《原子物理学》教学大纲

课程类别：专业基础课，必修课

先行课程：力学、电磁学、光学、高等数学 后继课程：近代物理实验、量子力学

主要教材：杨福家，原子物理学(第四版)，北京：高等教育出版社，2008 总 学 时：48 理论学时：48 学 分： 3

开课学院：物理电子工程学院

实验学时：实验纳入《近代物理实验》课程 适用专业：国家理科基地、光信息、应用物理 考核方式：考试

参考书

1 禇圣麟，原子物理学，北京：高等教育出版社，1979, 2005 年1 月第30次印刷。(注：本书在1987年国家教育委员会举办的全国优秀教材评选中获国家教委一等奖) 2 C. J. Foot，Atomic Physics，伦敦：牛津大学出版社，2005

3 徐栋培、陈宏芳、石名俊，原子物理与量子力学，北京：科学出版，2008 4 崔宏滨，原子物理学(第二版)，合肥：中国科学技术大学出版社，2012

5 徐克尊、陈向军、 陈宏芳，近代物理学(第二版)，合肥：中国科学技术大学出版社，2008

一、课程的目标和任务

原子物理学是研究物质微观结构和运动规律的重要基础课，是深入了解物质结构和特性的基础，是许多学科的基础，所以这门课将为学生从事相关学科的研究及其应用领域工作打下良好的基础。本课程的主要目标和任务是：以原子结构为中心，以科学实验为依据，详细研究原子的结构、性质、及其运动和变化规律，揭示现象与规律的本质；讲述量子物理的基本概念、基本原理和物理图象；初步了解原子核的结构、组成、性质及其相互作用规律；介绍原子物理学的前沿科学研究进展，通过理论与科研实践的结合培养学生分析和解决问题的能力。

二、课程教学的基本要求

通过本课程的学习，使学生熟练掌握原子物理学、原子核物理学的基本原理、基本概念和基本规律；掌握原子和原子核的结构、运动规律和研究方法；攻克重点难点问题的解决办法，理论联系科研实践，揭示问题的本质和关键，培养学生不怕困难、勇于探索发现的精神，提高分析和解决问题的能力，使学生具备良好的科研素养，为学生将来的创新性研究工作打好基础。

三、课堂教学时数及课后作业题型分配 教 学 内 容 章 目 绪论 第一章 原子的位形：卢瑟福模型 第二章 原子的量子态：玻尔模型 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 第七章 原子核物理概论 合 计 习题、讨论和机动课 讲座 教 学 教学方式 时 数 或 手 段 2.5 3 4 6 6 4 10 8 4 48 课 后 作 业 思 考 题 练 习 题 √ √ √ √ √ √ √ 原子物理学的历史发展，学习方法 0.5 讲授（课件） 讲授（课件） √ 讲授（课件） √ 讲授（课件） 讲授（课件） √ 讲授（课件） √ 讲授（课件） √ 讲授（课件） √ 课堂讨论 报告和讨论 √

四、 各章内容、教学目的和重点难点 绪论

【教学目的】

了解原子物理学的研究对象、发展简史及课程的特点、学习方法、要求。

第一章 原子的位形：卢瑟福模型 【教学目的】

了解卢瑟福模型的历史背景：电子的发现，电子的电荷和质量， 阿伏伽德罗常量，原子的大小，粒子散射实验等实验事实；掌握库仑散射公式和卢瑟福散射公式的推导、原子核大小的估计和原子的核式结构；理解盖革-马斯顿实验原理，了解行星模型的意义及困难意义。 【重点难点】

原子质量和大小的量级，粒子散射实验，库仑散射公式，散射截面及其物理意义，卢瑟福散射公式。 【教学内容】

第1节 背景知识

电子的发现，电子的电荷和质量，阿伏伽德罗常量，原子的大小 第2节 卢瑟福模型的提出 第3节 卢瑟福散射公式

库仑散射公式的推导，卢瑟福公式的推导 第4节 卢瑟福公式的实验验证

盖革-马斯顿实验，原子核大小的估计 第5节 行星模型的意义及困难

第二章 原子的量子态：玻尔模型 【教学目的】

了解量子假说的三个实验依据：黑体辐射、光电效应和光谱；掌握玻尔理论的要点，会画能级跃迁图；掌握氢原子及类氢离子光谱规律及类氢离子光谱线系公式；理解夫兰克—赫兹实

验原理、方法及结论；了解索末菲量子化条件及应用，能量的相对论修正；了解碱金属原子的光谱规律。 【重点难点】

重点：玻尔氢原子理论，量子化、量子数、跃迁等概念及重要性，夫兰克—赫兹实验。 难点：量子理论的建立、空间量子化。 【教学内容】

第1节 背景知识

量子假说根据之一：黑体辐射，量子假说根据之二：光电效应；光谱 第2节 玻尔模型

经典轨道加第二章 原子的量子态：玻尔模型 第3节 实验验证之一：光谱

氢光谱类氢光谱，肯定氘的存在，非量子化轨道，里德堡原子 第4节 实验验证之二：弗兰克-赫兹实验

基本想法，弗兰克-赫兹实验，改进的弗兰克-赫兹实验 第5节 玻尔模型的推广

玻尔-索末菲模型，相对论修正，碱金属原子的光谱

第三章 量子力学导论 【教学目的】

了解玻尔理论的经典困难，理解波粒二象性、不确定关系等量子力学的基本概念；掌握对微观粒子体系描述的理论出发点与方法，理解量子化是薛定谔方程和波函数物理意义的自然结果。

【重点难点】

重点：德布罗意假设和微观粒子的波粒二象性、波函数的统计诠释、不确定关系、求解定态薛定谔方程（本征问题）的基本步骤。 难点：波函数的统计诠释、不确定关系。 【教学内容】

第1节 玻尔理论的困难 第2节 波粒二象性

经典物理中的波和粒子，光的波粒二象性，德布罗意假设，Davisson-Germer电子衍射实验，德布罗意波和量子态，一个在刚性匣子中的粒子，波和非定域性 第3节 不确定关系

不确定关系的表述和含义，不确定关系的简单导出，应用举例，互补原理 第4节 波函数及其统计解释

波粒二象性及概率概念，双缝干涉实验，态的叠加原理，干涉实验的解释 第5节 薛定谔方程

薛定谔方程的建立，定态薛定谔方程，应用举例

第四章 原子的精细结构：电子的自旋 【教学目的】

掌握电子轨道运动磁矩的经典计算方法和量子计算的表达式；理解角动量量子化原理；掌握斯特恩-盖拉赫实验结果与角动量取向的关系；掌握电子自旋概念、朗德g因子、单电子的g因子的计算；掌握碱金属原子能级和光谱的一般特性；理解原子实极化与轨道贯穿的作用；掌握角动量耦合方法，理解电子自旋与轨道运动的相互作用；掌握碱金属原子光谱精细结构

形成的物理本质；掌握单电子原子态符号描述；掌握正常塞曼效应，反常塞曼效应，斯塔克效应等基本概念。 【重点难点】

重点：轨道运动磁矩，角动量量子化，电子自旋，朗德g因子，碱金属原子光谱，原子实极化与轨道贯穿，单电子角动量的合成、四个量子数、单电子跃迁选择定则、光谱的精细结构，赛曼效应。

难点：史特恩－盖拉赫实验，电子自旋磁矩，轨道磁矩和总磁矩，碱金属双线，赛曼效应。 【教学内容】

第1节 原子中电子轨道运动的磁矩

经典表示式，量子表示式，角动量取向量子化 第2节 施特恩-盖拉赫实验 第3节 电子自旋的假设

乌仑贝克与古兹米特提出电子自旋假设，朗德g因子，单电子的g因子表达式，施特恩-盖拉赫实验的解释 第4节 碱金属双线

碱金属谱线的精细结构：定性考虑，自旋一轨道相互作用：精细结构的定量考虑，原子内部磁场的估计 第5节 塞曼效应

正常塞曼效应，塞曼谱线的偏振特性，反常塞曼效应，斯塔克效应

第五章 多电子原子：泡利原理 【教学目的】

熟练掌握两个价电子的两种耦合方法、氦和碱土金属原子以及更多价电子原子态的确定方法，并能够熟练画出相应的能级跃迁简图；熟练掌握泡利不相容原理和辐射跃迁的选择定则，并能应用；了解多电子原子光谱的一般规律；了解元素周期表的结构，掌握玻尔对元素周期表的物理解释；理解并掌握电子填充原子壳层的原则；能正确写出原子基态的电子组态，并求出其基态的原子态符号；了解电子填充壳层时出现能级交错的原因；解释元素性质的周期性。

【重点难点】

重点：L-S 耦合，洪特规则和朗德间隔定则，多电子原子的光谱、能级图和原子态，泡利原理和同科电子原子态的确定，辐射跃迁的普用选择定则，电子填充原子壳层的原则，原子基态的电子组态、基态的原子态符号、原子基态的确定方法。

难点：L-S 耦合，泡利原理和同科电子原子态的确定，原子基态的确定。 【教学内容】

第1节 氦的光谱和能级 第2节 两个电子的耦合

电子的组态，L-S和j-j耦合，两个角动量耦合的一般法则，选择规则，由电子组态确定原子态

第3节 泡利不相容原理

历史回顾，不相容原理的叙述，应用举例，同科电子合成的状态 第4节 元素周期表

元素性质的周期性，壳层中电子的数目，电子组态的能量—壳层的次序，原子基态，电离能变化的解释

第六章 X射线 【教学目的】

了解X射线的性质；掌握X射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制；掌握与X射线标识谱相关的原子能级结构；了解物质对X射线吸收的规律；掌握康普顿散射。 【重点难点】

重点： X射线连续谱与标识谱及产生机制，莫塞莱定律，康普顿散射。 难点：康普顿散射，X射线标识谱。 【教学内容】

第1节 x射线的发现及其波动性

x射线的发现，x射线管，x射线的波动性，x射线的偏振，x射线的衍射，布拉格公式的进一步推导

第2节 x射线产生的机制

x射线的发射谱，连续谱—轫致辐射，特征辐射—电子内壳层的跃迁，特征辐射的标记方法， 俄歇电子，电子跃迁诱发原子核激发，同步辐射 第3节 康普顿散射

经典考虑，量子解释，物理意义，康普顿散射与基本常量 第4节 x射线的吸收

两类相互作用，光子与物质相互作用，x射线的吸收，吸收限，扩展x射线吸收精细结构

第七章 原子核物理概论 【教学目的】

了解原子核的各种性质；掌握原子核结合能的计算方法；掌握原子核的放射性衰变规律；掌握α、β和γ衰变的规律；掌握核力的性质，理解核力的介子论；掌握核自旋，核子磁矩，核磁矩，电四极矩，超精细相互作用等基本概念；掌握核反应遵循的守恒定律、核反应中的反应能和阈能的计算；理解重核裂变和轻核聚变的机制，了解原子能的利用。 【重点难点】

重点：结合能概念及计算，放射性衰变的类型、衰变规律、衰变能等概念和计算，核磁矩，超精细相互作用，核反应，Q方程，重核裂变和轻核聚变过程中的核能释放与利用。 难点：核力的介子论 【教学内容】

第1节 原子核物理的对象

原子的中心：原子核，历史回顾，原子核的组成，核素图 第2节 核的基态特性之一：核质量

“1+1≠2”，结合能，半经验质量公式，较完整的质量公式 第3节 核力

一般性质，核力的介子理论 第4节 核的基态特性之二：核矩

核自旋，核子磁矩，核磁矩，电四极矩，超精细相互作用 第5节 放射性衰变的基本规律

指数衰变律，半衰期，平均寿命，是放射性核素的特征量，放射性活度，长半衰期的测定，简单的级联衰变，同位素生产 第6节 衰变

衰变的条件，衰变能与核能级图，衰变的机制与寿命 第7节 β衰变

β衰变面临的难题中微子假说β衰变，β衰变轨道电子俘获与β衰变有关的其他衰变方式，结语

第8节 衰变

一般性质，内转换电子，同质异能跃迁，穆斯堡尔效应，几种衰，变特性的比较 第9节 核反应

几个著名的核反应，Q方程，Q方程应用举例，反应截面，复合核反应 第10节 裂变与聚变：原子能的利用

裂变的发现，裂变机制，自发裂变，裂变能量及其利用，轻核聚变，太阳能—引力约束聚变，氢弹—惯性约束聚变，可控聚变反应堆—磁约束

第八章 前沿讲座

主要介绍授课教师自己的前沿研究课题中与原子物理学紧密相关的内容。主要包括激光冷却原子、超冷原子的光缔、里德堡原子及其在外电场中的特性。 开设讲座的目的在于扩展和巩固课堂所学理论知识，激发学生学习积极性，培养学生的思维能力、创新能力。本部分没有作业，提供思考题留给学生课外讨论。

【成绩评定】

本课程成绩由平时成绩（占20％）和期末考试成绩（占80％）组成。其中，平时成绩依据作业和课堂提问、讨论、出勤等评定；期末考试采用闭卷、笔试方式，主要考查基本概念、基本理论和基本知识，也包含一定比例的重点难点问题，测评学生的理解、分析和解决实际问题的能力。