 3.97104(48.8510)(7.681010)Ze ctg ctg b K οθαπεπ---⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯⨯米式中212K Mv α=是α粒子的功能。
1.2已知散射角为θ的α粒子与散射核的最短距离为220121()(1)4sinmZe r Mv θπε=+，试问上题α粒子与散射的金原子核之间的最短距离m r 多大？解：将1.1题中各量代入m r 的表达式，得：2min202121()(1)4sin Ze r Mv θπε=+ 1929619479(1.6010)1910(1)7.6810 1.6010sin 75ο--⨯⨯⨯=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯143.0210-=⨯米1.3 若用动能为1兆电子伏特的质子射向金箔。
问质子与金箔。
问质子与金箔原子核可能达到的最小距离多大？又问如果用同样能量的氘核（氘核带一个e +电荷而质量是质子的两倍，是氢的一种同位素的原子核）代替质子，其与金箔原子核的最小距离多大？解：当入射粒子与靶核对心碰撞时，散射角为180ο。
当入射粒子的动能全部转化为两粒子间的势能时，两粒子间的作用距离最小。
根据上面的分析可得：220min124p Ze Mv K r πε==，故有：2min 04p Ze r K πε=19291361979(1.6010)910 1.141010 1.6010---⨯⨯=⨯⨯=⨯⨯⨯米 由上式看出：min r 与入射粒子的质量无关，所以当用相同能量质量和相同电量得到核代替质子时，其与靶核的作用的最小距离仍为131.1410-⨯米。
褚圣麟版《原子物理》期末复习
设有一薄膜，面积为A，厚度为ｔ，单位体积内的原子数为N
， 则被散射到dΩ内的粒子数dn占总入射粒子n的百分比，也 即是粒子被散射到dΩ内的几率：
dndNtd
nA
3
1
4. 库仑散射理论
（1）库仑散射公式：
Z1
b a ctg
22
其中 a Z1Z2e2
4 0EK
EK
1 Mv2 2
带电粒子的库仑散射
成立的假设条件：1）只发生单次散射；2）只有库仑相 互作用；3）核外电子的作用忽略不计；4）靶核静止不 动。
2
（2）卢瑟福散射公式
d(410)2(M Z22 e)v2sdi 4n2
2、电子自旋
电子自旋运动的量子化角动量为
ps s(s1) pszms12
自旋量s子 1数 2
所以 ms 12
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第五章 多电子原子
1、氦原子光谱和能级 掌握氦原子光谱和能级的特点。（p145）
2、两个电子的耦合 （1）电子组态 n1l1n2l2------
L-S耦合： (s1s2…)(l1l2…)=(SL)＝Ｊ
8
第四章 碱金属原子与电子自旋
1、碱金属原子光谱和能级
（1）四组谱线-------主线系（nP-2S）,第二辅线系（nS2P）第一辅线系：（nD-2P）,柏格曼系(nF-3D） （2）三个终端------（2S,2P,3D） （3）两个量子数---------n，l （4）一条跃迁选择定则Δl=±1.
2. 掌握原子核的放射性衰变规律及衰变常数，半衰期等概 念。
光谱学课程总结
《光谱学与光谱技术》课程总结第一章 氢原子光谱的基础1. 氢原子的旧量子理论是由玻尔创立的，玻尔并成功地解释了氢原子光谱。
2. 在光谱学中波数定义为波长的倒数，即 。
3光谱图强度曲线中横坐标可用波长表示，也可用波数表示，还可用频率表示。
4. 当原子被激发到电离限之下时其光谱线为分立谱；当原子被激发到接近或高于电离限的位置时其光谱线为连续谱。
原子光谱是原子的结构的体现。
5. 针对H 原子的Pfund 系光谱, 22115R n ν⎛⎫=- ⎪⎝⎭H ， R H =109677.6cm -1 为已知常数。
请计算该线系的最长波长和最短波长。
221115R n νλ⎛⎫==- ⎪⎝⎭H n =6, 22115R n ⎛⎫- ⎪⎝⎭H 最小，λ最大 n →∞，221115R n νλ⎛⎫==- ⎪⎝⎭H 最大，λ最短 6. 激光作为光谱学研究的光源有优势（1）单色性好：普通光源发射的光包含各种不相同的频率，含有多种颜色；而激光发射的光频宽极窄, 是最好的单色光源。
（2）相干性好：由于激光是受激辐射的光放大，具有很好的相干性；而普通光 源的光由自发辐射产生是非相干光。
（3）方向性好:激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线，便于调整光路；而普 通光源发出的光是发散的，不便于调整光路。
（4）高亮度:激光的亮度可比普通光源高出1012-1019倍，便于做各种实验。
7. 使H 原子解除简并的两种效应及其异同。
部分解除简并是由相对论（速度）效应和LS 耦合（自旋与轨道作用）作用共同导致的，要想完全解除简并, 则需加磁场（与原子磁矩相互作用产生附加能导致 1λ能级的分裂）或电场（与平均电偶极矩作用产生附加能导致能级的分裂）。
因为关于磁量子数m的(2j+1)度的简并依然存在。
m=j, j-1,……-j第二章碱金属原子光谱基础1. 碱金属原子包括6种元素：Li(3)、Na(11)、K(19)、Rb(37)铷、Cs(55)铯、Fr(87钫)2.类碱离子：原子实外具有与碱金属原子同样数目的电子的那些离子。
磁场中的铜原子
磁场中的铜原子
磁场中的铜原子
磁场是一种物理现象，它可以影响周围的物质。
铜是一种常见的金属，它在磁场中的行为引起了科学家们的兴趣。
在磁场中，铜原子会发生
什么变化呢？
首先，我们需要了解一些基础知识。
磁场是由磁性物质产生的，它会
对周围的物质产生力的作用。
铜是一种非磁性物质，它不会产生磁场。
但是，当铜处于磁场中时，它会受到磁场的影响。
铜原子在磁场中的行为可以通过一些实验来观察。
例如，可以将铜放
在磁场中，然后观察它的运动。
实验结果表明，铜原子会受到磁场的
力的作用，从而发生运动。
这种运动可以用一些物理量来描述，例如
速度、加速度等。
此外，铜原子在磁场中还会发生一些其他的变化。
例如，它的电导率
会发生变化。
电导率是指物质导电的能力，它与物质的结构和化学成
分有关。
在磁场中，铜原子的电导率会发生变化，这是因为磁场会影
响铜原子的电子运动。
铜原子在磁场中的行为对于科学研究具有重要意义。
它可以帮助我们更好地理解物质的性质和行为。
此外，铜是一种常见的金属，在工业生产中也有广泛的应用。
因此，研究铜在磁场中的行为也具有实际意义。
总之，磁场对铜原子的行为产生了影响，它会引起铜原子的运动和电导率的变化。
这种现象对于科学研究和工业生产都具有重要意义。
未来，我们可以通过进一步的研究来深入了解铜在磁场中的行为，为科学和工业的发展做出更大的贡献。
原子物理学课后习题详解第6章(褚圣麟)
第六章 磁场中的原子6.1 已知钒原子的基态是2/34F 。
（1）问钒原子束在不均匀横向磁场中将分裂为几束？（2）求基态钒原子的有效磁矩。
解：（1）原子在不均匀的磁场中将受到力的作用，力的大小与原子磁矩（因而于角动量）在磁场方向的分量成正比。
钒原子基态2/34F 之角动量量子数2/3=J ，角动量在磁场方向的分量的个数为4123212=+⨯=+J ，因此，基态钒原子束在不均匀横向磁场中将分裂为4束。
（2）J J P meg2=μ h h J J P J 215)1(=+= 按LS 耦合：52156)1(2)1()1()1(1==++++-++=J J S S L L J J gB B J h m e μμμ7746.0515215252≈=⋅⋅⋅=∴ 6.2 已知He 原子0111S P →跃迁的光谱线在磁场中分裂为三条光谱线，其间距厘米/467.0~=∆v，试计算所用磁场的感应强度。
解：裂开后的谱线同原谱线的波数之差为：mcBe g m g m v πλλ4)(1'1~1122-=-=∆ 氦原子的两个价电子之间是LS 型耦合。
对应11P 原子态，1,0,12-=M ；1,1,0===J L S ，对应01S 原子态，01=M ，211.0,0,0g g J L S =====。
mc Be vπ4/)1,0,1(~-=∆ 又因谱线间距相等：厘米/467.04/~==∆mc Be vπ。
特斯拉。
00.1467.04=⨯=∴emcB π 6.3 Li 漫线系的一条谱线)23(2/122/32P D →在弱磁场中将分裂成多少条谱线？试作出相应的能级跃迁图。
解：在弱磁场中，不考虑核磁矩。
2/323D 能级：,23,21,2===j S l54)1(2)1()1()1(123,21,21,232=++++-++=--=j j s s l l j j g M2/122P 能级：,21,21,2===j S l 32,21,211=-=g ML v)3026,3022,302,302,3022,3026(~---=∆ 所以：在弱磁场中由2/122/3223P D →跃迁产生的光谱线分裂成六条，谱线之间间隔不等。
张东海原子物理学考点总结
原子物理学考点总结第一章 原子的基本状况（总结）一、 原子的大小和质量1、 原子的大小各种原子有不同的半径，其数量级均为10-10m.2、 原子的质量在化学和物理学上原子的质量通常用它们的相对质量来表示，质量单位为12C 的质量的1/12。
二、 原子的组成1、E. Rutherford 原子核式结构模型原子是由原子核和核外电子组成：原子核处于原子的中心位置，其半径在10-15m 到10-14m 之间，原子核带正电荷，其数值为原子序数乘单位电荷数值；电子分布在原子核外，分布半径为10-10m 。
2、E. Rutherford 原子核式结构模型的验证1）、库仑散射公式（1）式中：M 为α粒子的质量，v 为α粒子的速度，Z 为原子核的电荷数，θ为散射角，b 为碰撞参数。
公式（1）无法直接和实验进行比较。
2）、E. Rutherford 散射公式2sin )()41(422220θπεσΩ=d Mv Ze d （2）式中：d σ称为微分散射截面，其物理意义是α粒子散射到θ-θ+d θ之间立体角为d Ω内每个原子的有效散射截面。
公式的实用范围θ=450-1500.3、 原子核的大小估计利用E. Rutherrford 散射理论可以估计出原子核的大小，即α粒子距原子核的最近距离：))2s i n (11(241220θπε+=Mv Ze r m 由于E. Rutherford 散射公式在θ=1500时仍有效，所以取θ=1500。
第二章、原子的能级和辐射（玻尔氢原子理论）一、 玻尔理论1、玻尔理论的基础1）、氢原子光谱的经验规律氢原子光谱的波数的一般规律：)11(~22nm R v H -= （1） 式中:m=1,2,3,…;对每一个m,n=m+1,m+2,m+3,….4354） 、原子的核式结构模型2、玻尔理论电子绕原子核运动体系的总能量：r Ze E 24120πε-= （2） 考虑到光谱的一般规律，（1）式两边同乘hc 则有：)()11(~2222m hcR n hcR n m hcR h v hc H H H ---=-==ν (3) 如果原子辐射前的能量E 2,辐射后的能量为E 1(E 1<E 2)，辐射放出的能量为：12E E h -=ν (4)比较(3),(4)式，原子的能量取负数，则有：2nhcR E H -= (5) 考虑到原子的结构，玻尔提出下列假定：假定1：原子中能够实现的电子轨道必须符合下列条件6.131-=E eV由氢原子波数公式，可以得出氢原子的里德伯常数：ch me R H 32042)4(2πεπ= 考虑到原子核的质量不是无限大的，原子核也是运动的，则里德伯常数变为：M m R Mm c h me R A +=+=∞1111)4(232042πεπ 10973731=∞R m -13、玻尔理论的验证1）氢原子的第一玻尔半径的理论值为a 1=0.529×10-10m ，这与原子的大小的数量级是一致的。
原子物理学作业习题1
原子物理学作业习题1原子物理学习题第一章原子的核式结构1．选择题：(1)原子半径的数量级是：A ．10－10cm; B.10-8m C. 10-10m D.10-13m(2)原子核式结构模型的提出是根据α粒子散射实验中A. 绝大多数α粒子散射角接近180?B.α粒子只偏2?～3?C. 以小角散射为主也存在大角散射D. 以大角散射为主也存在小角散射（3）进行卢瑟福理论实验验证时发现小角散射与实验不符这说明：A. 原子不一定存在核式结构B. 散射物太厚C. 卢瑟福理论是错误的D. 小角散射时一次散射理论不成立(4)用相同能量的α粒子束和质子束分别与金箔正碰，测量金原子核半径的上限. 问用质子束所得结果是用α粒子束所得结果的几倍？A. 1/4 B . 1/2 C . 1 D. 2(5)动能E K =40keV 的α粒子对心接近Pb(z=82)核而产生散射,则最小距离为（m ）：A.5.91010-?B.3.01210-?C.5.9?10-12D.5.9?10-14(6)如果用相同动能的质子和氘核同金箔产生散射,那么用质子作为入射粒子测得的金原子半径上限是用氘核子作为入射粒子测得的金原子半径上限的几倍？A.2B.1/2C.1 D .4(7)在金箔引起的α粒子散射实验中,每10000个对准金箔的α粒子中发现有4个粒子被散射到角度大于5°的范围内.若金箔的厚度增加到4倍,那么被散射的α粒子会有多少？A. 16B..8C.4D.2(8）在同一α粒子源和散射靶的条件下观察到α粒子被散射在90°和60°角方向上单位立体角内的粒子数之比为：A ．4:1 B.2:2 C.1:4 D.1:8（9）在α粒子散射实验中,若把α粒子换成质子,要想得到α粒子相同的角分布,在散射物不变条件下则必须使：A.质子的速度与α粒子的相同；B ．质子的能量与α粒子的相同；C ．质子的速度是α粒子的一半；D ．质子的能量是α粒子的一半2．简答题：（1）简述卢瑟福原子有核模型的要点.（2）简述α粒子散射实验. α粒子大角散射的结果说明了什么？（3）什么是微分散射截面？简述其物理意义.（4）α粒子在散射角很小时,发现卢瑟福公式与实验有显著偏离,这是什么原因?（5）为什么说实验证实了卢瑟福公式的正确性,就是证实了原子的核式结构?（6）用较重的带负电的粒子代替α粒子作散射实验会产生什么结果?中性粒子代替α粒子作同样的实验是否可行?为什么?（7）在散射物质比较厚时,能否应用卢瑟福公式?为什么?（8）普朗光量子假说的基本内容是什么?与经典物理有何矛盾?（9）为什么说爱因斯坦的光量子假设是普朗克的能量子假设的发展.（10）何谓绝对黑体?下述各物体是否是绝对黑体?(a)不辐射可见光的物体;(b)不辐射任何光线的物体;(c)不能反射可见光的物体;(d)不能反射任何光线的物体;(e)开有小孔空腔.3．计算题：（1）当一束能量为4.8Mev 的α粒子垂直入射到厚度为4.0×10-5cm 的金箔上时探测器沿20°方向上每秒记录到2.0×104个α粒子试求：①仅改变探测器安置方位,沿60°方向每秒可记录到多少个α粒子？②若α粒子能量减少一半,则沿20°方向每秒可测得多少个α粒子？③α粒子能量仍为4.8MeV,而将金箔换成厚度的铝箔,则沿20°方向每秒可记录到多少个α粒子?(ρ金＝19.3g/cm 3 ρ铅＝27g /cm 3；A 金＝179 ,A 铝＝27,Z 金＝79 Z 铝＝13)(2)试证明:α粒子散射中α粒子与原子核对心碰撞时两者之间的最小距离是散射角为900时相对应的瞄准距离的两倍.(3)10Mev 的质子射到铜箔片上,已知铜的Z=29, 试求质子散射角为900时的瞄准距离b 和最接近于核的距离r m .（4）动能为5.0MeV 的α粒子被金核散射，试问当瞄准距离分别为1fm 和10fm 时，散射角各为多大？（5）假设金核半径为7.0fm ，试问：入设质子需要多大能量，才能在对头碰撞时刚好到达金核表面？（6）在α粒子散射实验中，如果用银箔代替金箔，二者厚度相同，那么在同样的偏转方向，同样的角度间隔内，散射的α粒子数将减小为原来的几分之几？银的密度为10.6公斤／分米3，原子量为108；金的密度为19.3公斤／分米3,原子量197。
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M S S , S 1,......, S
能量与量子数 M L , M 有关。 S 由于不再出现 J，也就没有 g因子出现。
6.3 史特恩-革拉赫实验
1921年史特恩---盖拉赫进行的实验是对原子角动量空间 取向量子化的首次直接观察，是原子物理学最重要的实 验之一。
1943年，史特恩获诺贝尔物 理学奖，贡献：开发了分子 束方法以及质子磁矩的测量
对非均匀磁场: F ,0 原子除受力矩作用外,还受到力的作用, 而改变运动路径.
Fx 0, Fy 0 dB Fz Z dz
银原子束通过非均匀磁场时将分裂成两束
N
S
无磁场
有磁场
3.实验结果
基态银原子,相片P上有两条黑 斑，两者对称分布。证明了原 子磁矩μ 进而角动量的空间取 向量子化行为。 对 H、Li、Na、K 、Cu、Au等 原子也都观察到了类似的取向行 为。 按波尔理论，对一轨道角动量 ， n n 空间取向量子数有 ，即分裂 应为奇数个。 2n 1
1.实验目的
当时，电子自旋角动量的概念尚未提出。实验目的：证明原子轨 道角动量在外磁场中具有空间取向量子化特征。
每个角动量对应一个磁矩
即：
L
量子化
量子化
2.实验设计思想
具有磁矩的原子在磁场中受力矩的作用而产生拉莫儿旋进,在外 磁场中的附加能量(势能):
E B
而力:
F E
原子不改变运动路径 0 对均匀磁场: F , .
d J e g J B B dt 2m
eg B B 2m
: 旋磁比
进动角频率.拉莫尔频率:
J ,与 的方向一致 ,称为拉莫尔 B 绕 ： 的方向进动的角频率
eg B B 2 4 m 2
二、原子受磁场作用的附加能量 1. 弱磁场
（2）j-j耦合
J(J 1 ) ji(ji 1 ) J P(J P 1 ) 2 J(J 1 ) J(J 1 ) J P(J P 1 ) ji(ji 1 ) gp 2 J(J 1 ) g gi
1
例 求下列原子态的g因子：(1)
解：
g 1
1
g B B
例: 2 P 在磁场中能级的分裂情况 3/ 2
L 1, S 1/ 2, J 3/ 2
J ( J 1) L( L 1) S ( S 1) g 1 4/3 2 J ( J 1)
M 3/ 2,1/ 2, 1/ 2, 3/ 2 Mg 6 / 3, 2 / 3, 2 / 3, 6 / 3
2
， l 1，
， l 2，
6.2 外磁场对原子的作用
一、拉莫尔旋进
受磁场力矩的作用,绕B连续进 动的现象。
在外磁场B中,原子磁矩 J
M μ0 μJ H μJ B e g J B 2me
dJ M dt
只改变 dJ ( B, J ) J 将绕磁场进动, J 方向而不改变数值.
iS e
磁矩大小: e l 2m
2m
e 2m
......电子轨道运动磁矩
he l (l 1) l (l 1) B 量子化。 4 m
he 0.92740 1023 A m 2 玻尔磁子 4 m
B
e z 2m
外磁场的作用比原子内部轨道磁矩与自旋磁矩的耦合弱.
L S
与外磁场耦合产生附加能量:
e E g BJ Z 2m
E J B
M J , J 1,...... J 磁量子数
而：J Z M
e E Mg B Mg B B 2m
在外磁场中,原子的能级分裂成 间隔为 2 J个 ,1
朗德因子
单电子,自旋s = 1/2,
0时, j 1/ 2 g 2
1 0时, j 1/ 2 g 1 2 1
三、多电子原子的磁矩
原子总磁矩仍表示为:
e μJ g J 2m
（1）L-S 耦 合
J ( J 1) L( L 1) S ( S 1) g 1 2 J ( J 1)
z
ml B
磁矩空间取向量子化
2.电子自旋运动磁矩
e μS s m
……自旋磁矩
二、单电子原子的总磁矩
l s
e ( 2s ) m e ( j s) m
与j并不正好反向
j j 是恒定的，垂直 的分量因旋转，其平均效 j 果为零。所以对外起作用的是 ，常把它称为电子的总磁矩。
为什 么？？
为了解释上述困难以及碱金属原子的双线结构，1925年两位 不到25岁的荷兰学生乌伦贝克和古兹米特提出电子自旋假设。
4 2 P (2) (3) D1 / 2 P 1 3/ 2
j ( j 1) l (l 1) s( s 1) 2 j ( j 1)
(1)
P 1 ： s 0 ，
， l 1
j 1， g 1
4 3 j ，g 3 2 1 j ，g 0 2
(2)
(3)
1 P3 / 2 ： s 2 4 D1 / 2 ：s 3 2
分裂为四个能级，裂距 4 / 3B B
2. 强磁场
L , 在强外磁场作用下， 不能再耦合成 ，而是分别直接与 S 耦合产生附加能量.
B
E L B S B
取外磁场方向为Z轴方向，
e e E LZ B S Z B 2m m
e B( M L 2M S ) B B( M L 2M S ) 2m M L L, L 1,......, L
e j j j ( j s) j j 2m j j 2 1 s j j s j s 2在 方向投影 j Nhomakorabea j j
2
e s j (1 2 ) j 2m j
2
单电子原子总磁矩（有效磁矩）:
e j gj 2m
j(j 1 ) l(l 1 ) s(s 1 ) g 1 2 j(j 1 )