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绪论 1

第1篇原子物理 5

第1章 原子的核式结构及氢原子的玻尔理论 5

1.1 原子的基本状况 5

1.1.1 原子的质量 5

1.1.2 原子的大小 6

*1.2 原子的核式结构 6

1.2.1 α粒子的散射实验 7

1.2.2 原子的核式结构模型 8

*1.3 卢瑟福散射公式 8

1.3.1 库仑散射公式 8

1.3.2 卢瑟福散射公式 9

1.3.3 原子核半径的估算 11

*1.4 氢原子玻尔理论的历史背景 11

1.4.1 卢瑟福原子核式结构模型的困难 11

1.4.2 黑体辐射 11

1.4.3 光电效应 14

1.4.4 氢原子光谱的规律 16

1.5 氢原子的玻尔理论 18

1.5.1 氢原子的玻尔理论 18

1.5.2 光谱项 21

*1.5.3 原子能级的实验验证——弗兰克－赫兹实验 21

1.6 类氢系统的光谱 23

*附录：数值计算法 25

习题 26

第2章 量子力学初步 28

*2.1 波粒二象性 德布罗意物质波 28

2.1.1 德布罗意假设 28

2.1.2 德布罗意波的实验验证 28

2.1.3 德布罗意波的统计解释 30

*2.2 不确定关系 30

*2.3 波函数薛定谔方程 32

2.3.1 波函数概率密度 32

2.3.2 薛定谔方程 33

2.3.3 力学量的算符和平均值 34

2.3.4 薛定谔方程应用举例 35

2.4 量子力学对氢原子的处理 37

*2.4.1 氢原子的薛定谔方程 37

*2.4.2 能量和角动量 39

*2.4.3 电子被发现的概率的分布 41

2.4.4 三个量子数的物理意义 44

习题 45

第3章 碱金属原子和电子自旋 47

3.1 碱金属原子的光谱和能级 47

3.1.1 碱金属 47

3.1.2 碱金属原子的光谱和能级 47

3.2 原子实的极化和轨道贯穿 49

3.2.1 原子实 49

3.2.2 原子实的极化 49

3.2.3 轨道的贯穿 50

3.3 原子的精细结构 51

3.3.1 碱金属原子光谱的精细结构 51

3.3.2 原子中电子轨道运动的磁矩 52

3.4 电子自旋 54

3.4.1 电子自旋的假设 54

3.4.2 电子自旋磁矩 55

3.4.3 自旋——轨道相互作用，原子精细结构的定量考虑 55

3.5 单电子辐射跃迁的选择定则 58

3.6 氢原子光谱的精细结构 59

3.6.1 氢原子能级的精细结构 59

3.6.2 氢光谱精细结构的观测 60

习题 61

第4章 多电子原子 63

4.1 氦及周期表第二族元素的光谱和能级 63

4.1.1 氦的光谱和能级 63

4.1.2 镁的光谱和能级 64

4.2 具有两个价电子的原子的原子态 65

4.2.1 电子组态 65

4.2.2 一种电子组态构成不同的原子态 65

4.3 泡利不相容原理 69

4.3.1 泡利不相容原理 69

4.3.2 等效电子形成的原子态 70

4.4 复杂原子光谱的一般规律 72

4.4.1 光谱和能级的位移律 72

4.4.2 多重性的交换律 72

4.5 辐射跃迁的选择定则 73

4.5.1 电子组态变化的规则 73

4.5.2 原子辐射跃迁的选择定则 74

习题 74

第5章 原子的壳层结构 76

5.1 元素性质的周期性 76

5.2 原子的电子壳层结构 77

5.2.1 决定原子壳层结构的两条准则 77

5.2.2 原子中电子的壳层结构 77

5.2.3 电子组态的能量——壳层的次序 78

5.2.4 原子基态的电子组态及元素周期表 79

5.2.5 原子基态光谱项的确定 83

习题 85

第6章 磁场中的原子 86

6.1 原子的磁矩 86

6.1.1 单电子原子的总磁矩 86

6.1.2 两个或两个以上电子的原子磁矩 87

6.2 磁场对原子的作用 87

6.2.1 拉莫进动（旋进） 87

6.2.2 原子受磁场作用附加的能量 88

6.3 几个证明磁场中能级分裂的典型实验 89

6.3.1 施特恩－格拉赫实验的再分析 89

6.3.2 顺磁共振 90

6.3.3 塞曼效应 91

习题 95

第7章 X射线 97

7.1 X射线的产生及波长和强度的测量 98

7.1.1 X射线的产生 98

7.1.2 X射线波长和强度的测量 98

7.1.3 X射线在晶体中衍射的应用 100

7.2 X射线发射谱及特征 101

7.2.1 X射线的发射谱 101

7.2.2 连续谱——轫致辐射 101

7.2.3 标识辐射的特征 102

7.3 原子内壳层电子电离的能级——X射线标识谱产生机制 104

7.3.1 产生标识辐射的先决条件 104

7.3.2 X射线标识谱产生机制和标识谱的标记方法 105

7.3.3 俄歇电子 106

7.4 X射线的吸收 106

7.4.1 光子与物质的相互作用 106

7.4.2 X射线的吸收 107

7.4.3 吸收限 108

7.4.4 X射线吸收过程的应用 109

习题 111

**第8章 分子结构和光谱 112

8.1 原子间的键联与分子的形成 112

8.1.1 离子键 112

8.1.2 共价键 114

8.2 分子的能级与光谱 120

8.2.1 分子内部运动的三种形式 120

8.2.2 双原子分子的转动能级和光谱 121

8.2.3 双原子分子的振动能级和光谱 123

8.2.4 双原子分子的振转能级和振转光谱 124

8.2.5 双原子分子的电子态 126

8.3 拉曼散射和光谱 127

8.3.1 拉曼散射及主要的实验结果 127

8.3.2 拉曼散射的理论解释 129

习题 131

第2篇原子核物理 135

第9章 原子核的基本性质和结构 135

9.1 原子核的电荷、质量和半径 135

9.1.1 原子核的电荷 135

9.1.2 原子核的质量 135

9.1.3 原子核的半径 135

9.2 原子核的组成 136

9.2.1 原子核的组成 136

9.2.2 核素和核素图 136

9.3 质量亏损和结合能 138

9.3.1 1＋1≠2 138

9.3.2 平均结合能 139

9.4 原子核的角动量和磁矩 140

9.4.1 原子核的角动量（核自旋） 140

9.4.2 原子核的磁矩 142

9.4.3 原子核的电四极矩 142

9.5 原子核的统计性和宇称 143

9.5.1 原子核的宇称 143

9.5.2 原子核的统计性 143

9.6 核力 144

9.6.1 核力的一般性质（今已了解的） 144

9.6.2 核力的介子论 145

9.7 原子核结构模型 147

9.7.1 原子核的液滴模型和结合能的半经验公式 147

9.7.2 原子核的壳层模型 149

*9.7.3 原子核的集体模型 153

习题 156

第10章 原子核放射性衰变 157

10.1 放射性衰变及其规律 157

10.1.1 放射性衰变及类型 157

10.1. 2单独存在的放射性物质的衰变规律 157

10.2 4个放射系 159

10.2.1 铀系（铀－镭系） 159

10.2.2 锕系（4n+3系） 162

10.2.3 钍系（4n系） 162

10.2.4 镎系（4n+1系） 162

习题 162

第11章 α衰变 163

11.1 α衰变的条件及能量分配 163

11.1.1 α衰变的条件 163

11.1.2 衰变能及其分配 163

11.2 α能谱的精细结构与核能级 164

11.2.1 α能谱的精细结构 164

11.2.2 能谱精细结构与核能级的关系 165

11.2.3 α衰变机制 166

11.3 长射程α粒子 167

习题 167

第12章 β衰变 168

12.1 β衰变的3种形式 168

12.1.1 β-衰变 168

12.1.2 β+衰变 168

12.1.3 电子俘获和俄歇效应 169

12.2 β衰变面临的难题 170

12.2.1 β能谱的连续性 170

12.2.2 β衰变面临的难题 170

12.2.3 中微子假说 170

12.3 β衰变纲图和β衰变三种形式的比较 172

12.3.1 β衰变纲图 172

12.3.2 β衰变三种形式的比较 172

习题 173

第13章 γ衰变 174

13.1 γ射线的一般性质 174

13.1.1 γ射线的性质 174

13.1.2 γ跃迁中的能量分配 174

13.2 内变换（IC） 174

13.2.1 内变换现象 174

13.2.2 内转换电子的能量谱 175

13.2.3 电子偶内变换 176

13.3 同质异能素 176

13.4 穆斯堡尔效应 177

13.4.1 原子核内光子的共振吸收 177

13.4.2 穆斯堡尔效应 178

习题 180

*第14章 射线与物质的相互作用 181

14.1 重荷电粒子与物质的相互作用 181

14.1.1 电离和激发 181

14.1.2 射程（R） 182

14.2 快速电子与物质的相互作用 184

14.2.1 非弹性散射（电离和激发） 184

14.2.2 轫致辐射 184

14.2.3 弹性散射 184

14.2.4 切伦科夫辐射 185

14.2.5 正负电子的湮灭 185

14.2.6 β射线的吸收和射程 185

14.3 γ射线同物质的相互作用 186

14.3.1 原子截面 186

14.3.2 γ射线在物质中的吸收 187

14.4 放射性的应用 188

14.4.1 示踪原子的应用 188

14.4.2 地质考古中的应用 188

习题 189

第15章 原子核反应 190

15.1 核反应及遵循的守恒定律 190

15.1.1 概述 190

15.1.2 核反应遵守的一系列守恒律 191

15.2 核反应中的能量 191

15.2.1 反应能Q 191

15.2.2 Q方程 192

15.2.3 核反应的阈能 193

15.3 核反应截面 195

15.3.1 反应截面σ 195

15.3.2 总截面、分截面 196

15.3.3 微分截面 196

15.4 核反应的三阶段描述 197

15.5 核反应的复合核模型 198

15.5.1 复合核模型的基本假设 198

15.5.2 复合核的能级宽度 198

15.5.3 核共振 199

15.5.4 截面的连续区 200

15.6 原子核的光学模型 200

习题 201

第16章 原子核的裂变和原子能的利用 202

16.1 原子核的裂变现象 202

16.1.1 裂变现象 202

16.1.2 裂变能 203

16.2 裂变理论 203

16.2.1 重核的稳定性（原子核的稳定性） 203

16.2.2 原子核势能与核形变的关系 204

16.2.3 激活能（裂变阈能） 204

16.3 链式反应和原子反应堆 205

16.3.1 链式反应 205

16.3.2 维持链式反应的必要条件 206

16.3.3 原子反应堆 206

16.3.4 原子武器 207

习题 208

第17章 原子核的聚变和原子能的利用展望 209

17.1 原子核的聚变 209

17.1.1 核聚变 209

17.1.2 实现自持聚变的条件 209

17.2 等离子体的约束 210

17.2.1 引力约束 210

17.2.2 磁约束（MCF） 211

17.2.3 惯性约束（ICF） 212

*第18章 粒子物理简介 214

18.1 粒子和粒子的相互作用 214

18.1.1 4种基本相互作用 214

18.1.2 早期粒子的分类 214

18.1.3 奇异粒子的发现和奇异数S 215

18.1.4 同位旋和盖尔曼－西岛关系 216

18.1.5 对称原理（粒子在C、P、T操作下的对称性） 216

18.2 共振态 217

18.2.1 重子共振态 217

18.2.2 介子共振态 218

18.3 粲性粒子的发现 219

18.4 夸克模型 220

18.4.1 粒子的内部结构 220

18.4.2 夸克模型 220

18.5 标准模型及“基本”粒子的分类 222

18.5.1 标准模型中的基本相互作用 222

18.5.2 按标准模型对粒子的分类 223

习题 225

附录 226

附录Ⅰ 常用物理常数 226

附录Ⅱ 一些核素的性质 227

习题参考答案 231

参考文献 234