《原子物理学》习题答案(褚圣麟_版)
原子物理学 褚圣麟 第一章习题解答
即 α 粒子散射“受电子的影响是微不足道的”。 1.7 能量为 3.5 兆电子伏特的细 α 粒子束射到单位面积上质量为
9
由上式看出： rmin 与入射粒子的质量无关，所以当用相同能量和相同电荷的氘核 代替质子时，其与靶核作用的最小距离仍为 1.14 × 10−13 m。 1.4 钋放射的一种 α 粒子的速度为 1.597 × 107 米/秒， 正面垂直入射于厚度为
10−7 米、密度为 1.932 × 10 4 公斤 / 米3 的金箔。试求所有散射在 θ > 90ο 的 α 粒子占
ο
0
K α b Ze2
Ze 2 ctg θ 79 × (1.60 × 10 − 19 ) 2 ctg 150 9 2 2 b= = 9 × 10 × = 3.97 × 10 − 1 5 m 6 − 19 4πε 0 K α 7.68 × 10 × 1.6 × 10
2 式中 Kα = 1 是 α 粒子的功能。 2 Mv
2 1 1 1 2 ' 2 Mv α = Mv α + mv e' 2 2 2
（1） （2）
由（1）得：
G G m G' 1 G' vα − vα' = ve = ve M 7300
2 ' vα = vα + 2
……
(3)
由（2）得：
m '2 ve M
(4)
将（3）式代入（4）式，得：
K K 2 ' 2 vα = vα + 7300 ( v α − v α' ) 2
原子物理学习题答案(褚圣麟)
7.2 原子的3d 次壳层按泡利原理一共可以填多少电子？为什么？答：电子的状态可用四个量子s l m m l n ,,,来描写。
根据泡利原理，在原子中不能有两个电子处在同一状态，即不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。
3d 此壳层上的电子，其主量子数n 和角量子数l 都相同。
因此，该次壳层上的任意两个电子，它们的轨道磁量子数和自旋磁量子数不能同时相等，至少要有一个不相等。
对于一个给定的l m l ,可以取12;,....,2,1,0+±±±=l l m l 共有个值；对每个给定的s l m m ,的取值是2121-或，共2个值；因此，对每一个次壳层l ,最多可以容纳）（122+l 个电子。
3d 次壳层的2=l ，所以3d 次壳层上可以容纳10个电子，而不违背泡利原理。
7.4 原子中能够有下列量子数相同的最大电子数是多少？n l n m l n )3(;,)2(;,,)1(。
答：（1）m l n ,,相同时，s m 还可以取两个值：21,21-==s s m m ；所以此时最大电子数为2个。
（2）l n ,相同时，l m 还可以取两12+l 个值，而每一个s m 还可取两个值，所以l n ,相同的最大电子数为)12(2+l 个。
（3）n 相同时，在（2）基础上，l 还可取n 个值。
因此n 相同的最大电子数是：212)12(2n l N n l =+=∑-=7.5 从实验得到的等电子体系K Ⅰ、Ca Ⅱ……等的莫塞莱图解，怎样知道从钾Z=19开始不填s d 43而填次壳层，又从钪Z=21开始填s d 43而不填次壳层？解：由图7—1所示的莫塞莱图可见，S D 2243和相交于Z=20与21之间。
当Z=19和20时，S 24的谱项值大于D 23的值，由于能量同谱项值有hcT E -=的关系，可见从钾Z=19起到钙Z=20的S 24能级低于D 23能级，所以钾和钙从第19个电子开始不是填s d 43而填次壳层。
原子物理学（褚圣麟）课后答案
原子物理学（褚圣麟）课后答案原子物理学习题解答原子物理学习题解答原子物理学习题解答原子物理学习题解答刘富义刘富义刘富义刘富义编编编编临沂师范学院物理系临沂师范学院物理系临沂师范学院物理系临沂师范学院物理系理论物理教研室理论物理教研室理论物理教研室理论物理教研室第一章原子的基本状况1.1若卢瑟福散射用的粒子是放射性物质镭放射的，其动能为电子伏?''C67.6810?特。
散射物质是原子序数的金箔。
试问散射角所对应的瞄准距离多大？79Z?150 b解：根据卢瑟福散射公式：20022cot4422KMvbbZeZe得到：米2192150152212619079(1.600)3.97104(48.510)(7.681010)ZectgctgbK式中是粒子的功能。
212KMv1.2已知散射角为的粒子与散射核的最短距离为??，试问上题粒子与散射的金原子核2202121()(1)4sinmZerMv之间的最短距离多大？mr 解：将1.1题中各量代入的表达式，得：mr2min202121()(1)4sinZerMv1929619479(1.010)1910(1)7.68101.6010sin75米143.02101.3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（氘核带一个电荷而质量是质子的e?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。
当入射粒子的动能全部转化为两180?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：，故有：220min124pZeMvKr2min04pZerK???米19291361979(1.6010)9101.410101.6010由上式看出：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minr替质子时，其与靶核的作用的最小距离仍为米。
原子物理学详解答案(褚圣麟)
第一章 原子的基本状况若卢瑟福散射用的粒子是放射性物质镭C ' 放射的，其动能为 7.68 106 电子伏特。
散射物质是原子序数Z 79 的金箔。
试问散射角150 所对应的对准距离b 多大解：依据卢瑟福散射公式：ctg24Mv2K2b40 b22 Ze获得：Ze219 2 150bZe ctg 2(479(1.60 10 ) ctg 23.9710 15米40 K8.85 10 12) (7.68106 10 19)式中 K21 Mv2 是 粒子的功能。
已知散射角为 的 粒子与散射核的最短距离为r m (12 Ze2 (11) 4)2sin，Mv2试问上题 粒子与散射的金原子核之间的最短距离r m 多大2解：将题中各量代入r m 的表达式，得：rmin( 1 )2 Ze2 (11 )4Mvsin29 10 94 79 (1.60 10 19 )2 (1 1 ) 3.02 10 14米7.68 10 6 1.60 10 19 sin 75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假如用相同能量的氘核 （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）取代质子，其与金箔原子核的最小距离多大解：当入射粒子与靶查对心碰撞时，散射角为180 。
当入射粒子的动能所有转变为两粒子间的势能时，两粒子间的作用距离最小。
依据上边的剖析可得：1Mv 2K pZe 2，故有： r minZe 24Kp24 0 rmin910 979 (1.60 10 19 ) 21.1410 13米1061.601019由上式看出： r min 与入射粒子的质量没关，所以当用相同能量质量和相同电量获得核代替质子时，其与靶核的作用的最小距离仍为1.14 10 13 米。
钋放射的一种粒子的速度为 1.597 107米 / 秒，正面垂直入射于厚度为10 7米、密度为 1.93210 4公斤 / 米3的金箔。
原子物理课后习题答案 褚圣麟
原子物理学习题第一章作业教材 20页 3题：若用动能为 1 MeV 的质子射向金箔，问质子和金箔原子核（Z=79）可以达到的最小距离多大？又问如用同样能量的氕核代替质子，最小距离为多大？解：r m =Z 1*Z 2*e 2/4*π*ε0*E = …… = 1.14 ⨯ 10-13m氕核情况结论相同----------------------------------------------------------------------------------------------- 21页 4题：α粒子的速度为 1.597 ⨯ 107 m/s ，正面垂直入射于厚度为 10-7米、密度为1.932 ⨯104 kg/m 3 的金箔。
试求所有散射在 θ ≥ 90︒ 的α粒子占全部入射粒子的百分比。
金的原子量为197。
解：金原子质量 M Au = 197 ⨯ 1.66 ⨯ 10-27 kg = 3.27 ⨯ 10-25 kg箔中金原子密度 N = ρ/M Au = …… = 5.91 ⨯ 1028个/m 3入射粒子能量 E = 1/2 MV 2= 1/2 ⨯ 4 ⨯ 1.66 ⨯ 10-27 kg ⨯ (1.597 ⨯ 107 m/s)2 = 8.47 ⨯ 10-13J若做相对论修正 E = E 0/(1-V 2/C 2)1/2 = 8.50 ⨯ 10-13J对心碰撞最短距离 a=Z 1⨯Z 2⨯e 2/4⨯π⨯ε0⨯E = …. = 4.28 ⨯ 10-14 m 百分比d n/n (90︒→180︒)=⎪⎭⎫ ⎝⎛︒-︒⨯90sin145sin14222Nta π= … = 8.50 ⨯ 10-4%-----------------------------------------------------------------------------------------------------------21页7题：3.5 MeV α粒子细束射到质量厚度为 0.01 kg/m2 的银箔上（图1-1）。
原子物理学习题标准答案(褚圣麟)很详细
1.1解：根据卢瑟福散射公式:可能达到的最粒子间的势能时，两粒子间的作用距离最小。
根据上面的分析可得:79 (1.60 10 19 )213 6诂 1.14 10 一1310 6 1.60 10 _19由上式看出：r min 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1.14 10“米。
1 .原子的基本状况ctg0—b = 4- 2 Ze 2「b Ze 2得到:e24二；°K79 (1.60 1019)2ctg 曹6…,小二915 r(4 二 8.85 10-12) (7.68 106 10J9^ 3.97 10 米 式中K 一. =2 Mv 2是〉粒子的功能。
1.2已知散射角为二的:•粒子与散射核的最短距离为212 Z e 2 1r m =()77^(1-)，4 二； 试问上题：•粒子与散射的金原子核之间的最短距离r m 多大?212 Ze 21解：将1.1题中各量代入r m 的表达式，得：r min = ()^(1)192=9 109 I ：。
俨寫10)。
靑心02 10_14 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解：当入射粒子与靶核对心碰撞时，散射角为180：。
当入射粒子的动能全部转化为两1 Mv 2Ze 24 二；0 r min，故有：r minZe 2oK p1・7能量为3.5兆电子伏特的细「粒子束射到单位面积上质量为1.05 10-公斤/米2的银 箔上，：•粒解：设靶厚度为t '。
非垂直入射时引起：粒子在靶物质中通过的距离不再是靶物质的 厚度t '，而是t=t '/si n60，，如图1-1所示。
因为散射到与之间茁立体角内的粒子数dn 与总入射粒子数n 的比为：式中立体角元 d ； -ds/L 2,t =t '/sin60° =2t '/-3门-20°N 为原子密度。
原子物理学习题答案褚圣麟很详细
1．原子的基本状况1.1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2202121()(1)4sin mZe 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：2min04pZe 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。
1.4 钋放射的一种α粒子的速度为71.59710⨯米/秒，正面垂直入射于厚度为710-米、密度为41.93210⨯3/公斤米的金箔。
试求所有散射在90οθ>的α粒子占全部入射粒子数的百分比。
原子物理学习题答案(褚圣麟)很详细
1．原子的基本状况1.1解：根据卢瑟福散射公式： 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2202121()(1)4sin mZe 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。
1.7能量为3.5兆电子伏特的细α粒子束射到单位面积上质量为22/1005.1米公斤-⨯的银箔上，α粒解：设靶厚度为't 。
非垂直入射时引起α粒子在靶物质中通过的距离不再是靶物质的厚度't ，而是ο60sin /'t t =，如图1-1所示。
因为散射到θ与θθd +之间Ωd 立体角内的粒子数dn 与总入射粒子数n 的比为：dnNtd nσ= (1) 而σd 为：2sin )()41(422220θπεσΩ=d Mvze d （2）把（2）式代入（1）式，得：2sin )()41(422220θπεΩ=d Mvze Nt n dn (3)式中立体角元0'0'220,3/260sin /,/====Ωθt t t L ds dN 为原子密度。
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第二章 原子的能级和辐射
2.1 试计算氢原子的第一玻尔轨道上电子绕核转动的频率、线速度和加速度。 解：电子在第一玻尔轨道上即年 n=1。根据量子化条件，
p mvr
可得：频率
n
h 2
v nh h 2a1 2ma12 2ma12
6.58 1015 赫兹
1 M v2 K 2
9 109
p
Ze2 Ze2 ，故有： r m i n 4 0 rm i n 4 0 K
p
7 9 (1 .6 0 1 0 1 9 ) 2 1 .1 4 1 0 1 3 米 6 19 1 0 1 .6 0 1 0
2 ' 0 ' 0 式中立体角元 d ds / L , t t / sin 60 2t / 3 , 20 ' ' 1
N 为原子密度。 Nt 为单位面上的原子数， Nt / m Ag ( AAg / N 0 ) ，其中 是单位 面积式上的质量； m Ag 是银原子的质量； AAg 是银原子的原子量； N 0 是阿佛加德罗常数。 将各量代入（3）式，得：
'
M v M v ' m v e'
' 由此得： v v
m ' 1 ve M 7300
2
v e' 1 Mv 2
' 2
……
1 mv 2
(1)
' 2 e
又根据能量守恒定律，得： 1 Mv 2
2
2 ' v v
m '2 ve M
由此可见，具有 10 电子伏特能量的 粒子能够很容易的穿过铅原子球。 粒子在到达原子 表面和原子内部时，所受原子中正电荷的排斥力不同，它们分别为：
6
F 2Ze 2 / 4 0 R 2 和F 2Ze 2 r / 4 0 R 3 。可见，原子表面处 粒子所受的斥力最大，越
靠近原子的中心 粒子所受的斥力越小，而且瞄准距离越小，使 粒子发生散射最强的垂 直入射方向的分力越小。我们考虑粒子散射最强的情形。设 粒子擦原子表面而过。此时受 力为 F 2 Ze / 4 0 R 。可以认为 粒子只在原子大小的范围内受到原子中正电荷的作 用，即作用距离为原子的直径 D。并且在作用范围 D 之内，力的方向始终与入射方向垂直， 大小不变。这是一种受力最大的情形。 根据上述分析，力的作用时间为 t=D/v, 粒子的动能为
0
K b Ze2
79 (1.60 1019 ) 2 ctg 150 Ze 2 ctg 2 2 b 3.97 10 15 米 6 12 19 4 0 K (4 8.85 10 ) (7.68 10 10 )
式中 K 1 2 Mv 是 粒子的功能。 1.2 已知散射角为 的 粒子与散射核的最短距离为
4 3
的百分比。已知金的原子量为 197 。 解：散射角在 d 之间的 粒子数 dn 与入射到箔上的总粒子数 n 的比是：
dn N td n
其中单位体积中的金原子数： N 而散射角大于 90 的粒子数为： dn
0
/ m Au N 0 / A Au
'
dn nNt d
3 ‘
这时 很小，因此tg 2.4 10 弧度，大约是8.2 。 这就是说，按题中假设，能量为 1 兆电子伏特的 粒子被铅原子散射，不可能产生散射 角 90 的散射。但是在卢瑟福的原子有核模型的情况下，当 粒子无限靠近原子核时， 会受到原子核的无限大的排斥力，所以可以产生 90 的散射，甚至会产生 180 的散 射，这与实验相符合。因此，原子的汤姆逊模型是不成立的。
Ei R H hc(
1 1 ) Rhc =13.60 电子伏特。 12
Ei 13.60 伏特 e
电离电势： Vi
第一激发能： Ei
RH hc (
1 1 3 3 2 ) Rhc 13.60 10.20 电子伏特 2 1 2 4 4
第一激发电势： V1
2
)
4 79 (1.60 10 19 ) 2 1 (1 ) 6 19 7.68 10 1.60 10 sin 75
3 .0 2 1 0 1 4 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 180 。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：
2
所以有：
d n n
'
N t d
2
N0 1 t ( A Au 4
0
cos 2 Z e 2 80 2 d )2 ( ) 2 1 90 Mu2 3 s in 2
等式右边的积分： I
180 90
d sin 2 d 2 180 2 1 90 sin 3 sin 3 2 2
即 粒子散射“受电子的影响是微不足道的”。 1.7 能量为 3.5 兆电子伏特的细 粒子束射到单位面积上质量为 1.05 10 公斤 / 米
2 2
的银箔上， 粒子与银箔表面成 60 角。在离 L=0.12 米处放一窗口面积为 6.0 10 米
5
2
的计数器。测得散射进此窗口的 粒子是全部入射 粒子的百万分之 29。若已知银的原子 量为 107.9。试求银的核电荷数 Z。 解：设靶厚度为 t 。非垂直入射时引起 粒子在靶物质中通过的距离不再是靶物质的厚 度 t ，而是 t t / sin 60 ，如图 1-1 所示。 因为散射到 与 d 之间 d 立体 角内的粒子数 dn 与总入射粒子数 n 的比为： 60° t, (1) 60º t 图 1.1
cos
故
N0 1 2Ze2 2 dn ' 2 t ( ) ( ) n AAu 4 0 Mu2
8 .5 1 0 6 8 .5 1 0 4
7
0
0
即速度为 1.597 10 米 / 秒 的 粒子在金箔上散射，散射角大于 90 以上的粒子数大约是
8.5 104 0 0 。
第一章 原子的基本状况
1.1 若卢瑟福散射用的 粒子是放射性物质镭 C 放射的，其动能为 7.68 10 电子伏 特。散射物质是原子序数 Z 79 的金箔。试问散射角 150 所对应的瞄准距离 b 多大？ 解：根据卢瑟福散射公式：
' 6
cot
得到：
4 2
0
M v2 b 4 2Ze2
……（2）
将（1）式代入（2）式，得：
2 ' 2 v v 7300 ( v v ' ) 2
整理，得： v ( 7300 1) v ( 7300 1) 2 7300 v v cos 0
2 ' 2 '
7300 1
上式可写为： 7300（ v v ' ) 2 0 v v ' 0
速度：
v 2a1 h / ma1 2.188 106 米/秒
v 2 / r v 2 / a1 9.046 10 22 米 / 秒 2
2
加速度： w
2.2 试由氢原子的里德伯常数计算基态氢原子的电离电势和第一激发电势。 解：电离能为 E i E E1 ，把氢原子的能级公式 E n Rhc / n 代入，得：
2 2
1 Mv 2 K ，因此， 2
v 2 K / M ，所以， t D / v D M / 2 K
根据动量定理：
Fdt p
0t p Nhomakorabea Mv 0
0
而
Fdt 2Ze
0 2
t
2
/ 4 0 R 2 dt 2 Ze 2 t / 4 0 R 2
1.5 粒子散射实验的数据在散射角很小 （ 15 ） 时与理论值差得较远，时什么原
因？ 答： 粒子散射的理论值是在“一次散射“的假定下得出的。而 粒子通过金属箔，经过
好多原子核的附近，实际上经过多次散射。至于实际观察到较小的 角，那是多次小角散射 合成的结果。 既然都是小角散射， 哪一个也不能忽略， 一次散射的理论就不适用。 所以， 粒 子散射的实验数据在散射角很小时与理论值差得较远。 1.6 已知 粒子质量比电子质量大 7300 倍。 试利用中性粒子碰撞来证明： 粒子散射“受 电子的影响是微不足道的”。 证明：设碰撞前、后 粒子与电子的速度分别为： v , v ', 0, ve 。根据动量守恒定律，得：
由上式看出： rmin 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 1.14 10
7 13
米。
7
1.4 钋放射的一种 粒子的速度为 1.597 10 米/秒，正面垂直入射于厚度为 10 米 、 密度为 1.932 10 公斤 / 米 的金箔。试求所有散射在 90 的 粒子占全部入射粒子数
0 2
t
所以有： 2 Ze t / 4 0 R Mv 由此可得： v 2 Ze t / 4 0 R M
2 2
粒子所受的平行于入射方向的合力近似为 0，入射方向上速度不变。据此，有：