原子物理6第六章解析
原子物理学教学课件6
( 二. ) 标识谱（1906年首次发现） 1. 产生条件: 当电子的能量超过某一阈值(如加速电压 高于几十千伏,使内壳层电子电离)时,除有连续谱外,还 在连续谱的背景上迭加一些线状谱。参见p.225图8.7中的虚 线。 2. 特 征: 线状谱的位置和结构与阳极材料相关, 不同元素的阳极材料发射的线状光谱 虽有相似结构,但波长不同,按原子序数顺 序排列时,波长依次变化,不显示周期性变 化。 每种元素都有一 特定波长的线状光谱,这 种特定的X射线谱成为该元素的标识。
A
a
N
A
a CZ
4
3
小,则吸收小,贯穿能力强; Z大则吸收强
3. X射线波长的测定
原理：利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长， 晶体作为立体光栅，一束X射线射入晶体， 发生衍射时，从任何一晶面上，那些出射方 向对平面的倾角与入射线的倾角相等的X射 线，满足布拉格公式: n=2dsin ，n=1,2,…, 出射线就会加强,如图28.6
:eU=mev2/2 =hν+靶内能,
hνmax = hc/λmin = eU,
故当加速电压U增高时λmin=λ0减小。 电子速 度骤减
离子
轫致辐射
X光子
轫致辐射示意图 （轫：1.刹车减速; 2.阻碍车轮转动的木头）
由能量守恒: eU = mev2/2 = hc/ + 令 eU =h = hc/
0 0
0
(a)
0 0
(b)
0 0
20
40
(a) Eu(DBM)3Phen－PMMA的广角X－射线衍射图 (b) Eu(DBM)3Phen的X－射线衍射图
粒子性- 康普顿效应(1927诺贝尔奖)
原子物理学 课后答案
目录第一章原子的位形 (2)第二章原子的量子态：波尔模型 (8)第三章量子力学导论 (12)第四章原子的精细结构：电子的自旋....................... 错误！未定义书签。
第五章多电子原理：泡利原理 (23)第六章X射线 (28)第七章原子核物理概论.......................................... 错误！未定义书签。
1.本课程各章的重点难点重点:α粒子散射实验公式推导、原子能量级、氢原子的玻尔理论、原子的空间取向量子化、物质的波粒二象性、不确定原则、波函数及其物理意义和薛定谔方程、电子自旋轨道的相互作用、两个价电子的原子组态、能级分裂、泡利原理、电子组态的原子态的确定等。
难点：原子能级、电子组态、不确定原则、薛定谔方程、能级分裂、电子组态的原子态及基态的确定等。
2.本课程和其他课程的联系本课程需在高等数学、力学、电磁学、光学之后开设，同时又是理论物理课程中量子力学部分的前导课程，拟在第三学年第一学期开出。
3.本课程的基本要求及特点第一章原子的位形：卢瑟福模型了解原子的质量和大小、原子核式模型的提出；掌握粒子散射公式及其推导，理解α粒子散射实验对认识原子结构的作用；理解原子核式模型的实验验证及其物理意义。
第二章原子的量子态：玻尔模型掌握氢原子光谱规律及巴尔末公式；理解玻尔原子模型的基本假设、经典轨道、量子化条件、能量公式、主量子数、氢能级图；掌握用玻尔理论来解释氢原子及其光谱规律；了解伏兰克---赫兹实验的实验事实并掌握实验如何验证原子能级的量子化；理解索菲末量子化条件；了解碱金属光谱规律。
第三章量子力学导论掌握波粒二象性、德布罗意波的假设、波函数的统计诠释、不确定关系等概念、原理和关系式；理解定态薛定谔方程和氢原子薛定谔方程的解及n,l,m 三个量子数的意义及其重要性。
第四章 原子的精细结构：电子的自旋理解原子中电子轨道运动的磁矩、电子自旋的假设和电子自旋、电子量子态的 确定；了解史特恩—盖拉赫实验的实验事实并掌握实验如何验证角动量取向的量子化；理解碱金属原子光谱的精细结构；掌握电子自旋与轨道运动的相互作用；了解外磁场对原子的作用，理解史特恩—盖拉赫实验的结果、塞曼效应。
质量吸收系数则 ppt
它们是：
1895年德国的 Rontgen（伦琴）发现X射
线；
第
六 章
1896年，法国的 Becguerel（贝克勒尔）
:
发现了放射性；
X
射 线
1897年，英国的 Thomson（汤姆逊）发现了
电子。
-
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X射线的 发现 X射线的 产生
1896年3月2日，他向法国科学院报告了这一
第惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。
六
章 放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生
:
在评价这一故事时所说的那样，“科学家的‘灵
X
射 线
感’对科学家的发现‘非常重要’；这种灵感必
源于他的丰富的实践和经验。” -
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X射线的 发现 X射线的 产生
线
1869年在苏黎世大学获博士学位。
-
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X射线的 发现 X射线的 产生
4
第一节：X射线的发现
1895年11月8日傍晚，伦琴在研究阴极射 线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实 验的影响，
他用黑纸板将管子包起来，
却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰
酸钡 (BaPt(CN)6) 结晶物质的屏幕发出了荧光
X射线的 产生
经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线
第 的本质，
六 章 :
因此赋予它一个神秘的名字 --X射线。
X
1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学
射 线
会递交了第一篇关于X射线的论文，《论新的射
原子物理学,第六章在磁场中的原子
据物理学家组织网近日报道，目前，土耳其安卡拉大学的比罗尔提出是否有种可能：这颗恒星与 最初测量的一样老，但仍处于“大爆炸的边缘”？他采用宇宙辐射模型（RUM），计算宇宙年龄为 148.85±0.4亿岁，最低限度的比微波背景辐射估计推算宇宙的年龄稍微年长一些，随之也很容易地调 整出HD 140283的原始年龄。
L 1, S 1/ 2, J 3/ 2
g 1 J (J 1) L(L 1) S(S 1) 4 / 3 2J (J 1)
M 3 / 2,1/ 2, 1/ 2, 3 / 2 Mg 6 / 3, 2 / 3, 2 / 3, 6 / 3
分裂为四个能级，裂距 4 / 3B B
有趣的是，比罗尔的RUM理论给哈勃常数提出了一种新的动态值，表明自从大爆炸后44亿年宇 宙膨胀已经加速，很可能容纳了暗能量。此外，这种加速增长率本身是缓慢的，转而可能由暗物质占 据。暗物质和暗能量已被广泛讨论、争议的物理现象，但有观测证据表明它们是真实的。此外， RUM暗示描述量子大小的普朗克常数并非是单纯的常数，而是一个宇宙变量。
第六章 在磁场中的原子
6.1 原子的磁矩 6.2 外磁场对原子的作用 6.3 史特恩---盖拉赫实验的结果 6.4 顺磁共振 6.5 塞曼效应 6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性
第六章 在磁场中的原子
6.1 原子的磁矩 一、电子运动的磁矩
1.电子轨道运动磁矩
闭合电流回路的磁矩 iSn
电子轨道运动的电流: i e T
g
gi
原子物理学杨福家1_6章_课后习题答案
原子物理学课后前六章答案（第四版）杨福家著(高等教育出版社)第一章：原子的位形：卢瑟福模型 第二章：原子的量子态：波尔模型 第三章：量子力学导论第四章：原子的精细结构：电子的自旋 第五章：多电子原子：泡利原理 第六章：X 射线第一章 习题1、2解1.1 速度为v 的非相对论的α粒子与一静止的自由电子相碰撞，试证明：α粒子的最大偏离角约为10-4rad.要点分析: 碰撞应考虑入射粒子和电子方向改变.并不是像教材中的入射粒子与靶核的碰撞(靶核不动).注意这里电子要动.证明：设α粒子的质量为Mα，碰撞前速度为V ，沿X 方向入射；碰撞后，速度为V'，沿θ方向散射。
电子质量用me 表示，碰撞前静止在坐标原点O 处，碰撞后以速度v 沿φ方向反冲。
α粒子-电子系统在此过程中能量与动量均应守恒，有：（1）ϕθααcos cos v m V M V M e +'= （2）ϕθαsin sin 0v m V M e -'= （3）作运算：（2）×sin θ±(3)×cos θ,（4）（5）再将（4）、（5）二式与（1）式联立，消去Ｖ’与v，化简上式，得（６）θϕμϕθμ222sin sin )(sin +=+ （７）视θ为φ的函数θ（φ），对（7）式求θ的极值，有 令，则 sin2(θ+φ)-sin2φ=0 即2cos(θ+2φ)sin θ=0若 sin θ=0, 则 θ=0（极小） （8） （2）若cos(θ+2φ)=0 ,则 θ=90º-2φ（9）将（9）式代入（7）式，有θϕμϕμ2202)(90si n si n si n +=-θ≈10-4弧度（极大）此题得证。
1.2（1）动能为5.00MeV的α粒子被金核以90°散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大？（2）如果金箔厚1.0 μm，则入射α粒子束以大于90°散射（称为背散射）的粒子数是全部入射粒子的百分之几？要点分析:第二问是90°～180°范围的积分.关键要知道n, 注意推导出n值.其他值从书中参考列表中找.解：（1）依金的原子序数Z2=79答：散射角为90º所对所对应的瞄准距离为22.8fm.(2)解: 第二问解的要点是注意将大于90°的散射全部积分出来.(问题不知道nA,但可从密度与原子量关系找出)从书后物质密度表和原子量表中查出ZAu=79,AAu=197, ρAu=1.888×104kg/m3依θa2 sin注意到即单位体积内的粒子数 为密度除以摩尔质量数乘以阿伏加德罗常数。
物理初中一年级下册第六章原子物理的基本概念与运用
物理初中一年级下册第六章原子物理的基本概念与运用原子物理的基本概念与运用原子物理是物理学的一个重要分支，它研究了物质的最基本结构——原子。
在中学物理课程中，原子物理通常作为高年级的内容进行教学。
在初中一年级下册中的第六章，我们将学习原子物理的基本概念与运用。
本文将以简明清晰的方式解释这些概念，并探讨其在实际应用中的重要性。
第一部分：原子结构的基本概念在学习原子物理之前，我们需要了解原子的基本结构。
原子由质子、中子和电子组成。
质子带有正电荷，中子是中性粒子，而电子则带有负电荷。
质子和中子位于原子核内，形成原子的核心，而电子则环绕在核外的轨道上。
一、质子和中子质子和中子是原子核的组成部分。
质子的电荷为正，质量约为1.67×10^-27 千克；而中子是中性的，质量约为质子的1.009倍。
原子核的质量主要由质子和中子构成。
二、电子电子是原子中最轻的粒子，自身带有负电荷。
电子以各自的轨道围绕在原子核周围。
电子的质量约为质子的1/1836，但是在物质的性质中起到了至关重要的作用。
第二部分：原子物理的实际应用原子物理的研究不仅为我们揭示了物质最基本的组成单位，还有着广泛而重要的应用。
以下是原子物理的一些实际应用。
一、原子核能源原子核能源是应用原子物理的最重要领域之一。
核能通过核反应释放出来，被广泛应用于电力产生、核武器、医学影像和食品辐射等方面。
核能的应用对解决能源需求和环境保护具有重要意义。
二、辐射治疗和诊断利用放射性同位素进行辐射治疗和诊断是原子物理在医学领域的应用之一。
例如，放射性碘被广泛用于甲状腺疾病的治疗和诊断，放射性同位素在肿瘤治疗中也起到了重要作用。
三、核磁共振成像核磁共振成像（MRI）是一种通过原子核的自旋磁矩来生成图像的技术。
在医学领域，MRI广泛应用于扫描身体内部的器官和组织，帮助医生作出准确的诊断。
四、原子核反应在工业中的应用原子核反应在工业生产过程中有着广泛的应用。
例如，通过核聚变反应产生的高温等离子体可用于实现清洁且高效能源的产生。
第六章原子结构共价键和分子间作用力
第六章原子结构共价键和分子间作用力原子结构、共价键和分子间作用力是化学中非常重要的概念。
本章将介绍这些概念的基本原理和应用。
首先，我们来了解一下原子结构。
原子是物质的基本单位，由原子核和绕核运动的电子组成。
原子核由质子和中子组成，而电子则围绕着原子核运动。
质子具有正电荷，中子不带电，电子具有负电荷。
原子的质子数与电子数相等，因此原子的总电荷为零。
接下来，我们来研究原子之间的结合方式。
共价键是最常见的一种键，它是电子的共享方式。
在共价键中，两个原子都会贡献一个或多个电子来形成一个共有电子对。
这样的共有电子对将两个原子吸引在一起，使它们形成一个分子。
在分子中，不同的原子可以通过单、双、三键（分别是共享一个、两个或三个电子对）进行连接。
共价键的强度取决于两个原子之间的电子云的重叠程度。
电子云越重叠，共价键越强。
除了共价键外，还存在着其他类型的键。
离子键是由带电离子之间的相互吸引力形成的。
离子键是以正离子和负离子之间的相互吸引力为基础的，用来连接金属和非金属原子。
离子键通常是很强的，因此结合的化合物有着高熔点和高热稳定性。
氢键是一种特殊的分子间作用力。
氢键通常在氢原子和较电负的原子（如氮、氧、氟）之间形成。
在氢键中，氢原子部分共享其电子，并与另一个原子形成氢键。
氢键对于生物分子的结构和功能起着重要的作用。
分子间作用力还包括范德华力。
范德华力是非极性分子之间的作用力，它基于分子电子云的临时极化。
范德华力是较弱的一种结合方式，但它可以作用在很多分子之间。
总结起来，原子结构、共价键和分子间作用力是化学中非常重要的概念。
通过了解原子结构，我们可以理解不同原子之间的结合方式。
共价键通过电子的共享实现原子的结合，而离子键则是带电原子之间的相互吸引力。
分子间作用力如氢键和范德华力则影响着化合物的性质。
这些概念对于理解物质的性质和反应机理起着关键作用。
原子物理学4-6章的知识要点(自己整理的,仅作参考)
总量子数： L S , L S 1,, L S J
对于具有两个价电子的 原子，当 给定, L
2 S 1
LJ
状态 0时J L。有一个可能的角动量 (单态) S 状态 1时J L 1, L, L 1。有三个可能的角动量 (三重态)
结论:具有两个价电子的原子都有单态和三重态的能级结构.
h h 0 (m2 g2 m1g1 )B B
当体系自旋为0时, g2 g1 1
h h 0 ( m 2 m1 ) B B
反常塞曼效应
钠是单原子体系,其主线系相当于 np→3s的跃迁 纳原子分裂谱线的能量：
h h ( m 2 g 2 m1 g1 ) B B 分裂谱线的频率： ( m 2 g 2 m1 g1 ) L eB 拉摩频率： L 14B(T )GHz h 4me 分裂谱线的波数： (m2 g2 m1 g1 ) L L E 1 L 46.7 B(T )m , 46.7 B SI c B B
sz B
朗德(Lande)因子（g因子）
定义一个g因子,使得对于任意角动量量子数j 所对 应的磁矩及其在z方向的投影均可表为:
j j ( j 1)g j B jz m j g j B
g是反映微观粒子内部 运动的一个重要物理量. （至今仍是一个假设）
3 s( s 1) l ( l 1) s 0, l 0 g g l 1 gj 2 2 j ( j 1) s 0, l 0 g g s 2
主量子数 角量子数
n, n 1, 2,3, 4,......
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第 六
4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出
章 可见光的荧光；
:
X 5）X射线本质上是一种电磁波，同此它具有
射 线
反射、折射、衍射、偏振等性质。
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第二节：X射线的产生机制
返回
连续谱
实验表明，X射线由两部分构成，一部分
第 波长连续变化，称为连续谱；
六 章
另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为
荧光屏仍然发光，
X射线的
发现
而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，
不被电磁场偏转。
X射线的
经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线 产生
的本质，
第
六 因此赋予它一个神秘的名字
章 :
--X射线（伦琴射线)。
X
1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学
射 线
会递交了第一篇关于X射线的论文，《论新的射
线》，并公布了他夫人的X射线手骨照片。
:
在评价这一故事时所说的那样，“科学家的‘灵
X
射 线
感’对科学家的发现‘非常重要’；这种灵感必
源于他的丰富的实践和经验。”
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第一节：X射线的发现
X射线的 发现
如图，在真空管 (106 108 mmHg) 两阴极和阳
极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料
第 六
制成，电子打在阳极上便可得到X射线，其
的I～λ曲线。由图可见 决定的。
与靶min无关。是由管压V 连续谱
连续谱产生的微观机制
标识谱
通过上面对连续谱特征的分析可知：连续谱不应
该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。
第 六
被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的
章 深度，其速率从 v0 骤减为0，有很大的加速度，而伴
: 随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这
章 :
波长因电压的不同而异。
X
当 0.1nm 1A 称硬X射线；
射
线
当 0.1nm 1A 称软X射线。
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X射线的 产生
第一节：X射线的发现
X射线的性质
1）X射线能使照相底片感光； 2）X射线有很大的贯穿本领； 3）X射线能使某些物质的原子、分子电离；
X射线的 发现
X射线的 产生
1）连续谱与管压的关系（靶不变）
第
前图表示以钨作阳极材料加不同电压时，
六 章
以λ为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得
: 到的波长—强度分布曲线。
X 射
由图可见，当阳极材料不变时，min 和 Imax
线 随管压V的升高都向短波方向移动。
连续谱 标识谱
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第二节：X射线的产生机制
2）连续谱与阳极材料的关系（电压不变） 前图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时
标识谱
所以 E连续变化.
第 六 章
即式
hv
1 2
mv02
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
E损
中，是连续的，作为极限情况，
:
X
E损 0 ， 则 max
射
线
从而得到
hvmax
1 2
mv02
= eV (1)
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第二节：X射线的产生机制
上式表明，电子在电压V下加速而获得能量
并全部转化为辐射时
hvm a x
c h
m in
使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光
物质是否有关呢？
X射线的 发现
他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，
同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉 眼看不见的射线，与荧光无关。
X射线的 产生
1896年3月2日，他向法国科学院报告了这一
第 惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。
六
章
放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生
六
章
:
于是他把一块荧光物质（铀的化合物--钾铀
X 酰硫酸盐晶体）放在用黑纸包住的照相底片上，
射 线
然后放在太阳下晒，结果在底片上果然发现了与
荧光物质形状相同的“像”。
X射线的 发现
X射线的 产生
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第一节：X射线的发现
一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒
的底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这
: 某种材料的标识，所以称为标识谱，又叫特征
X 谱--它迭加在连续谱上。
射 线
下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详
细分析。
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标识谱
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第二节：X射线的产生机制
连续谱—轫致辐射（指高速电子骤然减速产生的辐射）
1、连续谱的特征
在上述产生X射线的装置中，电子打到阳极 材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面 分两点研究辐射的特性。
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第一节：X射线的发现
伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全 世界范围内掀起了X射线研究热，1896年关于X射 线的研究论文高达1000多篇.
对X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒 尔也投入到这一研究领域之中，为了弄清X射线 产生的机制。
他想，如果把荧光物质放在强光下照时，是
第 否在发荧光的同时，也能放出X射线呢？
1 2
mv 0 2
eV
由此得： min
1.24 nm V (KV )
(2)
连续谱
需要指出的是，解释光电效应的Einstein
Atomic Physics 原子物理学
第六章： x射线
第一节 x射线的发现 第二节 x射线的产生机制 第三节 Compton散射 第四节 x射线的吸收
第一节：X射线的发现
X射线的发现
在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线 在实验里已经存在了30多年，在射线发现前， 不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底 片模糊或感光。
X 射
便是产生X射线连续谱的原因，用光子的概念可以对
线 连续谱的产生给出定量的分析。
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第二节：X射线的产生机制
设电子入射速度v0，在靶上减速而损失的能
量为 E损；减速过程中的能量差为 E，
则
E
1 2
mv0 2
-
E损
根据上面的分析，E将以光子的形式向外辐射；
连续谱
由于E损 是连续变化的，而 v0是一定的，
如1879年的克鲁克斯，1890年的古德斯比 德等人，
X射线的 发现
X射线的 产生
第
但发现 X 射线的却是伦琴。
六
章
:
伦琴
X 射
1845年出生于德国的一个商人家庭，
线
1869年在苏黎世大学获博士学位。
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第一节：X射线的发现
1895年11月8日傍晚，伦琴在研究阴极 射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对 实验的影响，他用黑纸板将管子包起来。
却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂
氰酸钡 (BaPt(CN)6) 结晶物质的屏幕发出了 荧光
第
六 章
伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有
: 的新射线，经检查发现，射线来自阴极
X 射线管管壁。
射
线
X射线的 发现
X射线的 产生
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第一节：X射线的发现
令人惊奇的是
当用木头等不透明物质挡住这种射线时，