原子物理学(杨福家)总结

原子物理学四、五、六、七、八章总结

第四章

1、定性解释电子自旋定性解释电子自旋和

和轨道运动相互作用的物理机制。原子内价电子的自旋磁矩与电子轨道运动所产生的磁场间的相互作用，是磁相互作用。电子自旋对轨道磁场有两个取向，导致了能级的双重分裂，这就是碱金属原子能级双重结构的由来这种作用能通常比电子与电子之间的静电库仑能小（在LS 耦合的情况下），因此是产生原子能级精细结构即多重分裂（包括双重分裂）的原因。

2、原子态55

D 4的自旋和轨道角的自旋和轨道角动量动量动量量子数是多少？总角量子数是多少？总角量子数是多少？总角动量动量动量在空间有几在空间有几个取向，如何实验证实？

自旋量子数：s=2轨道量子数：l=2角动量量子数：J=4

总角动量在空间有9个取向。

由于J J J m J ??=,,1,?，共12+J 个数值，相应地就有12+J 个分立的2z 数值，即在感光片上就有12+J 个黑条，它代表了12+J 个空间取向。所以，从感光黑条的数目，就可以求出总角动量在空间有几个取向。

3、写出碱金属原子的能级公式，说明各写出碱金属原子的能级公式，说明各量量含义含义。

。22jl njl n Rhc Z E ???=其中，Z：原子序数，R：里德堡常数，

h：普朗克常量，c：光速，n：主量子数，jl ?：量子数亏损。

4、朗德间隔定则德间隔定则：

：在三重态中，一对相邻的能级之间的间隔与两个J 值中较大的那个成正比。

5、同科电子：n 和l 二量子数相同的电子。

6、Stark 效应效应：

：原子能级在外加电场中的移位和分裂。7、塞曼效应效应：

：一条谱线在外磁场作用下一分为三，彼此间间隔相等，且间隔值为B B μ。

反常塞曼效应：光谱线在磁场中分裂的数目可以不是三个，间隔也不尽相同。

8、帕邢帕邢-

-巴克效应：在磁场非常强的情况下，反常塞曼效应会重新表现为正常塞曼效应，即谱线的多重分裂会重新表现为三重分裂，这是帕邢和巴克分别于1912和1913年发现的,

故名帕邢-巴克效应。

9、解释原子能级超精细结构产生的原因，与精细结构有何解释原子能级超精细结构产生的原因，与精细结构有何区别区别区别？

？超精细结构是指导致原子、分子和离子的能级发生细微变化和分裂的一系列效应。精细结构是指由于电子自旋和轨道角动量产生的磁矩之间的相互作用所产生的。而超精细结构造成的能级变化和分裂更为微小，并且是由原子核内部的电磁场所产生的。

1010、

、碱金属原子能级与轨道角量子数有关的原因是什么？造成碱金属原子精细能级的原因是什么？

1）自旋--轨道相互作用2）能级和光谱项的裂距

1111、什么是光谱（或能级）的精细结构？

、什么是光谱（或能级）的精细结构？原子中电子自旋--轨道相互作用引起的原子能级的多重分裂结构。原子能级的精细结构使得原子跃迁时发出的光谱线也具有精细结构。

1212、

、什么是量子亏损？量子亏损描述的是里德堡系列偏离氢原子里德堡态行为的程度，且和被激发电子与剩下的离子实之间的相互作用有关。1313、

、写出下列各原子态的量子数j

l s s m 1D 222

003P 221

11±5F 553

22,1,0±±1s 2S 1/2

1/201/22/1±1414、、写出原子中电子轨道磁矩和自旋磁矩的表达式写出原子中电子轨道磁矩和自旋磁矩的表达式，，并说明各量的含义并说明各量的含义。。轨道磁矩：l

l l P →→?=γμ轨道磁力比：m e l 2=γ轨道角动量：?)1(+=l l P l 自旋磁矩：s s s P →→?=γμ自旋磁力比：m e

s =γ自旋角动量：?

)1(+=s s P s 第五章

1、自旋单态和三重态。

单一态（独态）：自旋反平行三重态：自旋平行

2、与氢原子相比氦原子的能级有哪些特点？

1）有两套结构，这两套能级间没有相互跃迁；

2）存在着几个亚稳态；

3）氦的基态011S 与第一激发态132S 之间能量相差很大，有eV 77.19；电离能也是所有元素中最大的，有eV 58.24；

4）在三层结构那套能级中没有来自()21s 的能级。

3、说说L-S 耦合和J —J 耦合的适合条件，它们形成的原子态的数目有什么关系？（相等）

L-S 耦合：每个电子自身的自旋与轨道相互作用比较弱，不同电子自旋之间和轨道之间作用很强；

J-J 耦合：每个电子自身的自旋与轨道相互作用比较强，不同电子之间的耦合作用比较弱。

4、洪特规则：

对于一个给定的电子组态形成的一组原子态，当某原子态具有的S 最大时，它处的能级位置最低；对同一个S，又以L 值大的为最低。

5、氦原子有几个亚稳态？说明原因。

2个，分别是：012S 、1

32S 由于跃迁受到选择定则的限制，不能通过电偶极辐射跃迁到较低的能态，但可通过磁偶极辐射或电四极辐射跃迁到较低能态，辐射强度很弱，因而亚稳态的寿命很长。亚稳态原子比处于基态的原子更易于电离，也易于发生碰撞能量转移。

6、泡利不相容原理：

在一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数()s l m m l n ,,,，即原子中的每一个状态只能容纳一个电子。

第六章

1.说说x 射线的波长范围，为什么x 射线有较强的穿透能力？

0.001nm--1nm 或更长一点，比0.1nm 短的为硬X 射线；比0.1nm 长的为软X 射线。

波长短、频率高、能量大，照射到物质上仅有部分被吸收，大部分经原子间隙而透过。

2.X 射线的标志谱。

具有分立波长的谱线，这部分线状谱线要么不出现，一旦出现，它们的峰所对应的波长位置完全决定于靶材料本身，称为特征谱，又称标识谱。

3.康普顿效应

康普顿在X 射线与物质散射的实验里发现，在被散射的X 射线中，除了与入射X 射线具有相同波长的成分外，还有波长增长的部分出现，增长的数量随散射角θ的不同而有所不同。

4.解释x 射线的连续谱和线状（标识）谱

X 射线谱由连续谱和标识谱两部分组成，标识谱重叠在连续谱之上，连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，其短波极限0λ由加速电压V 决定。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构的特征。

第七章

1.说说目前人类在哪些方面利用了原子能？

重核裂变:原子弹、原子反应堆、核电站；轻核聚变：太阳能、氢弹、医疗上利用放射性治癌症

2.写出玻尔磁子和核磁子的表达式，说明核磁矩比电子磁矩小的原因写出玻尔磁子和核磁子的表达式，说明核磁矩比电子磁矩小的原因。

。玻尔磁子：e B m e 2?

=μ核磁子：p

N m e 2?=μ由于质子质量比电子约答1836倍，核磁子就比电子的玻尔磁子小1836倍，即小三个数量级。

3.写出原子核衰变中的原子核数随时间t 的变化规律，写出半衰期的变化规律，写出半衰期、、寿

命和衰变常数的关系。

原子核数：t e N N λ?=0半衰期：λ2

ln 2/1=T 寿命：2/12/144.12

ln 1T T ===λτ4.核力的主要性质有哪些？（或核力有哪些特点？核力的主要性质有哪些？（或核力有哪些特点？)

)1)短程力；

2）饱和性；3）强相互作用；4）核力与电荷无关；5）在极短程内存在斥心力；6）与自旋有关

5.何为衰变常数、半衰期和平均寿命？

衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。

半衰期：放射性核素衰变其原有核数一半所需时间。

平均寿命：经过时间τ后，剩下的核素数目约为原来的37%。

6.说出原子核放射性衰变包含哪三种模式？说出原子核放射性衰变包含哪三种模式？β

β衰变又主要包含哪三种模式？

α、β、γ

β衰变：?β、+β、电子俘获()EC 7.核磁矩与电子的轨道磁矩和自旋磁矩相比有什么特点？核磁矩：→→=I g N I I μμ轨道磁矩：∧→?=l g B l l μμ自旋磁矩：∧→?=S

g B s s μμ核磁矩与核自旋角动量成正比，并与核自旋角动量方向相同。

第八章

{原子物理与量子力学（下）}

1.在光谱学方面同核双原子分子与异核双原子分子有哪些区别？（或：同核分子与异核分子相比有哪些不同？）

同核双原子分子：电子空间分布存在对称性，没有固有的电偶极矩；

异核双原子分子：电子空间分布不对称，具有固有的电偶极矩。

2.为什么同核双原子分子通常观察不到红外光谱？

（或：你能观察到同核双原子分子的红外或远红外光谱吗？为什么？（或：你能观察到同核双原子分子的红外或远红外光谱吗？为什么？）

）由于原子核自旋的影响，同核双原子分子转动能级的跃迁只能发生在宇称奇态和奇态之间，或宇称偶态和偶态之间，不可能出现转动能级奇态与偶态之间的跃迁。对于分子的红外光谱，转动跃迁的选择定则是ΔJ=±1，这样的跃迁在同核双原子分子是不允许的，所以同核双原子没有红外光谱。

3.分子与原子相比有哪些不同？

1）分子具有振动、转动能级，并由此产生振动、转动光谱；2）分子能级曲线很密，原子的电子态呈水平直线；3）分子由多个原子组成。

4.什么是荧光和磷光？

荧光发射：分子吸收λ1或λ2的光子后，由基态跃迁到较高的能级第一电子激发态S1或第二电子激发态S2，然后通过振动弛豫及内转换，无辐射的返回到第一电子激发态S1的最低振动能级上，再从该能级跃迁到基态S0的各个不同的振动能级上，同时辐射出波长为λ3的荧光。

磷光发射：是三重激发态跃迁到基态，发生的概率很小，电子在三重态上寿命较长，大部分是通过与溶剂分子的碰撞而损失能量回到基态。

5.喇曼散射

拉曼在对液体和固体散射光的大量研究中，发现单色光的散射光谱中除了有瑞利射线外，还有一些很弱的谱线，这些谱线的频率和入射光的频率不同。

6.写出刚性双原子分子转动写出刚性双原子分子转动、、振动能级的表达式振动能级的表达式，，说明各量的物理意义说明各量的物理意义。

。1）转动能级：

()1222

2+==J J I I L E J ?

I ：系统绕轴转动的转动惯量；

J ：转动能级的转动量子数；?：普朗克常量；

L ：转动角动量2）振动能级：021νυυh E ??????+=υ：振动量子数；0ν：振动频率

7.斯托克斯线和反斯托克斯线

在拉曼散射中，若光子把一部分能量给样品分子，得到的散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中，可以检测到频率为（h E ??0ν)的线，称为斯托克斯线。相反，若光子从样品分子中获得能量，在大于入射光频率处接收到散射光线，则称为反斯托克斯线。