原子物理学习题解答
原子物理学习题解答
第一章 原子的基本状况
1.1 若卢瑟福散射用的α粒子是放射性物质镭'
C 放射的，其动能为6
7.6810?电子伏
特。散射物质是原子序数79Z =的金箔。试问散射角150ο
θ=所对应的瞄准距离b 多大？
解：根据卢瑟福散射公式：
2
02
22
442K Mv ctg
b b Ze Ze
αθ
πεπε==
得到：
21921501522
12619
079(1.6010) 3.97104(48.8510)(7.681010)
Ze ctg ctg b K ο
θαπεπ---??===??????米 式中2
12K Mv
α=是α粒子的功能。
1.2已知散射角为θ的α粒子与散射核的最短距离为
2202
1
21
()(1)4sin m
Ze r Mv θ
πε=+ ，试问上题α粒子与散射的金原子核之间的最短距离m r 多大？
解：将1.1题中各量代入m r 的表达式，得：2min
202
1
21
()(1)4sin Ze r Mv θπε=+ 1929
619479(1.6010)1
910(1)7.6810 1.6010sin 75
ο--???=???+???
143.0210-=?米
1.3 钋放射的一种α粒子的速度为7
1.59710?米/秒，正面垂直入射于厚度为7
10-米、密度为4
1.93210?3/公斤米的金箔。试求所有散射在90ο
θ>的α粒子占全部入射粒子数的百分比。已知金的原子量为197。
解：散射角在d θθθ+ 之间的α粒子数dn 与入射到箔上的总粒子数n 的比是：
dn
Ntd n
σ=
其中单位体积中的金原子数：0//Au Au N
m N A ρρ==
而散射角大于0
90的粒子数为：2
'
dn
dn nNt d ππσ
=?=?
所以有：
2
'
dn Nt d n
ππσ=?
2
221800
2
903
cos
122(
)(
)4sin 2
Au
N Ze t d A Mu ο
ο
θ
ρπθθπε=
??? 等式右边的积分：180
18090903
3
cos sin 2221
sin sin 2
2
d I d ο
ο
ο
οθθ
θθ
θ
=?=?=
故
'22202012()()4Au N dn Ze t n A Mu ρππε=?? 64
8.5108.510--≈?=?
即速度为7
1.59710/?米秒的α粒子在金箔上散射，散射角大于90ο
以上的粒子数大约是
4008.510-?。
1.7试计算氢原子的第一玻尔轨道上电子绕核转动的频率、线速度和加速度。 解：电子在第一玻尔轨道上即年n=1。根据量子化条件，
π
φ
2h
n
mvr p ==
可得：频率 2
12
11222ma h
ma nh a v πππν===
赫兹151058.6?=
速度：
6
1
110188.2/2?===ma h a v νπ米/秒
加速度：222122/10046.9//秒米?===
a v r v w
1.8 试由氢原子的里德伯常数计算基态氢原子的电离电势和第一激发电势。 解：电离能为1E E E i -=∞，把氢原子的能级公式2/n Rhc E n -=代入，得：
Rhc hc R E H i =∞-=)1
1
1(2=13.60电子伏特。
电离电势：60.13==
e
E V i
i 伏特 第一激发能：20.1060.1343
43)2
111(2
2=?==-=Rhc hc R E H i 电子伏特 第一激发电势：20.101
1==
e
E V 伏特 1.9用能量为12.5电子伏特的电子去激发基态氢原子，问受激发的氢原子向低能基跃迁时，会出现那些波长的光谱线？
解：把氢原子有基态激发到你n=2,3,4……等能级上去所需要的能量是：
)111(
22n
hcR E H -= 其中6.13=H hcR 电子伏特 2.10)21
1(6.1321=-?=E 电子伏特
1.12)31
1(6.1322=-?=E 电子伏特
8.12)41
1(6.1323=-?=E 电子伏特
其中21E E 和小于12.5电子伏特，3E 大于12.5电子伏特。可见，具有12.5电子伏特能量的电子不足以把基态氢原子激发到4≥n 的能级上去，所以只能出现3≤n 的能级间的跃迁。跃迁时可能发出的光谱线的波长为：
ο
ο
ο
λλλλλλA
R R A R R A R R H
H H
H H H 102598
)3111(
1121543)2111(
1
656536/5)3121(
1
32
23
22
22
12
21
==-===-===-=
1.10试估算一次电离的氦离子+e H 、二次电离的锂离子+i L 的第一玻尔轨道半径、电离电势、第一激发电势和赖曼系第一条谱线波长分别与氢原子的上述物理量之比值。 解：在估算时，不考虑原子核的运动所产生的影响，即把原子核视为不动，这样简单些。 a) 氢原子和类氢离子的轨道半径：
3
1,2132,1,10529177.0443,2,1,44102
22
01212
2220=
======?==?
?===++++++
++-Li H H Li H H H He Z Z r r Z Z r r Z Li Z H Z H Z me h a n Z n a mZe n h r e
径之比是因此，玻尔第一轨道半；，；对于；对于是核电荷数，对于一轨道半径；米，是氢原子的玻尔第其中ππεππε
b) 氢和类氢离子的能量公式：
??=?=-=3,2,1,)4(222
12
220242n n
Z E h n Z me E πεπ 其中基态能量。电子伏特，是氢原子的6.13)4(22
204
21-≈-=h me E πεπ
电离能之比：
9
00,4002
222==
--==--+
++
++
H
Li H
Li H
He
H
He Z
Z E E Z Z E E
c)
第一激发能之比：
91
12113234112112222
2
1221221221121
22
2
1221221221121
2=--=--=--=--E E E E E E E E E E E E E E E E H H Li Li H H He He d) 氢原子和类氢离子的广义巴耳末公式：
)11(~22
221n n R Z v -=，??=??++=3,2,11112)2(),1({n n n n
其中3
204
2)4(2h
me R πεπ=是里德伯常数。 氢原子赖曼系第一条谱线的波数为：
H
H R v λ1)2111(~221
=-=
相应地，对类氢离子有：
+
++++
+=-==-=Li Li He He R v R v 12221
122211)2111(3~1)2111(2~λλ
因此，
91
,41111
1==+
++H
Li H H e λλλλ 1.11 试问二次电离的锂离子+
+i L 从其第一激发态向基态跃迁时发出的光子，
是否有可能使处于基态的一次电离的氦粒子+e H 的电子电离掉？
解：++i L 由第一激发态向基态跃迁时发出的光子的能量为：
+e H 的电离能量为：
Li
He
He Li He Li He
He He M m M m R R hv hv hcR hcR v /1/1162716274)1
1
1(42++?
===∞-=++++
由于Li H e Li H e M m M m M M /1/1,+>+<所以，
从而有++
+>He Li hv hv ，所以能将+e H 的电子电离掉。
1.12 氢与其同位素氘（质量数为2）混在同一放电管中，摄下两种原子的光谱线。试问其巴耳末系的第一条（αH ）光谱线之间的波长差λ?有多大？已知氢的里德伯常数
17100967758.1-?=米H R ，氘的里德伯常数17100970742.1-?=米D R 。
解：
)31
21(
1
2
2-=H H
R λ，H H R 5/36=λ
)3
121(
1
22-=D D
R λ，D D R 5/36=λ ο
λλλA
R R D H D H 79.1)11(536=-=-=?
1.13 试证明氢原子中的电子从n+1轨道跃迁到n 轨道，发射光子的频率n ν。当n>>1时光子频率即为电子绕第n 玻尔轨道转动的频率。
证明：在氢原子中电子从n+1轨道跃迁到n 轨道所发光子的波数为：
])1(11[1~2
2+-==n n R v n n
λ 频率为：Rc n n n n n Rc c
v n 2
222)1(1
2])1(11[
++=+-==
λ
当n>>时，有3422
/2/2)1(/)12(n n n n n
n =≈++，所以在n>>1时，氢原子中电
子从n+1轨道跃迁到n 轨道所发光子的频率为：3/2n Rc v n
=。
设电子在第n 轨道上的转动频率为n f ，则
3
222222n
Rc mr P mr mvr r v f n ===
πππ 因此，在n>>1时，有n n f v =
由上可见，当n>>1时，请原子中电子跃迁所发出的光子的频率即等于电子绕第n 玻尔轨道
转动的频率。这说明，在n 很大时，玻尔理论过渡到经典理论，这就是对应原理。
第三章 碱金属原子
3.1 已知Li 原子光谱主线系最长波长ο
λA 6707=，辅线系系限波长ο
λA 3519=∞。求锂原子第一激发电势和电离电势。
解：主线系最长波长是电子从第一激发态向基态跃迁产生的。辅线系系限波长是电子从无穷处向第一激发态跃迁产生的。设第一激发电势为1V ，电离电势为∞V ，则有：
伏特。伏特375.5)11(850.111=+=
∴+===
∴=∞
∞∞
∞λλλλ
λλ
e hc V c
h
c h eV e hc
V c
h eV
3.2 Na 原子的基态3S 。已知其共振线波长为5893ο
A ，漫线系第一条的波长为8193ο
A ，基线系第一条的波长为18459ο
A ，主线系的系限波长为2413ο
A 。试求3S 、3P 、3D 、4F 各谱项的项值。
解：将上述波长依次记为
ο
ο
ο
ο
λλλλλλλλA
A A A p f d p p f d p 2413,18459,8193,5893,
,,,max max max max max max ====∞∞即
容易看出：
1
6max
3416max
331
6max
316310685.01
10227.11
10447.21
1
10144.41
~---∞-∞
∞?=-
=?=-=?=-
=
?===米米米米f D F d p D p P P P S T T T T T v T λλλλλ
3.3 K 原子共振线波长7665ο
A ，主线系的系限波长为2858ο
A 。已知K 原子的基态4S 。试求4S 、4P 谱项的量子数修正项p s ??,值各为多少？
解：由题意知：P
P s p p v T A A λλλο
ο/1~,2858,76654max ====∞∞ 由2
4)4(s R
T S ?-=
，得：S k T R s 4/4=?-
设R R K ≈,则有max
41
1,229.2P P P T s λλ-
==?∞
与上类似
764.1/44=-≈?∞P T R p
3.4 Li 原子的基态项2S 。当把Li 原子激发到3P 态后，问当3P 激发态向低能级跃迁时可能产生哪些谱线（不考虑精细结构）？
答：由于原子实的极化和轨道贯穿的影响，使碱金属原子中n 相同而l 不同的能级有很大差别，即碱金属原子价电子的能量不仅与主量子数n 有关，而且与角量子数l 有关，可以记为),(l n E E =。理论计算和实验结果都表明l 越小，能量越低于相应的氢原子的能量。当从3P 激发态向低能级跃迁时，考虑到选择定则：1±=?l ，可能产生四条光谱，分别由以下能级跃迁产生：
。S P S P P S S P 23;22;23;33→→→→
3.5 为什么谱项S 项的精细结构总是单层结构？试直接从碱金属光谱双线的规律和从电子自旋与轨道相互作用的物理概念两方面分别说明之。
答：碱金属光谱线三个线系头四条谱线精细结构的规律性。第二辅线系每一条谱线的二成分的间隔相等，这必然是由于同一原因。第二辅线系是诸S 能级到最低P 能级的跃迁产生的。最低P 能级是这线系中诸线共同有关的，所以如果我们认为P 能级是双层的，而S 能级是单层的，就可以得到第二辅线系的每一条谱线都是双线，且波数差是相等的情况。
主线系的每条谱线中二成分的波数差随着波数的增加逐渐减少，足见不是同一个来源。主线系是诸P 能级跃迁到最低S 能级所产生的。我们同样认定S 能级是单层的，而推广所有P 能级是双层的，且这双层结构的间隔随主量子数n 的增加而逐渐减小。这样的推论完全符合碱金属原子光谱双线的规律性。因此，肯定S 项是单层结构，与实验结果相符合。
碱金属能级的精细结构是由于碱金属原子中电子的轨道磁矩与自旋磁矩相互作用产生附加能量的结果。S 能级的轨道磁矩等于0，不产生附加能量，只有一个能量值，因而S 能级是单层的。
3.6 计算氢原子赖曼系第一条的精细结构分裂的波长差。
解：赖曼系的第一条谱线是n=2的能级跃迁到n=1的能级产生的。根据选择定则，跃迁只能发生在S P 2
2
12→之间。而S 能级是单层的，所以，赖曼系的第一条谱线之精细结构是由P 能级分裂产生的。
氢原子能级的能量值由下式决定：
)432
11()()(3
4222n j n S Z Rhca n Z Rhc E -+?----=σ
其中1)()(=-=-S Z Z σ
)
1()2()1()2()
1()2()1()2(2/122/1222
2/122/122/122/3211
2/122/32S E P E hc
c
h S E P E S E P E hc
c
h S E P E -=
∴=--=
∴=-λλλλ
因此，有：
4
4)1(64516)2(6416)2()]1()2()][1()2([)]
1()2([22/12
22/12
2
2/32
2/122/122/122/322/122/3212a Rhc
S E a Rhc
P E a Rhc
P E S E P E S E P E S E P E hc +-=+-=+-=---=
-=?λλλ
将以上三个能量值代入λ?的表达式，得：
ο
λA
a a a R R
a a a 3
13
222222
1039.51039.5)1548)(1148(4641641548641148644--?=?=++=?
+?+=?米 4.7 Na 原子光谱中得知其3D 项的项值163102274.1-?=米D T ，试计算该谱项之精细结构裂距。
解：已知17163100974.1,102274.1--?=?==米米Na D R T
1
34
*2*
*3*655.3)
1(/9901.2-=+=?===
∴米所以有：而l l n Z Ra T n n Z T R n D
Na
第四章 多电子原子
4.1 e H 原子的两个电子处在2p3d 电子组态。问可能组成哪几种原子态?用原子态的符号表示之。已知电子间是LS 耦合。
解：因为2
1,2,12121=
===s s l l ，
1
,2,3;1,0,,1,;
2121212121==∴-?-++=-+=L S l l l l l l L s s s s S ，或 所以可以有如下12个组态：
4
,3,23313,2,13
212,1,0311,1,3,0,3,1,2,0,2,1,1,0,1F S L F S L D S L D S L P S L P S L ============
4.2 已知e H 原子的两个电子被分别激发到2p 和3d 轨道，其所构成的原子态为D 3
，问这两电子的轨道角动量21l l p p 与之间的夹角，自旋角动量21s s p p 与之间的夹角分别为多少？
解：（1）已知原子态为D 3
，电子组态为2p3d
2,1,1,221====∴l l S L
因此，
'
212
22
12
212
22
12
222111461063
212/)(cos cos 26)1(6)1(22)1(οθθθπ
=-
=--=∴++==+==+==+=L l l l l L L L
l l l l L L l l p p p p P p p p p P L L P l l p h
l l p
（2）
h
h S S P h h s s p p s s S 2)1(2
3)1(2
12121=+==+==∴=
= 而
'
212
22
12
212
221232703
12/)(cos cos 2οθθθ==
--=∴++=S s s s s S s s
s s s s S p p p p P p p p p P 4.3 锌原子（Z=30）的最外层电子有两个，基态时的组态是4s4s 。当其中有一个被激发，考虑两种情况：（1）那电子被激发到5s 态；（2）它被激发到4p 态。试求出LS 耦合情况下这两种电子组态分别组成的原子状态。画出相应的能级图。从（1）和（2）情况形成的激发态向低能级跃迁分别发生几种光谱跃迁？
解：（1）组态为4s5s 时 2
1
,02121=
===s s l l ， 1
301,1;1,001
,0,0S J S S L J S S L 三重态时单重态时，=======∴ 根据洪特定则可画出相应的能级图，有选择定则能够判断出能级间可以发生的5种跃迁：
11123131313031311014445;45;45,45S P P S P S P S P S →→→→→ 所以有5条光谱线。
（2）外层两个电子组态为4s4p 时：
2
1,1,02121=
===s s l l ， 0
,1,2311,0,1,2;1,101
,0,1P J S P L J S S L 三重态时单重态时，=======∴ 根据洪特定则可以画出能级图，根据选择定则可以看出，只能产生一种跃迁，01
1144S P →，
因此只有一条光谱线。
4.4 试以两个价电子3221==l l 和为例说明,不论是LS 耦合还是jj 耦合都给出同样数目的可能状态.
证明:(1)LS 耦合
L
J S L S ====;0,1,2,3,4,5;10时，
5个 L 值分别得出5个J 值,即5个单重态．
;1,,1;1-+==L L L J S 时
代入一个L 值便有一个三重态．５个L 值共有５乘３等于１５个原子态：
6,5,435,4,334,3,233,2,132,1,03
;;;;H G F D P
因此，LS 耦合时共有２０个可能的状态．
（２）jj 耦合：
2
1212121,...,25
27;2325;j j j j j j J j j s l j s l j -++===-=+=或
或或
将每个21j j 、合成J 得：
1
,2,3,42
5
230,1,2,3,4,525
252
,3,4,527
231,2,3,4,5,627
252
12
12
121============J j j J j j J j j J j j ，合成和，合成和，合成和，合成和
共２０个状态：1,2,3,40,1,2,3,4,52,3,4,51,2,3,4,5,6)2
5,23(;)2
5,25(;)2
7,23(,)2
7,25(
所以，对于相同的组态无论是LS 耦合还是jj 耦合，都会给出同样数目的可能状态．
4.5 已知氦原子的一个电子被激发到2p 轨道，而另一个电子还在1s 轨道。试作出能级跃迁图来说明可能出现哪些光谱线跃迁？
解：1;1,0;2/1,1,02121======L S s s l l 对于1,0===L J S ，单态1
P 1 对于0,1,2,1==J S ，三重态3P 2，1，0
根据选择定则，可能出现5条谱线，它们分别由下列跃迁产生：21
P 1→11
S 0；21
P 1→21
S 0 23P 0→23S 1；23P 1→23S 1；23P 2→23
S 1 1s2p 1s2s
1s1s
4.6 Ca 原子的能级是单层和三重结构，三重结构中J 的的能级高。其锐线系的三重线的频率012v v v >>，其频率间隔为122011,v v v v v v -=?-=?。试求其频率间隔比值
1
2
v v ??。 3
S 1
3
P 0
3
P 1
3
P 2
1
S 0
3
S 1
1
S 0
解：Ca 原子处基态时两个价电子的组态为s s 44。Ca 的锐线系是电子由激发的s 能级
向p 4能级跃迁产生的光谱线。与氦的情况类似，对p s 44组态可以形成0,1,23
1
1P P 和的原子态，也就是说对L=1可以有4个能级。电子由诸激发S 3
能级上跃迁到0,1,23P 能级上则产生
锐线系三重线。
根据朗德间隔定则，在多重结构中能级的二相邻间隔122011,v v v v v v -=?-=?同有关的J 值中较大的那一个成正比，因此，1,221∝?∝?v v ，所以
2
1
12=??v v 。 4.7 Pb 原子基态的两个价电子都在p 6轨道。若其中一个价电子被激发到s 7轨道，而其价电子间相互作用属于jj 耦合。问此时Pb 原子可能有哪些状态？
解：激发后铅原子的电子组态是s p 76。0
12
1
21.
1,221
2321;21232
1,21;0,12121212121，合成和合成和或或=======
=∴-+===
==J j j J j j j j s
l s l j s s l l
因此，激发后Pb 原子可能有四种状态：
01122
1
21212121232123），，（），，（），，（），（。 5.9 根据LS 耦合写出在下列情况下内量子数J 的可能值 （1）2,3==S L ，（2）27,3=
=S L ，（3）2
3
,3==S L 解：（1）因为S L S L S L J --++=,.....,1, 所以1,2,3,4,5=J
,共2S+1=5个值。
（2）类似地，2
1
,211,212,213,214,215,216=J 共有7个值。这里L 1 ,211,212,213=J 。 第五章 原子的壳层结构 7.1 有两种原子，在基态时其电子壳层是这样添充的：（1）n=1壳层、n=2壳层和3s 次壳层都填满，3p 次壳层填了一半。（2）n=1壳层、n=2壳层、n=3壳层及4s 、4p 、4d 次壳层都填满。试问这是哪两种原子？ 解：根据每个壳层上能容纳的最多电子数为2 2n 和每个次壳层上能容纳得最多电子数为 )12(2+l 。 （1） n=1壳层、n=2壳层填满时的电子数为：1022122 2 =?+? 3s 次壳层填满时的电子数为：2)102(2=+? 3p 次壳层填满一半时的电子数为： 3)112(22 1 =+?? 所以此中原子共有15个电子，即Z=15，是P(磷)原子。 （2） 与（1）同理：n=1,2,3三个壳层填满时的电子数为28个 4s 、4p 、4d 次壳层都填满的电子数为18个。 所以此中原子共有46个电子，即Z=46，是Pd （钯）原子。 7.2 原子的3d 次壳层按泡利原理一共可以填多少电子？为什么？ 答：电子的状态可用四个量子s l m m l n ,,,来描写。根据泡利原理，在原子中不能有两个电子处在同一状态，即不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。 3d 此壳层上的电子，其主量子数n 和角量子数l 都相同。因此，该次壳层上的任意两个电子，它们的轨道磁量子数和自旋磁量子数不能同时相等，至少要有一个不相等。对于一个给定的l m l ,可以取12;,....,2,1,0+±±±=l l m l 共有个值；对每个给定的s l m m ,的取值是 2 1 21-或，共2个值；因此，对每一个次壳层l ,最多可以容纳）（122+l 个电子。 3d 次壳层的2=l ，所以3d 次壳层上可以容纳10个电子，而不违背泡利原理。 7.3 Na 原子的S 、P 、D 项的量子修正值01.0,86.0,35.1=?=?=?D p s 。把谱项表 达成2 2 )(n Z R σ-形式，其中Z 是核电荷数。试计算3S 、3P 、3D 项的σ分别为何值？并说明σ的物理意义。 解：Na 原子的光谱项可以表示为2 */n R 。 因此σ -= ?-=Z n n n *。 由此得：)/(?--=n n Z σ 故： 10 01 .033 116.986.033 1118 .935.133 11≈--==--==-- =D P S σσσ σ的物理意义是：轨道贯穿和原子实极化等效应对价电子的影响，归结为内层电子对 价电子的屏蔽作用。 7.4 原子中能够有下列量子数相同的最大电子数是多少？ n l n m l n )3(;,)2(;,,)1(。 答：（1）m l n ,,相同时，s m 还可以取两个值：2 1 ,21-==s s m m ；所以此时最大电子数为2个。 （2）l n ,相同时，l m 还可以取两12+l 个值，而每一个s m 还可取两个值，所以l n ,相同的最大电子数为)12(2+l 个。 （3）n 相同时，在（2）基础上，l 还可取n 个值。因此n 相同的最大电子数是： 21 2)12(2n l N n l =+=∑-= 第六章 磁场中的原子 6.1 已知钒原子的基态是2/34F 。（1）问钒原子束在不均匀横向磁场中将分裂为几束？（2）求基态钒原子的有效磁矩。 解：（1）原子在不均匀的磁场中将受到力的作用，力的大小与原子磁矩（因而于角动量）在磁场方向的分量成正比。钒原子基态2/34F 之角动量量子数2/3=J ，角动量在磁场方向的分量的个数为412 3 212=+?=+J ，因此，基态钒原子束在不均匀横向磁场中将分裂为4束。 （2）J J P m e g 2=μ h h J J P J 2 15)1(= += 按LS 耦合：5 2 156)1(2)1()1()1(1==++++-++ =J J S S L L J J g B B J h m e μμμ7746.05 15215252≈=???= ∴ 6.2 已知He 原子0111S P →跃迁的光谱线在磁场中分裂为三条光谱线，其间距 厘米/467.0~=?v ，试计算所用磁场的感应强度。 解：裂开后的谱线同原谱线的波数之差为： mc Be g m g m v πλλ4)(1'1~1122-=-=? 氦原子的两个价电子之间是LS 型耦合。对应11P 原子态，1,0,12-=M ；1,1,0===J L S ，对应01S 原子态，01=M ，211.0,0,0g g J L S =====。 mc Be v π4/)1,0,1(~-=? 又因谱线间距相等：厘米/467.04/~==?mc Be v π。 特斯拉。00.1467.04=?= ∴e mc B π 6.3 Li 漫线系的一条谱线)23(2/122/32P D →在弱磁场中将分裂成多少条谱线？试作出相应的能级跃迁图。 解：在弱磁场中，不考虑核磁矩。 2/323D 能级：,2 3 ,21,2===j S l 5 4 )1(2)1()1()1(12 3 ,21,21,232= ++++-++=- -=j j s s l l j j g M 2 /122P 能级：,2 1 ,21,2===j S l 3 2,21,211=-=g M L v )30 26,3022,302,302,3022,3026(~---=? 所以：在弱磁场中由2/12 2/32 23P D →跃迁产生的光谱线分裂成六条，谱线之间间隔不等。 6.4 在平行于磁场方向观察到某光谱线的正常塞曼效应分裂的两谱线间波长差是 ο A 40.0。所用的磁场的 B 是2.5特斯拉，试计算该谱线原来的波长。 解：对单重项（自旋等于零）之间的跃迁所产生的谱线可观察到正常塞曼效应。它使原来的一条谱线分裂为三条，两个σ成分，一个π成分。π成分仍在原来位置，两个σ成分在π成分两侧，且与π成分间的波数间隔都是一个洛仑兹单位L 。 又2/)1(~,1 ~λλλ λ ?-=?=?=v v 符号表示波长增加波数减少。根据题设，把λ?近似地看作σ成分与π成分间的波长差，则 有： L v =?=?2/~λλ 其中mc Be L π4/= 因此，ολλA L 5.4140101405.47 =?≈?=-米 6.5氦原子光谱中波长为)2131(1.6678 11 21 P p s D d s A →ο 及)2131(1.70650311P p s S s s A →ο 的两条谱线，在磁场中发生塞曼效应时应分裂成几条？分别 作出能级跃迁图。问哪一个是正常塞曼效应？哪个不是？为什么？ 解：（1） 1,0,1,2,2,0,22221 =±±====g M J S L D 谱项：。 1,0,1,1,0,11111 =±====g M J S L P 谱项： L v )1,0,1(~+-=?。可以发生九种跃迁，但只有三个波长，所以ο λA 1.6678=的光谱线2 D 3/2 2 P 1/2 无磁场 有磁场 -3/2 -1/2 M 3/2 106/3 1/2 1/2 -1/2 σ σ π πσ σ 分裂成三条光谱线，且裂开的两谱线与原谱线的波数差均为L ，是正常塞曼效应。 （2）对 2,0,1,1,1,02213 =±====g M J S L S 能级： 00 ,0,0,1,1111103======g M g M J S L P ，能级：对 L v )2,0,2(~+-=?，所以ο λA 1.7065=的光谱线分裂成三条，裂开的两谱线与原谱 线的波数差均为2L ，所以不是正常塞曼效应。 6.6 2/12 2/12 33S P Na →原子从 跃迁的光谱线波长为ο A 5896，在B=2.5特斯拉 的磁场中发生塞曼分裂。问从垂直于磁场方向观察，其分裂为多少条光谱线？其中波长最长和最短的两条光谱线的波长各为多少 ο A ？ 解：对于3 2 ,21,21,21,13222/12 =±====g M J S L P 能级： 对于2,2 1 ,21,21,03112/12 =±=== =g M J S L S 能级： L v )3 4,32,32,34(~--=?，所以从垂直于磁场方向观察，此谱线分裂为四条。 根据塞曼效应中裂开后的谱线同原谱线波数之差的表达式： 2/)1(~λλλ ?-=?=?v ，L v 3 4 /~2=?=?λλ 因此，波长改变λ?为：ολλA L 54.03 42 ==? 所以，最长的波长max λ为： ο λλλA 54.5896max =?+= 最短的波长min λ为： ο λλλA 46.5895min =?-= 6.7 S P Na 33→原子从 跃迁的精细结构为两条，波长分别为5895.93埃和5889.96埃。试求出原能级 2/32 P 在磁场中分裂后的最低能级与2/12P 分裂后的最高能级相 并合时所需要的磁感应强度Ｂ。 解：对 ;3 4 ,21,23,23,21,12/32 =±±====g M j s l P 能级： ;3 2 ,21,21,21,12/12 =±=== =g M j s l P 能级：磁场引起的附加能量为：B m he Mg E π4=? 设,,,2/122/122/32S P P 对应的能量分别为012,,E E E ，跃迁,,2/12 2/122/122/32S P S P →→产 生的谱线波长分别为12,λλ；那么，ο ολλA A 93.5895,96.5889 12==。P 2 能级在磁场中 发生分裂，,,2/122/32P P 的附加磁能分别记为12,E E ??；现在寻求1122E E E E ?+=?+时的 B 。 B m eh g M g M E E E E π4) (22112112-=?-?=- 由此得： mc eB g M g M hc E E E E π4)()()(22112112-=?-?-- 即： mc eB g M g M πλλ4) (1 1 22111 2 -=- 因此，有：)1 1(141 22211λλπ--= g M g M e mc B 其中2,3 1 2211-== g M g M ，将它们及各量代入上式得： B=15.8特斯拉。 6.8 铊原子气体在2/12P 状态。当磁铁调到B=0.2特斯拉时，观察到顺磁共振现象。问微波发生器的频率多大？ 解：对2/12 P 原子态： 3 2 ,21,21,1====g J S L 由B g hv B μ= 得h B g v B /μ= 代入各已知数，得1 9 109.1-?=秒v 。 6.9 钾原子在B=0.3特斯拉的磁场中，当交变电磁场的频率为9 104.8?赫兹时观察到顺磁共振。试计算朗德因子g ，并指出原子处在何种状态？ 解：由公式B g hv B μ= ，得：2≈g 钾外层只有一个价电子，所以s l s l j s -+==或,2 1 又) 1(2) 1()1()1(1++++-++ =j j s s l l j j g 将s j l g -==和2代入上式，得到： 2) 1(2) 1()1)(()1(1=++++---++ =j j s s s j s j j j g 整理，得：0)1(2=--+s j s j 当21= s 时，上方程有两个根：1,21 21-==j j 当21-=s 时，上方程有两个根：1,2 1 43-=-=j j 由于量子数不能为负数，因此432,,j j j 无意义，弃之。 2 1212 1 1=∴=+===∴l l j j j 因此钾原子处于2 12 S 状态。 第七章 X 射线 7.1 某X 光机的高压为10万伏，问发射光子的最大能量多大？算出发射X 光的最短波长。 解：电子的全部能量转换为光子的能量时，X 光子的波长最短。而光子的最大能量是： 5max 10==Ve ε电子伏特 而 m i n m a x λεc h = 所以οελA c h 124.010 60.1101031063.619 58 34max min =?????==-- 7.2 利用普通光学反射光栅可以测定X 光波长。当掠射角为θ而出现n 级极大值出射光 第五章增加部分 题目部分，(卷面共有50题,96.0分,各大题标有题量和总分) 一、判断题(16小题,共16.0分) 1．(1分)同一电子组态形成的诸原子态间不发生跃迁。 2．(1分)跃迁可以发生在偶宇称到偶宇称之间。 3．(1分)跃迁只发生在不同宇称之间。 4．(1分)两个s电子一定可以形成1S0和3S1两个原子态。 5．(1分)同科电子形成的原子态比非同科电子形成的原子态少。 6．(1分)镁原子有两套能级，两套能级之间可以跃迁。 7．(1分)镁原子的光谱有两套，一套是单线，另一套是三线。 8．(1分)钙原子的能级是二、四重结构。 9．(1分)对于氦原子来说，第一激发态能自发的跃迁到基态。 10．(1分)标志电子态的量子数中，S为轨道取向量子数。 11．(1分)标志电子态的量子数中，n为轨道量子数。 12．(1分)若镁原子处于基态，它的电子组态应为2s2p。 13．(1分)钙原子的能级重数为双重。 14．(1分)电子组态1s2p所构成的原子态应为1P1和3P2,1,0。 15．(1分)1s2p ,1s1p 这两个电子组态都是存在的。 16．(1分)铍（Be）原子若处于第一激发态，则其电子组态为2s2p。 二、填空题(34小题,共80.0分) 1．(4分)如果有两个电子，一个电子处于p态，一个电子处于d态，则两个电子在LS耦合下L的取值为（）P L的可能取值为（）。 2．(4分)两个电子LS耦合下P S的表达式为（），其中S的取值为（）。3．(3分)氦的基态原子态为（），两个亚稳态为（）和（）。 4．(2分)Mg原子的原子序数Z=12，它的基态的电子组态是（），第一激发态的电子组态为（）。 5．(2分)LS耦合的原子态标记为（），jj耦合的原子态标记为（）。6．(2分)ps电子LS耦合下形成的原子态有（）。 7．(2分)两个电子LS耦合，l1=0，l2=1下形成的原子态有（）。 8．(2分)两个同科s电子在LS耦合下形成的原子态为（）。 9．(2分)两个非同科s电子在LS耦合下形成的原子态有（）。 10．(2分)两个同科s电子在jj耦合下形成的原子态为（）。 11．(4分)sp电子在jj耦合下形成（）个原子态，为（）。12．(2分)洪特定则指出，如果n相同，S（）的原子态能级低；如果n和S均相同，L （）的原子态能级低（填“大”或“小”）。 13．(2分)洪特定则指出，如果n和L均相同，J小的原子态能级低的能级次序为（），否则为（）。 14．(2分)对于3P2与3P1和3P1与3P0的能级间隔比值为（）。 15．(2分)对于3D1、3D2、3D3的能级间隔比值为（）。 16．(2分)郎德间隔定则指出：相邻两能级间隔与相应的（）成正比。 17．(3分)LS耦合和jj耦合这两种耦合方式所形成的（）相同、（）相同，但（）不同。 18．(4分)一个p电子和一个s电子，LS耦合和jj耦合方式下形成的原子态数分别为（） 原子物理学杨福家第四版(完整版)课后答案 原子物理习题库及解答 第一章 111,222,,mvmvmv,，,,,,,ee222,1-1 由能量、动量守恒 ,,,mvmvmv,，,,,,ee, (这样得出的是电子所能得到的最大动量，严格求解应用矢量式子) Δp θ mv2,,,得碰撞后电子的速度 p v,em，m,e ,故 v,2ve, 2m,p1,mv2mv4,e,eee由 tg,~,~~,~,2.5，10(rad)mvmv,,,,pm400, a79，2，1.44,1-2 (1) b,ctg,,22.8(fm)222，5 236.02，102,132,5dN(2) ,,bnt,3.14，[22.8，10]，19.3，,9.63，10N197 24Ze4，79，1.441-3 Au核: r,,,50.6(fm)m22，4.5mv,, 24Ze4，3，1.44Li核: r,,,1.92(fm)m22，4.5mv,, 2ZZe1，79，1.4412E,,,16.3(Mev)1-4 (1) pr7m 2ZZe1，13，1.4412E,,,4.68(Mev)(2) pr4m 22NZZeZZeds,,242401212dN1-5 ()ntd/sin()t/sin,,,,,2N4E24EAr2pp 1323,79，1.44，106.02，101.5123,,()，，1.5，10，， 24419710(0.5) ,822,610 ,6.02，1.5，79，1.44，1.5，,8.90，10197 3aa,,1-6 时， b,ctg,,,,6012222 aa,,时， b,ctg,，1,,902222 32()2,dNb112 ？,,,32dN1,b222()2 ,32,324，101-7 由，得 b,bnt,4，10,,nt 原子物理选择题 1. 如图所示是原子核的核子平均质量与原子序数Z 的关 系图像，下列说法正确的是（B ） ⑴如D 和E 结合成F ，结合过程一定会吸收核能 ⑵如D 和E 结合成F ，结合过程一定会释放核能 ⑶如A 分裂成B 和C ，分裂过程一定会吸收核能 ⑷如A 分裂成B 和C ，分裂过程一定会释放核能 A ．⑴⑷ B ．⑵⑷ C ．⑵⑶ D ．⑴⑶ 2. 处于激发状态的原子，如果在入射光的电磁场的影响下，引起高能态向低能态跃迁，同 时在两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射，原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等，都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理，那么发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量E n 、电子的电势能E p 、电子动能E k 的变化关系是（B ） A ．E p 增大、E k 减小、E n 减小 B ．E p 减小、E k 增大、E n 减小 C ．E p 增大、E k 增大、E n 增大 D ． E p 减小、E k 增大、E n 不变 3. 太阳的能量来自下面的反应：四个质子（氢核）聚变成一个α粒子，同时发射两个正 电子和两个没有静止质量的中微子。已知α粒子的质量为m a ，质子的质量为m p ，电子的质量为m e ，用N 表示阿伏伽德罗常数，用c 表示光速。则太阳上2kg 的氢核聚变成α粒子所放出能量为 （C ） A ．125(4m p —m a —2m e )Nc 2 B ．250(4m p —m a —2m e )Nc 2 C ．500(4m p —m a —2m e )Nc 2 D ．1000(4m p —m a —2m e )Nc 2 4. 一个氘核（H 21）与一个氚核（H 31）发生聚变，产生一个中子和一个新核，并出现质 量亏损.聚变过程中（B ） A.吸收能量，生成的新核是e H 42 B.放出能量，生成的新核是e H 42 C.吸收能量，生成的新核是He 32 D.放出能量，生成的新核是He 32 5. 一个原来静止的原子核放出某种粒子后，在磁场中形成如图所示 的轨迹，原子核放出的粒子可能是（A ） A.α粒子 B.β粒子 C.γ粒子 D.中子 6. 原来静止的原子核X A Z ，质量为1m ，处在区域足够大的匀强磁场中，经α衰变变成质 量为2m 的原子核Y ，α粒子的质量为3m ，已测得α粒子的速度垂直磁场B ，且动能为0E .假设原子核X 衰变时释放的核能全部转化为动能，则下列四个结论中，正确的是（D ） ①核Y 与α粒子在磁场中运动的周期之比为2 2-Z 填空题 1、在正电子与负电子形成的电子偶素中，正电子与负电子绕它们共同的质心的运动，在n = 2的状态， 电子绕质心的轨道半径等于 nm 。 2、氢原子的质量约为____________________ MeV/c 2。 3、一原子质量单位定义为 原子质量的 。 4、电子与室温下氢原子相碰撞，欲使氢原子激发，电子的动能至少为 eV 。 5、电子电荷的精确测定首先是由________________完成的。特别重要的是他还发现了 _______ 是量子化的。 6、氢原子 n=2,n φ =1与H + e 离子n=?3,?n φ?=?2?的轨道的半长轴之比a H /a He ?=____, 半短轴之比b H /b He =__ ___。 7、玻尔第一轨道半径是0.5291010-?m,则氢原子n=3时电子轨道的半长轴a=_____,半短轴 b?有____个值，?分别是_____?， ??, . 8、 由估算得原子核大小的数量级是_____m,将此结果与原子大小数量级? m 相比, 可以说明__________________ . 9、提出电子自旋概念的主要实验事实是-----------------------------------------------------------------------------和 _________________________________-。 10、钾原子的电离电势是4.34V ，其主线系最短波长为 nm 。 11、锂原子（Z =3）基线系（柏格曼系）的第一条谱线的光子能量约为 eV （仅需 两位有效数字）。 12、考虑精细结构，形成锂原子第二辅线系谱线的跃迁过程用原子态符号表示应 为——————————————————————————————————————————————。 13、如果考虑自旋, 但不考虑轨道-自旋耦合, 碱金属原子状态应该用量子数————————————表示，轨道角动量确定后, 能级的简并度为 。 14、32P 3/2→22S 1/2 与32P 1/2→22S 1/2跃迁, 产生了锂原子的____线系的第___条谱线的双线。 15、三次电离铍(Z =4)的第一玻尔轨道半径为 ，在该轨道上电子的线速度 为 。 16、对于氢原子的32D 3/2能级，考虑相对论效应及自旋-轨道相互作用后造成的能量移动与 电子动能及电子与核静电相互作用能之和的比约为 。 17、钾原子基态是4s,它的四个谱线系的线系限的光谱项符号,按波数由大到小的次序分别 是______,______,_____,______. (不考虑精细结构，用符号表示). 18、钾原子基态是4S ，它的主线系和柏格曼线系线系限的符号分别是 _________和 __ 。 19、按测不准关系,位置和动量的不确定量 ?x,x p ? 之间的关系为_____ 。 20、按测不准关系,位置和动量的不确定量 ?E,t ? 之间的关系为_____ 。 2009—2010学年第2学期《原子物理学》期末试卷 专业班级 姓名 学号 开课系室应用物理系 考试日期2010年6月26日10:00-12:00 说明：请认真读题，保持卷面整洁，可以在反面写草稿，物理常数表在第4页。 一. 填空题(共30空，每空1分，共30分) 1. 十九世纪末的三大发现、、，揭开了近代物理学的序幕。 2. 原子质量单位u定义为。 3. 教材中谈到卢瑟福的行星模型(原子的有核模型)有三个困难，最重要的是它无法解释原子的问题。丹麦科学家玻尔正是为了解决这个问题，在其原子理论引入第一假设，即分离轨道和假设，同时，玻尔提出第二假设, 即假设，给出频率条件，成功解释了困扰人们近30年的氢光谱规律之谜，第三步，玻尔提出并运用，得到角动量量子化、里德堡常数等一系列重要结果。 4. 夫兰克- 赫兹(Franck-Hertz) 实验是用电子来碰撞原子，测定了使原子激发的“激发电势”，证实了原子内部能量是的，从而验证了玻尔理论。氢原子的电离能为eV，电子与室温下氢原子相碰撞，欲使氢原子激发，电子的动能至少为eV。 5. 在原子物理和量子力学中，有几类特别重要的实验，其中证明了光具有粒子性的有黑体辐射、、等实验。 6. 具有相同德布罗意波长的质子和电子，其动量之比为，动能(不考虑相对论效应)之比为。 7. 根据量子力学理论，氢原子中的电子，当其主量子数n=3时，其轨道磁距的可能取值为。 8. 考虑精细结构，锂原子(Li)第二辅线系(锐线系)的谱线为双线结构，跃迁过程用原子态符号表示为 ， 。(原子态符号要写完整) 9. 原子处于3D 1状态时，原子的总自旋角动量为 , 总轨道角动量为 ， 总角动量为 ； 其总磁距在Z 方向上的投影Z μ的可能取值为 。 10. 泡利不相容原理可表述为： 。它只对 子适用，而对 子不适用。根据不相容原理，原子中量子数l m l n ,,相同的最大电子数目是 ；l n ,相同的最大电子(同科电子)数目是 ； n 相同的最大电子数是 。 11. X 射线管发射的谱线由连续谱和特征谱两部分构成，其中，连续谱产生的机制是 ， 特征谱产生的机制是 。 二、选择题(共10小题，每题2分，共20分) 1. 卢瑟福由α粒子散射实验得出原子核式结构模型时，理论基础是： ( ) A. 经典理论； B. 普朗克能量子假设； C. 爱因斯坦的光量子假设； D. 狭义相对论。 2. 假设钠原子(Z=11)的10个电子已经被电离，则至少要多大的能量才能剥去它的 最后一个电子？ ( ) A.13.6eV ； B. 136eV ； C. 13.6keV ； D.1.64keV 。 3. 原始的斯特恩-盖拉赫实验是想证明轨道角动量空间取向量子化, 后来结果证明 的是： ( ) A. 轨道角动量空间取向量子化； B. 自旋角动量空间取向量子化； C. 轨道和自旋角动量空间取向量子化； D. 角动量空间取向量子化不成立。 原子物理学第八章习题 答案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 第八章 X 射线 8.1 某X 光机的高压为10万伏，问发射光子的最大能量多大？算出发射X 光的最短波长。 解：电子的全部能量转换为光子的能量时，X 光子的波长最短。而光子的最大能量是：5max 10==Ve ε电子伏特 而 min max λεc h = 所以οελA c h 124.01060.1101031063.61958 34max min =?????==-- 8.2 利用普通光学反射光栅可以测定X 光波长。当掠射角为θ而出现n 级极大值出射光线偏离入射光线为αθ+2，α是偏离θ级极大出射线的角度。试证：出现n 级极大的条件是 λααθn d =+2 sin 22sin 2 d 为光栅常数（即两刻纹中心之间的距离）。当θ和α都很小时公式简化为λαθαn d =+)2(2 。 解：相干光出现极大的条件是两光束光的光程差等于λn 。而光程差为：2 sin 22sin 2)cos(cos ααθαθθ+=+-=?d d d L 根据出现极大值的条件λn L =?，应有 λααθn d =+2 sin 22sin 2 当θ和α都很小时，有22sin ;22222sin αααθαθαθ≈+=+≈+ 由此，上式化为：;)2(λααθn d =+ 即 λαθαn d =+)2(2 8.3 一束X 光射向每毫米刻有100条纹的反射光栅，其掠射角为20＇。已知第一级极大出现在离0级极大出现射线的夹角也是20＇。算出入射X 光的波长。 解：根据上题导出公式： λααθn d =+2 sin 22sin 2 由于'20,'20==αθ，二者皆很小，故可用简化公式： λαθαn d =+)2(2 由此，得：οαθαλA n d 05.5)2 (;=+= 8.4 已知Cu 的αK 线波长是1.542ο A ，以此X 射线与NaCl 晶体自然而成'5015ο角入射而得到第一级极大。试求NaCl 晶体常数d 。 解：已知入射光的波长ολA 542.1=，当掠射角'5015οθ=时，出现一级极大（n=1）。 οθλ θ λA d d n 825.2sin 2sin 2=== 8.5 铝（Al ）被高速电子束轰击而产生的连续X 光谱的短波限为5ο A 。问这时是否也能观察到其标志谱K 系线？ 解：短波X 光子能量等于入射电子的全部动能。因此 31048.2?≈=λεc h 电电子伏特 要使铝产生标志谱K 系，则必须使铝的1S 电子吸收足够的能量被电离而产生空位，因此轰击电子的能量必须大于或等于K 吸收限能量。吸收限能量可近似的表示为： 临沂师范学院物理系 原子物理学期末考试试题（A卷） 一、论述题25分，每小题5分） 1．夫朗克—赫兹实验的原理和结论。 1．原理：加速电子与处于基态的汞原子发生碰撞非弹性碰撞，使汞原子吸收电子转移的的能量跃迁到第一激发态。处第一激发态的汞原子返回基态时，发射2500埃的紫外光。（3分） 结论：证明汞原子能量是量子化的，即证明玻尔理论是正确的。（2分） 2．泡利不相容原理。 2．在费密子体系中不允许有两个或两个以上的费密子处于同一个量子态。（5分） 3．X射线标识谱是如何产生的 3．内壳层电子填充空位产生标识谱。（5分） 4．什么是原子核的放射性衰变举例说明之。 4．原子核自发地的发射 射线的现象称放射性衰变，（4分）例子（略）（1分） 5．为什么原子核的裂变和聚变能放出巨大能量 5．因为中等质量数的原子核的核子的平均结合能约为大于轻核或重核的核子的平均结合能，故轻核聚变及重核裂变时能放出巨大能 量。（5分） 二、（20分）写出钠原子基态的电子组态和原子态。如果价电子被激发到4s态，问向基态跃迁时可能会发出几条光谱线试画出能级跃迁图，并说明之。 二、（20分）（1）钠原子基态的电子组态1s22s22p63s；原子基态为2S1/2。（5分） （2）价电子被激发到4s态向基态跃迁时可发出4条谱线。（6分）（3）依据跃迁选择定则1 0, j 1,± = ? ± ?＝ l（3分）能级跃迁图为（6分） 三、（15 耦合时，（1）写出所有 可能的光谱项符号；（2）若置于磁场中，这一电子组态一共分裂出多少个能级（3）这些能级之间有多少可能的偶极辐射跃迁 三、（15分）（1）可能的原子态为 1P 1，1D 2， 1F 3； 3P 2，1，0， 3D 3，2，1， 3F 4，3，2。 （7分） （2）一共条60条能级。（5分） （3）同一电子组态形成的原子态之间没有电偶极辐射跃迁。（3分） 原子物理学试题汇编 1 临沂师范大学物理系 原子物理期末考试(卷一) (1)弗兰克-赫兹实验的原理和结论。 1.原理:加速电子与基态汞原子之间的碰撞非弹性碰撞，使汞原子吸收4.9电子伏特的电子转移能量并跃迁到第一激发态。当处于第一激发态的汞原子回到基态时，它会发出2500埃的紫外光。(3分) 结论:证明汞原子的能量是量子化的意味着证明玻尔的理论是正确的。(2分) 2.泡利不相容原理。 2.在费米子系统中，两个或更多的费米子不允许处于相同的量子态。(5分) 3.x光识别光谱是如何产生的？ 3.内壳中的电子填充空位产生识别光谱。(5分)4。什么是原子核的放射性衰变？举个例子。 4.原子核的自发发射？？？辐射现象称为放射性衰变，(4分)例(略)(1分) 5.为什么核裂变和核聚变会释放巨大的能量？ 5.因为中等质量数的原子核的平均结合能比轻或重原子核的平均结合能大约8.6兆电子伏，所以轻核聚变和重核裂变可以释放出大量的能量。 2 巨大的能量。(5分) 第二，(20分)写下钠原子基态的电子构型和原子态。如果价电子被激发到4s态，在跃迁到基态的过程中会发射出多少条谱线？试着画一个能级转换图并解释它。 (2)、(20分钟)(1)钠原子基态的电子组态1 s22s 22p 63s；原子基态是2S1/2。(5分) (2)当价电子被激发从4s态跃迁到基态时，它们可以发射4条谱线。(6分)(3分)根据过渡选择规则？l=？1，？j。0，？1 (3分) 能级跃迁图为(6分) 42S1/2 32P3/2 32P1/2 32S1/2 (3)、(15)对于电子构型3p4d，(1)当ls耦合时，写下所有可能的光谱项符号；(2)如果放在磁场中，这个电子构型会分裂成多少能级？(3)在这些能级之间有多少可能的偶极辐射跃迁？三，(15点)(1)可能的原子状态是 1 P1，1D2，1F 3；3P2，1，0，3D3，2，1，3F4，3，2 .(7 点数) (2)总共60个能级。(5分) (3)由相同电子构型形成的原子态之间没有偶极辐射跃迁。(3分) 2 第二章 原子的能级和辐射 试计算氢原子的第一玻尔轨道上电子绕核转动的频率、线速度和加速度。 解：电子在第一玻尔轨道上即年n=1。根据量子化条件， π φ2h n mvr p == 可得：频率 21211222ma h ma nh a v πππν= == 赫兹151058.6?= 速度：61110188.2/2?===ma h a v νπ米/秒 加速度：222122/10046.9//秒米?===a v r v w 试由氢原子的里德伯常数计算基态氢原子的电离电势和第一激发电势。 解：电离能为1E E E i -=∞，把氢原子的能级公式2 /n Rhc E n -=代入，得： Rhc hc R E H i =∞-=)1 1 1(2=电子伏特。 电离电势：60.13== e E V i i 伏特 第一激发能：20.1060.1343 43)2 111(2 2=?==-=Rhc hc R E H i 电子伏特 第一激发电势：20.101 1== e E V 伏特 用能量为电子伏特的电子去激发基态氢原子，问受激发的氢原子向低能基跃迁时，会出现那些波长的光谱线 解：把氢原子有基态激发到你n=2,3,4……等能级上去所需要的能量是： )1 11(22n hcR E H -= 其中6.13=H hcR 电子伏特 2.10)21 1(6.1321=-?=E 电子伏特 1.12)31 1(6.1322=-?=E 电子伏特 8.12)4 1 1(6.1323=-?=E 电子伏特 其中21E E 和小于电子伏特，3E 大于电子伏特。可见，具有电子伏特能量的电子不足以把基 态氢原子激发到4≥n 的能级上去，所以只能出现3≤n 的能级间的跃迁。跃迁时可能发出的光谱线的波长为： ο ο ο λλλλλλA R R A R R A R R H H H H H H 102598 )3 111( 1121543)2 111( 1 656536/5)3 121( 1 32 23 22 22 1221 ==-===-===-= 试估算一次电离的氦离子+ e H 、二次电离的锂离子+ i L 的第一玻尔轨道半径、电离电势、第一激发电势和赖曼系第一条谱线波长分别与氢原子的上述物理量之比值。 解：在估算时，不考虑原子核的运动所产生的影响，即把原子核视为不动，这样简单些。 a) 氢原子和类氢离子的轨道半径： 3 1,2132,1,10529177.0443,2,1,44102 22 01212 2220= ======?==? ?===++++++ ++-Li H H Li H H H He Z Z r r Z Z r r Z Li Z H Z H Z me h a n Z n a mZe n h r e 径之比是因此，玻尔第一轨道半；，；对于；对于是核电荷数，对于一轨道半径；米，是氢原子的玻尔第其中ππεππε b) 氢和类氢离子的能量公式： ??=?=-=3,2,1,)4(222 12 220242n n Z E h n Z me E πεπ 其中基态能量。电子伏特，是氢原子的6.13)4(22 204 21-≈-=h me E πεπ 电离能之比： 9 00,4002 222== --==--+ ++ ++ H Li H Li H He H He Z Z E E Z Z E E c) 第一激发能之比： 高校原子物理学试题 试卷 一、选择题 1.分别用１MeV的质子和氘核（所带电荷与质子相同，但质量是质子的两倍）射向金箔，它们与金箔原子核可能达到的最小距离之比为： Ａ.1/4; Ｂ.1/2; Ｃ.１; Ｄ.２. 2.处于激发态的氢原子向低能级跃适时，可能发出的谱总数为： A.4; B.6; C.10; D.12. 3.根据玻尔－索末菲理论，n=4时氢原子最扁椭圆轨道半长轴与半短轴之比为： A.1； B.2; C.3; D.4. 4.f电子的总角动量量子数j可能取值为： A.1/2，3/2; B.3/2，5/2; C.5/2，7/2; D.7/2，9/2. 5.碳原子（C，Z＝6）的基态谱项为 A.3P O ; B.3P 2 ; C.3S 1 ; D.1S O . 6.测定原子核电荷数Z的较精确的方法是利用 A.α粒子散射实验; B. x射线标识谱的莫塞莱定律; C.史特恩－盖拉赫实验； D.磁谱仪. 7.要使氢原子核发生热核反应，所需温度的数量级至少应为（K） A.107; B.105; C.1011; D.1015. 8.下面哪个粒子最容易穿过厚层物质？ A.中子； B.中微子； C.光子； D.α粒子 9.在（1）α粒子散射实验，（2）弗兰克－赫兹实验，（3）史特恩－盖拉实验，（4）反常塞曼效应中，证实电子存在自旋的有： A.（1），（2）; B.（3）,（4）; C.（2）,（4）; D.（1）,（3）. 10.论述甲：由于碱金属原子中，价电子与原子实相互作用，使得碱金属原子的能级对角量子数l的简并消除. 论述乙：原子中电子总角动量与原子核磁矩的相互作用，导致原子光谱精细结构. 下面判断正确的是： A.论述甲正确，论述乙错误; B.论述甲错误，论述乙正确; C.论述甲，乙都正确，二者无联系； D.论述甲，乙都正确，二者有联系. 二、填充题（每空2分，共20分） 1．氢原子赖曼系和普芳德系的第一条谱线波长之比为（）. 2．两次电离的锂原子的基态电离能是三次电离的铍离子的基态电离能的（）倍. 3．被电压100伏加速的电子的德布罗意波长为（）埃. 4．钠D 1 线是由跃迁（）产生的. 5．工作电压为50kV的X光机发出的X射线的连续谱最短波长为（）埃. 6．处于4D 3/2 态的原子的朗德因子g等于（）. 7．双原子分子固有振动频率为f，则其振动能级间隔为（）. 8．Co原子基态谱项为4F 9/2 ，测得Co原子基态中包含8个超精细结构成分，则Co核自旋I=（）. 9．母核A Z X衰变为子核Y的电子俘获过程表示（）。 10．按相互作用分类， 粒子属于（）类. 第一章习题参考答案 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-4 约为10rad. 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M α，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m e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） （3） （2） 作运算：（2）×sinθ±(3)×cosθ，得 （4） （5） 再将（4）、（5）二式与（1）式联立，消去Ｖ’与V， 化简上式，得 （６） 若记，可将（６）式改写为 （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)sinθ=0 （1）若sinθ=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 由此可得 θ≈10弧度（极大）此题得证. （1）动能为的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 解：（1）依和金的原子序数Z 2=79 -4 答：散射角为90o所对所对应的瞄准距离为. (2)要点分析：第二问解的要点是注意将大于90°的散射全部积分出来.90°～180°范围的积分，关键要知道n，问题不知道nA，但可从密度与原子量关系找出注意推导出n值.，其他值从书中参考列表中找. 从书后物质密度表和原子量表中查出Z Au=79，A Au=197，ρ Au=×10kg/m 《原子物理学》期末考试试卷（E）参考答案 (共100分) 一．填空题(每小题3分，共21分) 1．7.16?10-3 ----(3分) 2．（1s2s）3S1（前面的组态可以不写）（1分）； ?S=0（或?L=±1，或∑ i i l=奇?∑ i i l=偶）（1分）； 亚稳（1分）。 ----(3分) 3．4；1；0,1,2 ；4；1,0；2,1。 ----(3分) 4．0.013nm (2分) , 8.8?106m?s-1(3分)。 ----(3分) 5．密立根（2分）；电荷（1分）。 ----(3分) 6．氦核 2 4He；高速的电子；光子(波长很短的电磁波)。(各1分) ----(3分) 7．R aE =α32 ----(3分) 二．选择题(每小题3分, 共有27分) 1.D ----(3分) 2.C ----(3分) 3.D ----(3分) 4.C ----(3分) 5.A ----(3分) 6.D 提示： 钠原子589.0nm谱线在弱磁场下发生反常塞曼效应，其谱线不分裂为等间距的三条谱线，故这只可能是在强磁场中的帕邢—巴克效应。 ----(3分) 7.C ----(3分) 8.B ----(3分) 9.D ----(3分) 三．计算题(共5题, 共52分 ) 1．解： 氢原子处在基态时的朗德因子g =2,氢原子在不均匀磁场中受力为 z B z B z B Mg Z B f Z d d d d 221d d d d B B B μμμμ±=?±=-== (3分) 由 f =ma 得 a m B Z =±?μB d d 故原子束离开磁场时两束分量间的间隔为 s at m B Z d v =?=??? ? ? ?212 22 μB d d (2分) 式中的v 以氢原子在400K 时的最可几速率代之 m kT v 3= )m (56.010400 1038.131010927.03d d 3d d 232 232B 2 B =??????=?=??= --kT d z B kT md z B m s μμ (3分) 由于l =0, 所以氢原子的磁矩就是电子的自旋磁矩（核磁矩很小，在此可忽略）， 故基态氢原子在不均匀磁场中发生偏转正好说明电子自旋磁矩的存在。 (2分) ----(10分) 2．解：由瞄准距离公式：b = 22a ctg θ及a = 2 1204z z e E πε得： b = 20012*79 **30246e ctg MeV πε= 3.284*10-5nm. (5分) 22 22 ()()(cot )22 (60)cot 30 3:1(90)cot 45 a N Nnt Nnt b Nnt N N θ σθπθπ?=?==?==? (5分) 3．对于Al 原子基态是2P 1/2：L= 1，S = 1/2，J = 1/2 (1分) 它的轨道角动量大小： L = = (3分) 它的自旋角动量大小： S = = 2 (3分) 它的总角动量大小： J = = 2 (3分) 4．（1）铍原子基态的电子组态是2s2s ，按L －S 耦合可形成的原子态： 对于 2s2s 态，根据泡利原理，1l = 0，2l = 0，S = 0 则J = 0形成的原子态：10S ； (3分) （2）当电子组态为2s2p 时：1l = 0，2l = 1，S = 0，1 S = 0， 则J = 1，原子组态为：11P ； S = 1， 则J = 0，1，2，原子组态为：30P ，31P ，32P ； (3分) （3）当电子组态为2s3s 时，1l = 0，2l = 0，S = 0，1 则J = 0，1，原子组态为：10S ，31S 。 (3分) 从这些原子态向低能态跃迁时，可以产生5条光谱线。 (3分) 1．原子的基本状况 1.1解：根据卢瑟福散射公式： 2 02 22 442K Mv ctg b b Ze Ze αθ πεπε== 得到： 21921501522 12619079(1.6010) 3.97104(48.8510)(7.681010) Ze ctg ctg b K ο θαπεπ---??===??????米 式中2 12K Mv α=是α粒子的功能。 1.2已知散射角为θ的α粒子与散射核的最短距离为 2202 1 21 ()(1)4sin m Ze r Mv θ πε=+ ， 试问上题α粒子与散射的金原子核之间的最短距离m r 多大？ 解：将1.1题中各量代入m r 的表达式，得：2min 202 1 21 ()(1)4sin Ze r Mv θπε=+ 1929 619479(1.6010)1910(1)7.6810 1.6010sin 75ο --???=???+???14 3.0210-=?米 1.3 若用动能为1兆电子伏特的质子射向金箔。问质子与金箔。问质子与金箔原子核可能达到的最 解：当入射粒子与靶核对心碰撞时，散射角为180ο。当入射粒子的动能全部转化为两粒子间的势能时，两粒子间的作用距离最小。 根据上面的分析可得： 22 0min 124p Ze Mv K r πε==，故有：2min 04p Ze r K πε= 1929 13 619 79(1.6010)910 1.141010 1.6010 ---??=??=???米 由上式看出：min r 与入射粒子的质量无关，所以当用相同能量质量和相同电量得到核代替质子时，其与靶核的作用的最小距离仍为131.1410-?米。 1.7能量为3.5兆电子伏特的细α粒子束射到单位面积上质量为22/1005.1米公斤-?的银箔上，α粒 解：设靶厚度为't 。非垂直入射时引起α粒子在靶物质中通过的距离不再是靶物质的厚度't ，而是ο60sin /'t t =，如图1-1所示。 因为散射到θ与θθd +之间Ωd 立体 角内的粒子数dn 与总入射粒子数n 的比为： dn Ntd n σ= (1) 而σd 为：2 sin ) ()41 (4 2 2 22 0θ πεσΩ=d Mv ze d （2） 把（2）式代入（1）式，得： 2 sin )()41(4 22220θπεΩ =d Mv ze Nt n dn (3) 式中立体角元0'0'220,3/260sin /,/====Ωθt t t L ds d N 为原子密度。'Nt 为单位面上的原子数，10')/(/-==N A m Nt Ag Ag ηη，其中η是单位面积式上的质量；Ag m 是银原子的质量；Ag A 是银原子的原子量；0N 是阿佛加德罗常数。 将各量代入（3）式，得： 2 sin )()41(324 22 22 00θπεηΩ=d Mv ze A N n dn Ag 由此，得：Z=47 第二章习题 2-1 铯的逸出功为，试求： (1)铯的光电效应阈频率及阈值波长； (2)如果要得到能量为的光电子，必须使用多少波长的光照射 解：（1） ∵ E =hν-W 当hν=W 时，ν为光电效应的最低频率（阈频率），即 ν =W /h =××10-19/×10-34 =×1014 ∵ hc /λ=w λ=hc /w =×10-7(m) (2) ∵ mv 2/2=h ν-W ∴ = h ν ν=h λ=c /ν=hc /(m)=×10-7m 2-2 对于氢原子、一次电离的氦离子He +和两次电离的锂离子Li ++，分别计算它们的： (1)第一、第二玻尔轨道半径及电子在这些轨道上的速度； (2)电子在基态的结合能； (3)由基态到第一激发态所需的激发能量及由第一激发态退激到基态所放光子的波长． n e e Z n a ∴H: r 1H =×12/1nm= r 2 H =×22/1= V 1H = ×106×1/1= ×106(m/s) V 2H = ×106×1/2= ×106(m/s) ∴He+: r 1He+=×12/2nm= r 2He+=×22/2= V 1 He+= ×106×2/1= ×106(m/s) V 2 He+= ×106×2/2= ×106(m/s) Li ++: r 1 Li++=×12/3nm= r 2 Li++=×22/3= V 1 Li++= ×106×3/1= ×106(m/s) V 2 Li++= ×106×3/2= ×106(m/s) (2) 结合能：自由电子和原子核结合成基态时所放出来的能量，它等于把电子从基态电离掉所需要的能量。 ∵ 基态时n =1 H: E 1H = He+: E 1He+=×Z 2=×22= Li ++: E 1Li+=×Z 2=×32= (3) 由里德伯公式 Z 2××3/4= 注意H 、He+、Li++的里德伯常数的近似相等就可以算出如下数值。 2-3 欲使电子与处于基态的锂离子Li ++发生非弹性散射，试问电子至少具有多大的动能 要点分析:电子与锂质量差别较小, 可不考虑碰撞的能量损失.可以近似认为电子的能量全部传给锂,使锂激发. 解：要产生非弹性碰撞,即电子能量最小必须达到使锂离子从基态达第一激发态,分析电子至少要使Li ++从基态n =1激发到第一激发态n =2. 因为 Z n ⊿E =E 2-E 1=Z 2R Li ++hc (1/12-1/22)≈32××3/4eV= 讨论:锂离子激发需要极大的能量 2-4 运动质子与一个处于静止的基态氢原子作完全非弹性的对心碰撞，欲使氢原子发射出光子，质子至少应以多大的速度运动 要点分析:质子与氢原子质量相近,要考虑完全非弹性碰撞的能量损失.计算氢原子获得的实际能量使其能激发到最低的第一激发态. 解： 由动量守恒定律得 m p V =(m p +m H )V ' ∵ m p =m H V’=V /2 由能量守恒定律,传递给氢原子使其激发的能量为: 皖西学院近代物理期末考试试卷 (共100分) 姓名:_________ 学号:_________ 成绩:_________ 一．选择题(共10题, 共有30分,每题为3分 ) c 1.原始的斯特恩-盖拉赫实验是想证明轨道角动量空间取向量子化, 后来结果证明的是: A. 轨道角动量空间取向量子化; B. 自旋角动量空间取向量子化; C. 轨道和自旋角动量空间取向量子化; D. 角动量空间取向量子化不成立。 a 2.在Z A Z A X Y He →+--2424衰变过程中，衰变能E d 与α粒子动能E α的关系是： A ．E E A A d =-α()4; B. E E A A d =-α()4; C. E E A Z d =-α()2; D. E E Z A d =-α()2。 c 3.用波数为~v 0的单色光去照射透明物体，并在与入射方向成直角的方向上观察散射光，发现散射光中除了原来的波数~v 0之外，还有~v 0±~v i 的新波数出现，其中~v i 与： A. 入射光波数的一次方有关； B. 入射光波数的平方有关； C. 散射物性质有关； D. 散射物性质无关。 b 4.利用莫塞莱定律，试求波长0.1935nm 的K α线是属于哪种元素所产生的？ A. Al （Z=13）； B. Fe （Z=26）； C. Ni （Z=28）； D. Zn （Z=30）。 a 5.我们说可以用描写碱金属原子中价电子的量子数n l j ,,来描写伦琴线光谱对应的状态，确切地说应该是描写： A. 内壳层具有空位的状态； B. 内壳层某个电子的状态； C. 最外壳层价电子的状态； D. K 壳层电子的状态。 b 6.原子K 壳层的半径与其原子序数Z 之间的大致关系为： A. 与Z 成正比； B. 与Z 成反比； C. 与Z 2成正比； D. 与Z 2成反比。 a 7.某原子处在B = 0.8特斯拉的磁场中，当微波发生器的频率调到1.68×1010Hz 时，观察到顺磁共振。该原子此时所处状态的朗德因子值为： A. 3/2； B. 2； C. 1； D. 4/5。 b 8.在(p , n)型核反应中, 若中间核为715N , 则此反应中的靶核与生成核分别为: A. 510B 和613C ; B. 614C 和714N ; C. 614C 和510B ; D. 613C 和714N 。 c 9.He +中的电子由某个轨道跃迁到另一轨道，相应物理量可能发生的变化如下： A. 总能量增加，动能增加，加速度增加，线速度增加； B. 总能量增加，动能减少，加速度增加，线速度减少； C. 总能量减少，动能增加，加速度增加，线速度增加； D. 总能量减少，动能增加，加速度减少，线速度减少。 c 10.密立根是通过以下方法来测定电子电荷的： A. 测量电子束在电场和磁场中的偏转; 师学院物理系 原子物理学期末考试试题（A卷） 一、论述题25分，每小题5分） 1．夫朗克—赫兹实验的原理和结论。 1．原理：加速电子与处于基态的汞原子发生碰撞非弹性碰撞，使汞原子吸收电子转移的4.9eV的能量跃迁到第一激发态。处第一激发态的汞原子返回基态时，发射2500埃的紫外光。（3分）结论：证明汞原子能量是量子化的，即证明玻尔理论是正确的。（2分） 2．泡利不相容原理。 2．在费密子体系中不允许有两个或两个以上的费密子处于同一个量子态。（5分） 3．X射线标识谱是如何产生的？ 3．壳层电子填充空位产生标识谱。（5分） 4．什么是原子核的放射性衰变？举例说明之。 4．原子核自发地的发射 射线的现象称放射性衰变，（4分）例子（略）（1分） 5．为什么原子核的裂变和聚变能放出巨大能量？ 5．因为中等质量数的原子核的核子的平均结合能约为8.6MeV大于轻核或重核的核子的平均结合能，故轻核聚变及重核裂变时能放出巨大 能量。（5分） 二、（20分）写出钠原子基态的电子组态和原子态。如果价电子被激发到4s态，问向基态跃迁时可能会发出几条光谱线？试画出能级跃迁图，并说明之。 二、（20分）（1）钠原子基态的电子组态1s22s22p63s；原子基态为2S1/2。（5分） （2）价电子被激发到4s态向基态跃迁时可发出4条谱线。（6分）（3）依据跃迁选择定则1 0, j 1,± = ? ± ?＝ l（3分） 能级跃迁图为（6分） 三、（15 （1）写出所有可能 的光谱项符号；（2）若置于磁场中，这一电子组态一共分裂出多少个能级？（3）这些能级之间有多少可能的偶极辐射跃迁？ 三、（15分）（1）可能的原子态为 1P 1，1D 2， 1F 3； 3P 2，1，0， 3D 3，2，1， 3F 4，3，2。 （7分） （2）一共条60条能级。（5分） （3）同一电子组态形成的原子态之间没有电偶极辐射跃迁。（3分） 原子物理学课后习题答 案第10章 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 第十章 原子核 10.1 n H 1011和的质量分别是1.0078252和1.0086654质量单位，算出C 126中每个核子的平均结合能（1原子量单位=2/5.931c MeV ）. 解：原子核的结合能为：MeV m Nm ZE E A H 5.931)(?-+= 核子的平均结合能为：A E E =0 MeV MeV m Nm ZE A E A n H 680.75.931)(1=?-+=∴ 10.2 从下列各粒子的质量数据中选用需要的数值，算出Si 3014 中每个核子的平均结合能： 007825.1,973786.29008665 .1,014102.2,000548.01130 141021→→→→→H Si n H e 解：MeV MeV m Nm Zm A A E E ASi n H 520.85.931)(110110=?-+== 10.3 Th 232 90放射α射线成为αR 22888.从含有1克Th 23290的一片薄膜测得每秒放 射4100粒α粒子,试计算出Th 232 90的半衰期为10104.1?年. 解:根据放射性衰变规律:t e N N λ-=0 如果在短时间dt 内有dN 个核衰变,则衰变率dt dN /必定与当时存在的总原子核数目N 成正比,即: t e N N dt dN λλλ-==-0 此式可写成: 0 N dt dN e t -=-λλ……（1） 其中 20 23 023''0010261232 1002.6,232,1002.6,1;1,4100?=??==?=?===--=-N A N A N N t dt dN N dt dN e t 故 克克秒λλ 将各已知量代入（1）式，得： 18 2010264110264100?=?=-λλe ……（2） 因为Th 23290的半衰期为10104.1?年，所以可视λ为很小，因此可以将λ+e 展成级数，取前两项即有：λλ+≈+1e 这样（2）式变为： 1810 26411?=+λλ 由此得： 年秒秒 101818104.110438.02 ln /1058.1?=?==?=-λλT 所以, Th 232 90的半衰期为10104.1?年. 10.4 在考古工作中,可以从古生物遗骸中C 14的含量推算古生物到现在的时间t .设ρ是古生物遗骸中C 14和C 12存量之比,0ρ是空气中C 14和C 12存量之比,是推导出下列公式:2 ln )/ln(0ρρT t =式中T 为C 14的半衰期. 推证:设古生物中C 12的含量为)(12C N ;刚死时的古生物中C 14的含量为)(140C N ;现在古生物遗骸中C 14的含量为)(14C N ;根据衰变规律, 有:t e C N C N λ-=)()(14014 由题意知: ) ()(1214C N C N =ρ;(完整版)原子物理学第五章填空判断题(有答案)
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