原子及原子核物理

前言

本教材是為滿足我國理、工科相關專業(yè)的教學需求而編寫的一本原子及原子核物理學的綜合性教材。目前，國內各大專院校的原子物理和原子核物理學課程的教材，幾乎均是分開單獨編寫的，學時數需求較多。隨著當前很多理、工科專業(yè)的發(fā)展，往往要求用較少的學時完成兩門課程的教學內容，而適合這種學時少的綜合性的教材卻很少，為滿足教學需求，結合作者多年的教學實踐經驗和教改研究成果，我們編寫了本教材。它既可以作為工科相關專業(yè)原子及原子核物理學的綜合性教材，也可以作為物理學相關專業(yè)原子物理學的教材。本教材通過對原子物理學及原子核物理學兩門課程科學的、合理的整合與調整，使其在保持原有各門課程知識體系相對完整的基礎上，又組成相應的新的知識結構體系，從而達到重新融合兩門相對獨立的課程的目的，使學生只花較少的時間就能夠初步掌握這兩門課程的基本內容。本教材主要以闡述原子及原子核的結構、特性和變化為中心，重點內容包括原子物理、原子核物理兩大部分。原子及原子核物理學課程，是學生認識和研究微觀領域的開始，所以在本教材的編寫中，作者從實驗事實出發(fā)，按照由現(xiàn)象到本質、由實驗到理論的過程，結合一些物理學史的介紹，讓學生了解在原子、原子核領域中經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，幫助學生建立起量子物理的基本概念；使學生了解如何由分析物理實驗結果出發(fā)建立物理模型，進而建立物理理論體系的過程，引導學生進入微觀世界；讓學生對物質在原子及原子核層次上的微觀結構、特性和變化有較清楚的認識，了解微觀物理學對現(xiàn)代科學技術的重大影響和各種應用，了解并適當涉及正在發(fā)展的學科前沿，擴大視野，引導學生勇于思考、樂于探索發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)成良好的自學習慣，培養(yǎng)良好的科學素質，學習物理學家們那種創(chuàng)造性研究問題的思想和方法，借以培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力。同時，提倡大膽“質疑”，前人曾說過：“提出正確的問題，已解決了問題的一大半”。

內容概要

本書通過對原子物理學及原子核物理學兩門課程科學的、合理的整合與調整，使其在保持原有各門課程知識體系相對完整的基礎上，又組成相應的新的知識結構體系，從而達到重新融合兩門相對獨立的課程的目的，使學生只花較少的時間就能夠初步掌握這兩門課程的基本內容。它以闡述原子及原子核的結構、特性和變化為中心，重點內容包括原子物理、原子核物理兩大部分。    全書共分17章，各章均附有習題。前7章為原子物理部分，作者從光譜學、電磁學、x射線等方面的實驗事實總結出的規(guī)律匯總到原子結構的全貌。第8章～第16章為原子核物理部分，主要包括低能核結構模型、原子核的放射性、α衰變、β衰變、γ衰變、核反應及核能和放射性的應用等。第17章為粒子物理學的介紹。    本書可以作為工科相關專業(yè)原子及原子核物理學的綜合性教材，也可以作為物理學相關專業(yè)原子物理學的教材，亦可供物理專業(yè)以及其他專業(yè)學生或相關科技人員參考。

書籍目錄

緒論第1編  原子物理  第1章  原子的核型結構及氫原子的玻爾理論    1.1  原子的基本狀況    1.2  原子的核式結構    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：數值計算法    習題  第2章  量子力學初步    2.1  波粒二象性德布羅意物質波    2.2  不確定關系    2.3  波函數薛定諤方程    2.4  量子力學對氫原子的處理    習題  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    3.2  原子實的極化和軌道貫穿    3.3  原子的精細結構    3.4  電子自旋    3.5  單電子輻射躍遷的選擇定則    3.6  氫原子光譜的精細結構    習題  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    4.2  具有兩個價電子的原子的原子態(tài)    4.3  泡利不相容原理    4.4  復雜原子光譜的一般規(guī)律    4.5  輻射躍遷的普用選擇定則    習題  第5章  原子的殼層結構    5.1  元素性質的周期性    5.2  原子的電子殼層結構    習題  第6章  磁場中的原子    6.1  原子的磁矩    6.2  磁場對原子的作用    6.3  幾個證明磁場中能級分裂的典型實驗    習題  第7章  X射線    7.1  X射線的產生及波長和強度的測量    7.2  X射線發(fā)射譜及特征    7.3  原子內殼層電子電離的能級——x射線標識譜產生機制    7.4  X射線的吸收    習題第2編  原子核物理  第8章  原子核的基本性質和結構    8.1  原子核的電荷、質量和半徑    8.2  原子核的組成    8.3  質量虧損和結合能    8.4  原子核的角動量和磁矩    8.5  原子核的統(tǒng)計性和宇稱    8.6  核力    8.7  原子核結構模型    習題  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個放射系    習題  第10章  α衰變    10.1  α衰變的條件及能量分配    10.2  α能譜的精細結構與核能級    10.3  長射程α粒子    習題  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    習題  第12章  γ衰變    12.1 γ射線的一般性質    12.2  內變換(IC)    12.3  同質異能素    12.4  穆斯堡爾效應    習題  第13章  射線與物質的相互作用    13.1  重荷電粒子與物質的相互作用    13.2  快速電子與物質的相互作用    13.3  γ射線同物質的相互作用    13.4  放射性的應用    習題  第14章  原子核反應    14.1  核反應及遵循的守恒定律    14.2  核反應中的能量    14.3  核反應截面    14.4  核反應的三階段描述    14.5  核反應的復合核模型    14.6  原子核的光學模型    習題  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  鏈式反應和原子反應堆    習題  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  標準模型及“基本”粒子的分類    習題附錄  附錄Ⅰ  常用物理常數  附錄Ⅱ  一些核素的性質習題參考答案參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：物理學是研究物質運動的最一般的規(guī)律和物質基本結構的學科。物質的結構按空間尺度分成一個層次。原子及原子核物理學研究空間尺度在10～10m之間的物質層次，由原子物理和原子核物理兩大部分結合而成，是關于物質微觀結構的一門科學。其研究對象分別為物質結構的原子（10m）和原子核（10m）層次。它主要研究原子、原子核結構與性質及有關問題，即研究物質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動的。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，準確來說都是在19世紀末20世紀初，隨著近代物理學的發(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課程，上承經典物理，下接量子力學，屬于近代物理的范疇。但在內容體系的描述上，采用了普通物理的描述風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，建立模型，研究價電子的運動規(guī)律；以實驗為基礎研究磁場對原子的作用；從元素周期律和x射線入手研究內層電子的運動規(guī)律和排布；然后再進行實驗驗證，最后形成理論。通過學習，學生應建立正確的原子結構圖像（原子的量子態(tài)、電子自旋、泡利原理等），掌握原子物理學的研究方法，以及基本概念和原理，掌握原子光譜、能級和能級躍遷的基本規(guī)律，了解在原子領域中經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、一些與經典物理不同的新概念，辯證認識經典與近代物理的基本關系。本教材的教學重點放在對有關概念和規(guī)律的物理分析和闡述上，嚴格的理論處理留待量子力學等后繼課程去完成。由于原子核是典型的量子多體復雜體系，原子核中包含了豐富的內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）、核反應等大量的科學實驗，我們將歸納總結穩(wěn)定的核素或壽命較長的放射性核素的基態(tài)和較低激發(fā)態(tài)的性質，并通過理論分析建立各種唯象模型，討論核子在核內的運動和核衰變、核反應機制，對實驗事實給出理論解釋。原子核物理是與整個科學技術發(fā)展緊密相連的，以興建若干大科學工程為標志，對它的研究與開發(fā)需在全球范圍開展合作競爭，以及較大的公共資源投入，是典型的大科學。同時，原子核物理具有接近實際，依賴實驗，唯象成分較多的特點，在學習與研究中應留意。

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