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内容简介

　　《原子物理学.下, 原子：一种量子构件》阐述近代原子物理学的基本原理和重要实验. 《原子物理学.下, 原子：一种量子构件》分为上、下两册,上册论述原子和电磁辐射场的相互作用, 下册主要内容是建立在量子力学基础上的原子结构.下册着重在量子力学基础上阐述原子内部结构, 并将有心势场中独立电子近似模型加以推广, 用以解释 X 射线谱和原子能级. 通过大量具体计算方法和光谱实验演示实例说明理论与实验的精确符合, 并将读者带向当代原子物理学的科研前沿.

目录

致中国同学
序
译者前言
上册目录
附录1适用于各种单位制的电磁学公式汇编
所用符号表
第11章有心势中无自旋的单个电子1
11.1引言，复习1
11.1.1玻尔模型的描述1
11.1.2圆运动的特征参量3
11.2氢原子的量子研究，库仑场4
11.2.1薛定谔方程4
11.2.2角向部分研究，球谐函数5
11.2.3径向部分研究8
11.2.4主要结果，能级10
11.3氢原子中电子出现的概率12
11.3.1归一化问题13
11.3.2径向概率14
11.3.3角向概率16
11.4与实验的比较18
11.4.1氢原子谱18
11.4.2类氢系统20
11.5非库仑有心势情况(l简并的解除)26
11.5.1贯穿轨道态与非贯穿轨道态26
11.5.2具有一个外层电子的原子的量子模型27
11.5.3对钠原子的应用29
第12章有心势中独立电子近似，电子组态32
12.1近似的必要性32
12.1.1一个复杂原子中的各种相互作用32
12.1.2有心力场近似33
12.2有心势中N个独立电子系统的能量，组态34
12.2.1能量值34
12.2.2电子态的描述，组态36
12.3泡利原理和组态的简并37
12.3.1斯莱特行列式与泡利原理37
12.3.2属于同一壳层或支壳层的最多电子数目38
12.3.3一个组态的简并度与宇称39
12.4元素周期分类法41
12.4.1基态组态41
12.4.2原子的基态组态与性质42
第13章X射线谱49
13.1X射线发射49
13.1.1波长或频率的测量49
13.1.2连续谱与谱线50
13.2X射线的吸收52
13.2.1吸收谱52
13.2.2X射线光电子的速度谱55
13.3X射线的发射谱线57
13.3.1与吸收谱的比较57
13.3.2观察X线系的条件，不相容原理59
13.3.3与光谱的比较61
13.4莫塞莱定律64
13.4.1作为原子序数函数的结合能64
13.4.2有心势模型下的解释66
第14章角动量与能级的统计68
14.1角动量的合成68
14.1.1有关角动量的量子力学结果68
14.1.2标记法69
14.1.3一个满支壳层的总角动量70
14.1.4基态角动量70
14.2自旋{轨道相互作用71
14.2.1电子坐标系中的磁场~B071
14.2.2自旋磁矩与磁场~B0的相互作用73
14.2.3原子中自旋{轨道耦合体系的估算75
14.3多电子原子中能级的计算原理75
14.3.1附加在哈密顿量H0上的修正项76
14.3.2哈密顿量的逐级近似76
14.3.3L-S耦合78
14.3.4j-j耦合81
14.4一个组态角动量的确定和能级的统计84
14.4.1属于不同支壳层的电子84
14.4.2等效电子(属于同一支壳层的)84
14.4.3洪德定则87
第15章单电子和双电子体系的光谱学88
15.1选择定则88
15.2具有一个带自旋的外层电子的原子90
15.2.1总角动量91
15.2.2自旋{轨道耦合91
15.2.3观察到的光谱93
15.3氦原子与类氦离子94
15.3.1有心力场近似94
15.3.2电子间的静电相互作用，交换项96
15.3.3自旋{轨道相互作用98
15.4具有两个价电子的原子99
15.4.1L-S耦合的能级位置99
15.4.2L-S耦合多重态的朗德间隔定则和重心101
15.4.3具有两个价电子原子的光谱103
15.4.4j-j耦合的能级位置104
15.4.5复杂原子106
15.5氢原子的精细结构107
15.5.1对不考虑相对论修正结果的回顾107
15.5.2相对论修正108
15.5.3辐射修正112
15.6X射线谱114
15.6.1属于不同能级的角动量114
15.6.2谱项与能量116
15.6.3观察到的光谱117
第16章静磁场中的原子118
16.1概述与复习118
16.2均匀场下的哈密顿算符119
16.2.1自由电子情况119
16.2.2一个原子情况120
16.3弱场中的塞曼效应，L-S耦合情形121
16.3.1微扰论的应用121
16.3.2维格纳{埃克特定理：朗德因子的存在122
16.3.3朗德因子的计算124
16.3.4弱场中的塞曼能级图125
16.3.5光谱中塞曼组分的观察125
16.4强场中的帕邢{巴克效应，中等场情况126
16.4.1第一步：忽略自旋{轨道耦合127
16.4.2第二步：加上自旋{轨道耦合129
16.4.3中等场情况130
16.5塞曼效应和帕邢{巴克效应，具有一个或两个电子的情况131
16.5.1具有一个外层电子的原子131
16.5.2具有两个外层电子的原子，j-j耦合135
第17章原子核和原子物理学139
17.1核的磁矩和角动量139
17.1.1质子的磁矩139
17.1.2中子的磁矩140
17.1.3核的角动量和磁矩142
17.2能级的磁超精细结构144
17.2.1角动量的组合145
17.2.2超精细相互作用能量145
17.2.3相邻超精细能级之间的直接跃迁147
17.3磁超精细结构常数的计算148
17.3.1核磁矩与电子轨道磁矩之间的相互作用148
17.3.2核磁矩对电子自旋的作用150
17.3.3各种修正150
17.4对电子{核静电相互作用的修正151
17.4.1电四极矩效应152
17.4.2由质量和体积引起的同位素移位153
17.5光谱线的超精细结构155
17.5.1选择定则155
17.5.2汞的实例155
17.6外磁场的作用，塞曼效应与巴克{古德斯米特效应157
17.6.1磁场微扰哈密顿算符W158
17.6.2微弱场情况：塞曼效应158
17.6.3强场下的巴克{古德斯米特效应160
17.6.4甚强场情况162
17.6.5中等场情况，有效磁矩162
第18章波与二能级原子的量子相互作用166
18.1无自发发射的孤立原子166
18.1.1半经典的电偶极相互作用哈密顿算符166
18.1.2二能级薛定谔方程168
18.1.3拉比振荡解169
18.1.4在磁共振中观察拉比振荡170
18.2有自发发射的计算171
18.2.1平均集合变量171
18.2.2布洛赫微分方程173
18.2.3与磁共振的比较174
18.2.4阻尼振荡的一般解174
18.3稳态175
18.3.1极化与极化率175
18.3.2布洛赫方程的稳态解177
18.3.3平均跃迁概率，爱因斯坦系数179
附录6矢量算符，维络纳--埃克特定理183
A.6.1角动量算符的复习183
A.6.2角动量与几何转动184
A.6.3矢量算符的对易关系187
A.6.4矢量算符的矩阵元189
A.6.5投影定理191
A.6.6标准分量和CG192
A.6.7补充，矢量模型192
附录7磁场中的拉格朗日算符和哈密顿算符194
A.7.1经典拉格朗日形式的复习194
A.7.2磁场中的拉格朗日算符，广义动量195
A.7.3哈密顿函数和哈密顿算符196
附录8经典辐射理论的回顾198
A.8.1振动偶极子的辐射198
A.8.2在介质中的传播201
A.8.3弹性束缚电子模型204
A.8.4振子强度210
A.8.5磁场的作用，经典塞曼效应213
附录9多极矩222
A.9.1静止电荷情况，电多极矩222
A.9.2运动电荷情况，磁多极矩225
A.9.3电四极矩专题研究229
附录10双原子分子物理概述236
A.10.1玻恩{奥本海默近似236
A.10.2双原子分子的哈密顿算符237
A.10.3双原子分子的电子能量238
A.10.4核运动的研究242
A.10.5能级与光谱的一般行为246
深入阅读参考书目251
索引254
上册目录
致中国同学
序
译者前言
下册主题
引言
所用符号表
第一编能量与动量的交换
第1章能量交换的量子化3
1.1普朗克定律的回顾3
1.2光电效应(能量交换量子化的确证)4
1.2.1实验描述4
1.2.2阈值与最大反向电压的解释6
1.2.3灵敏度和量子效率8
1.2.4光电离9
1.3光谱(原子能级的量子化)11
1.3.1组合原理和玻尔定律12
1.3.2光学共振实验，原子基态15
1.3.3谱线宽度，多普勒效应18
1.4原子蒸气的电子激发(能级量子化的确证)20
1.4.1电离势20
1.4.2弹性碰撞与非弹性碰撞23
1.4.3共振电势，弗兰克{赫兹实验24
1.4.4临界势(激发能)27
第2章辐射的动量33
2.1经典图景，辐射压强33
2.1.1用经典电磁学计算辐射压强33
2.1.2用动量概念解释36
2.1.3实验验证37
2.2光子的动量39
2.2.1从辐射压强出发39
2.2.2从相对论出发40
2.3光子的弹性散射，康普顿效应41
2.3.1X射线散射的康普顿实验41
2.3.2自由电子弹性散射的计算43
2.3.3康普顿电子的观察46
2.3.4束缚电子的弹性散射，汤姆孙散射47
2.4原子的非弹性散射47
2.4.1光子的吸收48
2.4.2光子的发射49
2.4.3射线的应用，穆斯堡尔效应50
2.4.4光束引起的原子束偏转53
2.4.5补充，原子的减速或冷却57
2.5能量与动量交换体系的总复习59
第3章辐射跃迁概率61
3.1光波的吸收61
3.1.1吸收系数61
3.1.2与碰撞理论有效截面的比较，刚球模型63
3.1.3单位时间的跃迁概率66
3.1.4实验现象的频率分布67
3.2光子的自发发射70
3.2.1自发发射概率和激发态寿命70
3.2.2寿命的实验测量72
3.3感生或受激发射，爱因斯坦辐射理论75
3.3.1感生或受激发射概念75
3.3.2光学共振中三种跃迁的总计76
3.3.3辐射跃迁概率之间的关系77
3.3.4共振跃迁的饱和80
第4章微波激射器和激光器84
4.1光放大原理84
4.1.1总吸收系数，自透明84
4.1.2布居数反转，放大条件85
4.2布居数反转方法，抽运86
4.2.1原子或分子束选态86
4.2.2用另一跃迁的电磁波进行抽运87
4.2.3气体中的电子碰撞90
4.2.4与异类原子、离子或分子的碰撞91
4.2.5半导体中的电子注入92
4.3激光振荡器，谐振腔的作用93
4.3.1用于正反馈的光学腔94
4.3.2腔内一次来回的增益与损耗，振荡阈值95
4.3.3腔的品质因数和阻尼时间97
4.3.4无腔振荡(超辐射)99
4.4运转状态99
4.4.1振荡频率，单模或多模状态100
4.4.2连续振荡器的时态102
4.4.3脉冲振荡器的时态104
4.4.4放大器的应用106
第二编波-粒关系
第5章相干波与光子111
5.1光波的相干性概念111
5.2时间相干性实例113
5.2.1邻近频率波的叠加113
5.2.2振幅变化引起的频率扩展115
5.2.3单模激光器的频率波动(跳变)122
5.2.4长相干时间激光的应用123
5.3空间相干性126
5.3.1不同方向波的叠加127
5.3.2有限波束的角宽度127
5.3.3相干宽度的实际限制129
5.3.4激光空间相干性的应用130
5.3.5一个利用空间和时间两种相干性的实验132
5.3.6高斯光束133
5.3.7补充：高斯光束中的不确定性原理136
5.4波与光子136
5.4.1如何描述一束电磁波中的光子？136
5.4.2光电子计数138
5.4.3用光电子计数观察杨氏干涉花纹141
5.4.4用单光子"观察法布里{珀罗环144
5.4.5极弱强度独立激光之间的干涉146
5.4.6补充：自发发射的球面波147
第6章物质粒子束的干涉151
6.1德布罗意波151
6.2电子干涉152
6.2.1实验装置152
6.2.2干涉花纹的计算与观察154
6.2.3数值计算，数量级155
6.2.4相继电子间的时间间隔156
6.3中子衍射和干涉157
6.3.1快中子

精彩书摘

　　第11章有心势中无自旋的单个电子
　　11.1引言，复习
　　上册前面各章表明，原子物理学的许多问题都可采用简单模型和与经典力学很相近的分析方法来理解.但每当我们希望进行深入细致的研究时，就会要求做些不太自然、不太浅显的假说，以致要使经典理论发展与实验方面保持协调一致变得十分困难.
　　相反，量子力学方法则突出地显示了它们适用于原子物理.它们的渐进发展进程(从非相对论波动力学、狄拉克的相对论量子力学到场的量子理论)允许完整地理解和描述现象;在第15章(见15.5节)我们将看到，电子自旋概念的出现是量子力学发展的自然结果.然而从现在起我们应当始终记住，严格的处理只有对氢原子的情况才有可能，但即使对它非常严格也是不容易的.只有借助于各种不同的近似方法以后，才能研究比较复杂的系统.在这一章中，我们将阐明，怎样来描写有心势中一个无自旋电子的行为.这种研究包含只有一个电子的氢原子和类氢系统的情况.然而读者在本章中将可觉察到这样一个更为宽泛的考量：对于有心势中单个电子的研究结果将是研究多电子原子的基础.
　　对一个类氢原子中单个电子运动的定量研究要放到量子力学著作的背景里去进行.本章中我们将主要通过对物理现象和结果的描述来讨论一些基本点，尽可能采用常用的量子力学标记法.尽管对原子系统只有用这种量子描述才是唯一能令人满意的，我们还是要对经典描述做一个复习，以便引出后面要用的标记法.
　　11.1.1玻尔模型的描述
　　1913年玻尔为氢原子引入了简单的经典模型.这个模型将为描述原子、分子的特征参量的数量级提供一个参照系，并能为本领域物理学家常用的原子单位给出定义.
　　这个模型把电子的可能运动局限于电子在圆形轨迹上围绕着假定其质量为无穷的核的运动.规定为圆轨迹(半径r=C常量)等于要求两个运动常量之间有一个关系;这两个运动常量是总能量E和角动量L=mevr(me和v分别为电子的质量和速度).事实上，原子的静电势能是由电荷为.e的电子和相距为r、电荷为Ze的点状核形成的，它由下式给出：
　　为负常量(11.1)
　　此式意味着，势能的原点选为：当r=1，W(r)=0.
　　牛顿定律将相应的力与电子加速度联系起来，两者与电子的位置矢量~r共线，~r的方向是从电子指向核：运动的总能量和轨道角动量L=mevr由下式联系:
　　玻尔认为，轨道上的电子尽管加速，却不发射电磁波;但是，若电子开始处在一个能量为Ep的轨道上，当它不连续地过渡到能量为En的轨道时，却会发射出频率为onp的辐射.把辐射能量写成等于原子的能量损失时，我们有玻尔试图找到在常量C中Z=1时这个式子和氢原子发射波长的巴耳末{里德伯实验规律(见上册1.3.1节)的一致性：
　　其中，n和p是两个整数，R称为里德伯常量.为了在n和p两个数为任意值时使两个有关honp的式子等效，玻尔给经典运动方程附加了一个电子轨道角动量量子化的假说：
　　如果我们把量子化的角动量值放到能量的表达式中，就得到里德伯常量的表达式为其中，c是真空中的光速.
　　采用这个模型后，我们就可以证实，氢原子的不同能态有一个负的能量：我们赋予零能量"这样的意义：通常它相当于电子远离原子核而处于无穷远处，其速度为零;就是说，原子被电离了.从这个通例可定义零能量为电离极限，因而可以说，在绝对值上量子化能量表示处在n态上的原子在电离时所需要提供的能量，或还可以说，它代表原子中电子的结合能.
　　11.1.2圆运动的特征参量
　　对经典圆运动还可算出其他一些参量(现在要保留原子序数Z以便最后加以推广).
　　a)电子速度
　　电子速度由下式给出：v=.如果用电子速度与光速之比v/c来进行计算，就会出现下面这个常数：
　　我们知道在CGS单位制中，40=1.这就是为什么在许多书里可以找到不同的表达式：=e2~c
　　，但是它们的数值是相同的，因为.是量纲一的.这个常量叫做精细结构常数"，其理由将会在后面看到(参见15.5节).
　　对Z=1和n=1的氢原子情况，v比c小得多，其比值等于.;这证明不考虑相对论的计算是合理的.
　　b)运动能量
　　利用精细结构常数可把运动能量写成简单的形式：
　　(mec2=511keV是电子静止质量的能量，令n=Z=1，很容易得到氢原子基态能量为E1=.13:6eV).
　　里德伯常量也可写为：R=mec
　　c)轨道半径
　　玻尔轨道半径由下式给出：
　　或还可写为
　　(我们称=h=mec=0:0024nm为康普顿波长，参见上册2.3.2节).
　　在氢原子基态的情况(Z=1，n=1)下，有r=a0，称为玻尔半径"：
　　对于原子序数为Z和任意n的类氢离子，相应的轨道半径为
　　我们得到了数量级与从阿伏伽德罗常量或从X射线衍射实验得到的原子间距离相一致的长度.这个量a0常被理论原子物理学家在原子单位制中作为长度单位.
　　11.2氢原子的量子研究，库仑场
　　11.2.1薛定谔方程
　　我们所要处理的问题是：一个电荷为.e的电子，被核的库仑静电场所吸引.倘若核是带正电荷e的质子，这个问题就是中性氢原子问题.倘若核所带的电荷等于2e;3e; ，则所研究的系统就是一次、二次 电离的原子，或者我们更严格地称这些原子"为类氢离子.为了使叙述更为普遍化，取核的电荷为Ze，Z是原子序数.
　　在核的库仑势中电子形成的系统的势能由表达式(11.1)给出(在量子力学中通常称势能为势")：
　　这里选择势能的原点为：当
　　在原子质心坐标系中原子系统的总能量由哈密顿算符来表示，它写为这里相对运动的动能是由相对动量算符~P和与电子质量me稍有不同的、系统约化质量1来描述的.通过引入系统的约化质量解决了把原子核牵涉进来的问题，这是在经典和量子两种力学中都采用的 原子物理学·原子：一种量子构件（下册） 电子书 下载 mobi epub pdf txt

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