《原子物理学》课程一．课程简介课程号: 06120850课程名称: 原子物理学英文名称：Atomic Physics周学时: 3学分: 3预修课程: 微积分, 大学物理(力学, 热力学, 光学, 电磁学)课程性质：专业课授课对象：物理专业大学生内容简介：（中英文）《原子物理学》是物理学本科专业的一门重要基础课。
内容包括原子模型、电子自旋和原子磁矩、元素周期律、X射线、核模型、核衰变、核反应、核裂变与聚变等内容。
通过学习，不仅可掌握原子和原子核物理方面的基础知识，还可了解量子力学的基本概念和实验背景，为以后近代物理学的学习打下扎实基础。
This course is a degree program for undergraduate students in the department of physics, Zhejiang University. The contents of the course include the models of atoms, spin of electrons and magnetic moment of atoms, periodic law of the elements, X-ray, models of the nuclei, decay of the nuclei, nuclear reactions, nuclear fission and fusion etc. After study the course, students will understand the basic knowledge of atomic and nuclear physics, the basic ideas and experimental background of quantum physics, which are very important for further studying modern physics.二．教材和参考书1.教材:《原子物理学》, 杨福家著, 高等教育出版社, 第四版，2010年12月1日2. 参考书:（1）《原子物理学》,苟清泉主编, 高等教育出版社, 1983年版（2）《原子物理学》,卢希庭主编, 原子能出版社, 1982年版（3）《原子物理学》，褚圣麟主编，人民教育出版社，1979年6月版（4）《Physics of Atoms and Molecules》, B. H. Bransden and C. J. Joachain, 1983（5）《Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles》，R. Eisberg, R. Resnick, 1985（6）《Atomic and Nuclear Physics》, S. Shankland, 1960三．教学大纲1. 基本信息课程号: 06120850课程名称: 原子物理学英文名称：Atomic Physics周学时: 3学分: 3预修课程: 微积分, 大学物理(力学, 热力学, 光学, 电磁学)面向对象：物理专业大学生2.教学目标(1)学习目的《原子物理学》课程是物理系本科专业大学生的一门重要基础课。
它既是―大学物理‖的重要组成部分，也是实现从“经典物理学”向“现代物理学”转折的一门有关微观世界奇妙规律的课程。
通过学习, 掌握二十世纪以来原子和原子核物理学方面的基础知识和重大成果, 了解量子力学以及基本粒子物理的一些基本概念和实验背景, 并在哲学观念、思维方式、研究方法等方面均有较大提高，为以后的近代物理的学习以及工程技术应用打下扎实的基础。
（2）可测量结果a) 对原子物理有比较全面的了解。
清晰原子结构、原子发光、原子磁矩、多电子原子及元素周期表的导出、X光原理等物理图像和规律，掌握理论方法和计算方法。
b) 对原子核物理有比较全面的了解。
清晰原子核的结合能、核衰变、核反应、核裂变、核聚变等物理图像和规律，掌握理论方法和计算方法。
c）掌握原子及原子核物理的理论和实验研究方法、思维方式及哲学观，为后来学习量子力学等现代物理的更高等理论打下基础。
3.课程要求（1）授课方式与要求授课方式：a. 教师讲授（讲授核心内容、总结、按顺序提示今后内容、答疑、公布讨论主题等）；b. 课前和课后阅读、老师每周答疑及同学间讨论（按照每周上课内容和课堂推荐参考文献，进行阅读、答疑和讨论）；c.实地参观考察（配合学习原子核物理内容，去浙江秦山核电站实地参观考察，了解核裂变及核电站运行情况）；d. 期中开卷考试及期末闭卷考试。
课程要求：熟悉基楚知识、优化思维方式、从经典物理学习阶段顺利转向现代物理学习阶段，增强独立发现问题和解决问题的能力。
说明：原子物理学课程的研究内容属于现代物理范畴，但其研究方法属于半经典半现代物理方法，它是大学物理中从经典物理转向现代物理的一门转折性课程。
因此授课时将十分重视思维方式和研究方法的转型，以使同学们尽快适应现代物理学的学习和研究模式。
此外，由于本课程的教学内容涉及微观领域，无法直接观察，希望同学们要逐渐培养和提高自身的逻辑推理和形象思维能力。
（2）考试评分与建议期中考试为开卷考, 四级制计分; 期末考试为闭卷考, 百分制计分。
课程总分是期中考试分(20%), 课外作业分(10%), 平时成绩分(10%)以及期末考试分(60%)的总和。
4.教学安排第一讲：原子结构：卢瑟福原子模型主要内容：二十世纪初，物理学研究推进到了原子层次。
当时物理学实验的精确程度已足以研究原子内部的结构，为理论研究创造了前提。
先介绍原子的基本参数，然后由原子结构的汤姆逊模型引导，利用实验与理论计算相结合的方法，最后得出了原子的卢瑟福模型，即原子的核式模型，或行星模型。
从而使同学们掌握原子的经典物理图像。
阅读材料：(1) J.J.Thomson, The Corpusular Theory of Matter, Constable & Co.,Ltd.,London (1907).(2) F.L.Friedman & L. Sartori, The Classic Atom. Addison – Wesley, reading Mass, (1965).(3) E. Rutherford, Phil.Mag., 21, 669(1911).思考题：试比较原子的核式模型与太阳系结构的异同点。
第二讲：原子的量子态：玻尔模型（I）主要内容：被称为二十世纪初物理学晴朗天空中两朵乌云之一的“黑体辐射”引导了一场深刻的量子革命。
本讲主要介绍旧量子论的大部分内容，包括黑体辐射、光电效应、氢原子光谱、玻尔原子模型以及索末菲原子模型等。
量子力学感念的大量引入，成为本次课程的关键内容。
通过学习，同学们将掌握原子结构的半经典半量子模型。
阅读材料：(1) M.Planck, Ann.der Physik, 4, 553(1901).(2) A. Einstein. Ann.der Physik, 17, 132(1905)(3) Niels Bohr, Phil.Mag., 26, 1(1913); 26, 476(1913); 26, 857(1913).第三讲：原子的量子态：玻尔模型（II）主要内容：本讲介绍玻尔原子模型的推广：索末菲原子模型，其目的是引导出量子力学有关主量子数和角量子数的概念。
同时为解释碱金属原子光谱提供了理论依据。
思考题：思考汤姆逊、卢瑟福、玻尔、索末菲诸原子模型中各自的不足之处。
第四讲：原子光谱的精细结构：电子自旋（I）主要内容：利用对比方法，本讲从轨道角动量的推导和概念，引导出电子自旋的感念；以史特恩—盖拉赫实验为依据，引证量子力学中角动量耦合法则，从而导出原子光谱的精细结构。
阅读材料：（1）W.Gerlach.& O.Stern. Zeitschrift für Physik,9, 349(1922).(2) G. E. Uhlenbeck & S. Goudsmit. Naturwissenschaften, 13, 953(1925); Nature,117, 264(1926).第五讲：原子光谱的精细结构：电子自旋（II）主要内容：理论推导并实验解释正常和反常塞曼效应，加深对电子自旋的认识。
阅读材料：（1）R.M.Eisberg. Fundamentals of Modern Physics. New York: John Wiley & Sons Inc.,140(1963).（2）L.H.Thomas. Nature, 117, 514(1926); Phil.Mag.,3, 1(1927).思考题：碱金属原子光谱的精细结构，史特恩—盖拉赫实验以及塞曼效应均与磁相互作用有关，请说明它们各自的实验原理。
在理论推导和解释过程中，各作了什么近似？哪些解释欠说服力？你认为可以避免吗？如何避免？第六讲：多电子原子：泡利原理主要内容：利用量子力学中的角动量耦合法则，引入主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数和总量子数的概念；详细介绍L-S耦合和J-J耦合法则；推导出原子壳层的量子状态数的概念。
思考题：“具有自旋的电子，根据一定的选择定则和泡利原理，在核外固定的轨道之间越迁时放出（或吸收）光子”。
谈谈你对这一幅物理图像的看法，它和经典物理学中的有关概念有何不同？第七讲：元素周期律主要内容：详细介绍泡利不相容原理、同科电子概念、能量最小原理、洪德定则和朗德定则。
逐一引导出元素周期律。
阅读材料：（1）W. Pauli. Nobel Lecture (Dec.13, 1964), Nobel Lectures Physics 1942—1962, Elsevier (1964) 43.（2）W. Pauli, Science, 103, 213(1946).（3）W. Pauli. Zeit. Physik, 31, 765(1925).思考题：本次课程“推导”出了元素周期律以及所有原子的基态。
你认为该“推导”过程有哪些方面缺乏说服力？如何改进？第八讲：X射线的产生机理及物理特性主要内容：本讲介绍X射线的主要特性、长生机制、连续谱和特征谱、俄歇电子、同步辐射等内容；通过介绍X射线的衍射原理和康普顿效应，引导出“波粒二象性”的重要概念；介绍X射线吸收机理，并推导X射线吸收公式。
阅读材料:(1) W. C. Röntgen, Science, 3, 227 (1896); 3, 726 (1896).思考题：（1）试阐述康普顿散射实验以及X射线在单晶体和多晶粉末样品上衍射实验的基本原理。