原子及原子核物理

前言

本教材是為滿足我國(guó)理、工科相關(guān)專業(yè)的教學(xué)需求而編寫的一本原子及原子核物理學(xué)的綜合性教材。目前，國(guó)內(nèi)各大專院校的原子物理和原子核物理學(xué)課程的教材，幾乎均是分開單獨(dú)編寫的，學(xué)時(shí)數(shù)需求較多。隨著當(dāng)前很多理、工科專業(yè)的發(fā)展，往往要求用較少的學(xué)時(shí)完成兩門課程的教學(xué)內(nèi)容，而適合這種學(xué)時(shí)少的綜合性的教材卻很少，為滿足教學(xué)需求，結(jié)合作者多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教改研究成果，我們編寫了本教材。它既可以作為工科相關(guān)專業(yè)原子及原子核物理學(xué)的綜合性教材，也可以作為物理學(xué)相關(guān)專業(yè)原子物理學(xué)的教材。本教材通過(guò)對(duì)原子物理學(xué)及原子核物理學(xué)兩門課程科學(xué)的、合理的整合與調(diào)整，使其在保持原有各門課程知識(shí)體系相對(duì)完整的基礎(chǔ)上，又組成相應(yīng)的新的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，從而達(dá)到重新融合兩門相對(duì)獨(dú)立的課程的目的，使學(xué)生只花較少的時(shí)間就能夠初步掌握這兩門課程的基本內(nèi)容。本教材主要以闡述原子及原子核的結(jié)構(gòu)、特性和變化為中心，重點(diǎn)內(nèi)容包括原子物理、原子核物理兩大部分。原子及原子核物理學(xué)課程，是學(xué)生認(rèn)識(shí)和研究微觀領(lǐng)域的開始，所以在本教材的編寫中，作者從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，按照由現(xiàn)象到本質(zhì)、由實(shí)驗(yàn)到理論的過(guò)程，結(jié)合一些物理學(xué)史的介紹，讓學(xué)生了解在原子、原子核領(lǐng)域中經(jīng)典物理遇到的主要困難，以及為克服這些困難而引入的一些全新的分析方法和推理方法，幫助學(xué)生建立起量子物理的基本概念；使學(xué)生了解如何由分析物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)建立物理模型，進(jìn)而建立物理理論體系的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入微觀世界；讓學(xué)生對(duì)物質(zhì)在原子及原子核層次上的微觀結(jié)構(gòu)、特性和變化有較清楚的認(rèn)識(shí)，了解微觀物理學(xué)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重大影響和各種應(yīng)用，了解并適當(dāng)涉及正在發(fā)展的學(xué)科前沿，擴(kuò)大視野，引導(dǎo)學(xué)生勇于思考、樂(lè)于探索發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)成良好的自學(xué)習(xí)慣，培養(yǎng)良好的科學(xué)素質(zhì)，學(xué)習(xí)物理學(xué)家們那種創(chuàng)造性研究問(wèn)題的思想和方法，借以培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力。同時(shí)，提倡大膽“質(zhì)疑”，前人曾說(shuō)過(guò)：“提出正確的問(wèn)題，已解決了問(wèn)題的一大半”。

內(nèi)容概要

本書通過(guò)對(duì)原子物理學(xué)及原子核物理學(xué)兩門課程科學(xué)的、合理的整合與調(diào)整，使其在保持原有各門課程知識(shí)體系相對(duì)完整的基礎(chǔ)上，又組成相應(yīng)的新的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，從而達(dá)到重新融合兩門相對(duì)獨(dú)立的課程的目的，使學(xué)生只花較少的時(shí)間就能夠初步掌握這兩門課程的基本內(nèi)容。它以闡述原子及原子核的結(jié)構(gòu)、特性和變化為中心，重點(diǎn)內(nèi)容包括原子物理、原子核物理兩大部分。    全書共分17章，各章均附有習(xí)題。前7章為原子物理部分，作者從光譜學(xué)、電磁學(xué)、x射線等方面的實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出的規(guī)律匯總到原子結(jié)構(gòu)的全貌。第8章～第16章為原子核物理部分，主要包括低能核結(jié)構(gòu)模型、原子核的放射性、α衰變、β衰變、γ衰變、核反應(yīng)及核能和放射性的應(yīng)用等。第17章為粒子物理學(xué)的介紹。    本書可以作為工科相關(guān)專業(yè)原子及原子核物理學(xué)的綜合性教材，也可以作為物理學(xué)相關(guān)專業(yè)原子物理學(xué)的教材，亦可供物理專業(yè)以及其他專業(yè)學(xué)生或相關(guān)科技人員參考。

書籍目錄

緒論第1編  原子物理  第1章  原子的核型結(jié)構(gòu)及氫原子的玻爾理論    1.1  原子的基本狀況    1.2  原子的核式結(jié)構(gòu)    1.3  盧瑟福散射公式    1.4  氫原子玻爾理論的歷史背景    1.5  氫原子的玻爾理論    1.6  類氫離子光譜    附錄：數(shù)值計(jì)算法    習(xí)題  第2章  量子力學(xué)初步    2.1  波粒二象性德布羅意物質(zhì)波    2.2  不確定關(guān)系    2.3  波函數(shù)薛定諤方程    2.4  量子力學(xué)對(duì)氫原子的處理    習(xí)題  第3章  堿金屬原子和電子自旋    3.1  堿金屬原子的光譜和能級(jí)    3.2  原子實(shí)的極化和軌道貫穿    3.3  原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)    3.4  電子自旋    3.5  單電子輻射躍遷的選擇定則    3.6  氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)    習(xí)題  第4章  多電子原子    4.1  氦及周期表第二族元素的光譜和能級(jí)    4.2  具有兩個(gè)價(jià)電子的原子的原子態(tài)    4.3  泡利不相容原理    4.4  復(fù)雜原子光譜的一般規(guī)律    4.5  輻射躍遷的普用選擇定則    習(xí)題  第5章  原子的殼層結(jié)構(gòu)    5.1  元素性質(zhì)的周期性    5.2  原子的電子殼層結(jié)構(gòu)    習(xí)題  第6章  磁場(chǎng)中的原子    6.1  原子的磁矩    6.2  磁場(chǎng)對(duì)原子的作用    6.3  幾個(gè)證明磁場(chǎng)中能級(jí)分裂的典型實(shí)驗(yàn)    習(xí)題  第7章  X射線    7.1  X射線的產(chǎn)生及波長(zhǎng)和強(qiáng)度的測(cè)量    7.2  X射線發(fā)射譜及特征    7.3  原子內(nèi)殼層電子電離的能級(jí)——x射線標(biāo)識(shí)譜產(chǎn)生機(jī)制    7.4  X射線的吸收    習(xí)題第2編  原子核物理  第8章  原子核的基本性質(zhì)和結(jié)構(gòu)    8.1  原子核的電荷、質(zhì)量和半徑    8.2  原子核的組成    8.3  質(zhì)量虧損和結(jié)合能    8.4  原子核的角動(dòng)量和磁矩    8.5  原子核的統(tǒng)計(jì)性和宇稱    8.6  核力    8.7  原子核結(jié)構(gòu)模型    習(xí)題  第9章  原子核放射性衰變    9.1  放射性衰變及其規(guī)律    9.2  4個(gè)放射系    習(xí)題  第10章  α衰變    10.1  α衰變的條件及能量分配    10.2  α能譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)與核能級(jí)    10.3  長(zhǎng)射程α粒子    習(xí)題  第ll章  β衰變    11.1  β衰變的3種形式    11.2  β衰變面臨的難題    11.3  β衰變綱圖和β衰變3種形式的比較    習(xí)題  第12章  γ衰變    12.1 γ射線的一般性質(zhì)    12.2  內(nèi)變換(IC)    12.3  同質(zhì)異能素    12.4  穆斯堡爾效應(yīng)    習(xí)題  第13章  射線與物質(zhì)的相互作用    13.1  重荷電粒子與物質(zhì)的相互作用    13.2  快速電子與物質(zhì)的相互作用    13.3  γ射線同物質(zhì)的相互作用    13.4  放射性的應(yīng)用    習(xí)題  第14章  原子核反應(yīng)    14.1  核反應(yīng)及遵循的守恒定律    14.2  核反應(yīng)中的能量    14.3  核反應(yīng)截面    14.4  核反應(yīng)的三階段描述    14.5  核反應(yīng)的復(fù)合核模型    14.6  原子核的光學(xué)模型    習(xí)題  第15章  原子核的裂變和原子能的利用    15.1  原子核的裂變現(xiàn)象    15.2  裂變理論    15.3  鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和原子反應(yīng)堆    習(xí)題  第16章  原子核的聚變和原子能的利用展望    16.1  原子核的聚變    16.2  等離子體的約束  第17章  粒子物理簡(jiǎn)介    17.1  粒子和粒子的相互作用    17.2  共振態(tài)    17.3  粲性粒子的發(fā)現(xiàn)    17.4  夸克模型    17.5  標(biāo)準(zhǔn)模型及“基本”粒子的分類    習(xí)題附錄  附錄Ⅰ  常用物理常數(shù)  附錄Ⅱ  一些核素的性質(zhì)習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最一般的規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)按空間尺度分成一個(gè)層次。原子及原子核物理學(xué)研究空間尺度在10～10m之間的物質(zhì)層次，由原子物理和原子核物理兩大部分結(jié)合而成，是關(guān)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。其研究對(duì)象分別為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子（10m）和原子核（10m）層次。它主要研究原子、原子核結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及有關(guān)問(wèn)題，即研究物質(zhì)在原子和原子核層次是由什么組成、這些組成體如何相互作用、這些組成體是怎么運(yùn)動(dòng)的。盡管人們提出原子的概念已有二千多年的歷史，但原子及原子核物理學(xué)，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)都是在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，隨著近代物理學(xué)的發(fā)展而迅速發(fā)展的。特別是人類在1895、1896、1897年的三大發(fā)現(xiàn)（x射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)），拉開了近代物理的序幕，掀起了原子物理、原子核物理發(fā)展的新篇章。原子及原子核物理學(xué)課程，上承經(jīng)典物理，下接量子力學(xué)，屬于近代物理的范疇。但在內(nèi)容體系的描述上，采用了普通物理的描述風(fēng)格講述量子物理的基本概念和物理圖象。本教材在原子物理部分，從原子光譜入手，提出假設(shè)，建立模型，研究?jī)r(jià)電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)研究磁場(chǎng)對(duì)原子的作用；從元素周期律和x射線入手研究?jī)?nèi)層電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和排布；然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后形成理論。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)建立正確的原子結(jié)構(gòu)圖像（原子的量子態(tài)、電子自旋、泡利原理等），掌握原子物理學(xué)的研究方法，以及基本概念和原理，掌握原子光譜、能級(jí)和能級(jí)躍遷的基本規(guī)律，了解在原子領(lǐng)域中經(jīng)典物理遇到的主要困難，以及為克服這些困難而引入的一些全新的分析方法和推理方法、一些與經(jīng)典物理不同的新概念，辯證認(rèn)識(shí)經(jīng)典與近代物理的基本關(guān)系。本教材的教學(xué)重點(diǎn)放在對(duì)有關(guān)概念和規(guī)律的物理分析和闡述上，嚴(yán)格的理論處理留待量子力學(xué)等后繼課程去完成。由于原子核是典型的量子多體復(fù)雜體系，原子核中包含了豐富的內(nèi)秉自由度與最多種類的基本相互作用，所以利用射線轟擊原子核引起核反應(yīng)的方法以及利用原子核的放射性衰變特性是研究原子核的主要手段。借助原子核的放射性衰變（a衰變、b衰變、r衰變）、核反應(yīng)等大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們將歸納總結(jié)穩(wěn)定的核素或壽命較長(zhǎng)的放射性核素的基態(tài)和較低激發(fā)態(tài)的性質(zhì)，并通過(guò)理論分析建立各種唯象模型，討論核子在核內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和核衰變、核反應(yīng)機(jī)制，對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)給出理論解釋。原子核物理是與整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展緊密相連的，以興建若干大科學(xué)工程為標(biāo)志，對(duì)它的研究與開發(fā)需在全球范圍開展合作競(jìng)爭(zhēng)，以及較大的公共資源投入，是典型的大科學(xué)。同時(shí)，原子核物理具有接近實(shí)際，依賴實(shí)驗(yàn)，唯象成分較多的特點(diǎn)，在學(xué)習(xí)與研究中應(yīng)留意。

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