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1、物理学拓展:量子物理课程介绍及修读建议第一部分 课程简介 【课程名称】：物理学拓展：量子物理学【课程代码】：PH118【课程属性】：必修【授课对象】：致远学院/物理方向/一年级【学时/学分】：32学时/2学分一、课程性质与教学目的（一）课程性质（指课程的地位、作用）量子物理学是物理学专业的一门重要基础课。本课程的主要目标和任务是：以原子结构为中心，以实验事实为线索，了解原子和原子核层次的物质结构及运动和变化规律，揭示宏观现象与规律的本质。介绍有关问题所需要的量子力学基本概念，阐述物质微观结构三个层次的物理过程、研究方法，培养创新思维。使学生对物质世界有更深入的认识，获得在本课程领域内分析和处理
2、一些最基本问题的初步能力。（二）教学目的 1. 使学生初步建立描述微观世界的物理图像，掌握原子、原子核的结构和运动规律，了解粒子物理中的有关知识，为今后继续学习量子力学、固体物理学、近代物理实验等课程打下坚实基础。2. 掌握研究量子物理与原子物理问题的基本方法，明确如何由分析实验结果出发，建立物理模型，进而建立物理理论体系的过程，培养学生分析问题和解决问题的能力。3. 使学生了解一些正在发展的学科前沿，扩大视野，引导学生勇于思考、乐于探索发现，培养其良好的科学素质。培养学生辩证唯物主义世界观。4. 课程教学中，要结合有关内容，适当将一些背景材料和物理学史引入教学，以利于加深对新知识的理解和把握
3、。同时，通过介绍二十世纪初物理学家，在解决经典物理学应用于微观粒子体系遇到困难时的大胆探索、勇于出新的思想脉络，使学生受到创新意识和创新精神方面的熏陶和教育，提高学生分析问题和解决问题的能力。使学生了解物理学家对物质结构的实践理论再实践的认识过程，引导学生养成严谨、活跃、创新的思维方式和学习方法。二、课程基本内容 本课程从实验事实出发，以阐述原子结构为中心，联系物理学发展史和科研前沿，讨论原子和原子核这一物质结构层次的基本内容。这些内容主要包括：黑体辐射等衍生量子论实验、量子力学一维定态问题、原子的核式模型、玻尔氢原子理论、电子自旋及原子核物理。教学重点放在对有关概念和规律的物理分析和阐述上，
4、严格的理论处理留待量子力学等后继课程去完成。三、先修课程及可能后续课程（一）先修课程高等数学,力学，电磁学，光学（二）可能后续课程量子力学，近代物理实验第二部分 教学总体安排及修读建议一、学时分配章节主要内容各教学环节学时分配小计讲授讨论课外习题（不记课时）1黑体辐射等四个实验4242量子力学初步4243双态系统4244量子力学一维定态问题4245氢原子：波尔模型与量子力学4246氢原子精细结构4247原子的位形：卢瑟福模型4248核物理与粒子物理概论424合计32二、教学重点与难点（一）教学重点培养学生初步建立微观世界的物理图像，掌握描述原子结构的基本概念、基本原理和方法；掌握认识原子世界的
5、基本规律，以便从思想和方法上做好准备，为今后学习量子力学打下基础。（二）教学难点由于量子物理学课程是学生第一次系统的接触到的近代物理学的理论体系，它的许多概念、观点与学生长期形成的观念不相符合。因此在教学过程中，一定要千方百计做好这个观念上的转化工作，让学生逐步形成适应微观世界的思维方式，循序渐进的从经典物理世界走进量子世界。三、教学材料及修读建议（一）推荐教材量子物理，赵凯华、罗蔚茵 编著 高等教育出版社 （二）推荐参考书原子物理学，杨福家 编著 高等教育出版社 近代物理（上册），郑广垣 编著，复旦大学出版社；原子物理学，褚圣麟 编著，人民教育出版社；量子物理学（上册），美 R 埃斯伯格、R
6、 .瑞斯尼克著，1987；（三）推荐网站（包括课程网站、专业网站等）无（四）修读建议费曼物理学讲义 Feynman 上海科学技术出版社 1981年近代物理基础及其应用；P. A. Tipler；上海科技出版社；近代原子物理学（上、下）；法 B.凯格纳克，J.裴贝，E.裴罗拉 著，科学出版社四、本课程开设需要的教学环境和设备条件多媒体教室+黑板五、考核方法及成绩评定（包括考核方式及所占比例）该科目为考试课1.成绩评定总则：以百分制计算总成绩，其中平时成绩占总成绩的20%，期末考试成绩占80%。总成绩满分100分，60分即获得该课程学分；2.平时成绩评定：考核依据为完成作业情况3.期末考核方式：闭
7、卷考试。第三部分 课程教学内容及教学要求绪论、第一部分:黑体辐射、光电效应、康普顿散射与双峰衍射 4学时【教学目的及要求】掌握：（1）黑体辐射、光电效应、康普顿散射与双峰衍射实验物理的机制（2）德布罗意波理解：（1） 波动性与粒子性的关系【教学重点与难点】一、教学重点：黑体辐射、光电效应、康普顿散射与双峰衍射实验物理。二、教学难点：波粒二相性【教学手段及方式方法】黑板板书与多媒体教学交叉使用【教学内容】1黑体辐射及量子论的诞生2 光电效应、康普顿散射3 双峰衍射4 波粒二相性【实践教学】无【思考题】（1） 宏观下为什么看不到波粒二象性第二部分 量子力学初步 4学时【教学目的及要求】掌握：（1）
8、微观粒子的波粒二象性，德布罗意假设（2）不确定关系及其含义（3）波函数的统计解释（4）描述电子空间运动的三个量子数理解：（1）薛定谔方程的建立过程及其在量子力学中的地位（2）量子力学处理问题的方法（3）戴维孙革末实验、双(单)缝干涉实验了解：（1）定态的概念，求解定态薛定谔方程（本征问题）的基本步骤（2）态叠加原理【教学重点与难点】一、教学重点：物质波理论、不确定关系、波函数的统计解释。二、教学难点：物质波理论、不确定关系、波函数的统计解释，薛定谔方程的应用【教学手段及方式方法】黑板板书与多媒体教学交叉使用【教学内容】1 波粒二象性2 不确定关系3 波函数及其统计解释4 薛定谔方程【实践教学】
9、无【思考题】（2） 宏观下的不确定性关系如何（3） 波函数满足哪些条件第三部分 双态系统 4学时【教学目的及要求】掌握：（1）含时薛定谔方程的处理（2）本征态与态矢混合理解：（1）薛定谔方程的建立过程及其在量子力学中的地位（2）量子力学处理问题的方法了解：（1）定态的概念，求解定态薛定谔方程（本征问题）的基本步骤（2）态叠加原理【教学重点与难点】一、教学重点：含时演化与薛定谔方程、波函数的统计解释。二、教学难点：波函数的统计解释，薛定谔方程的应用【教学手段及方式方法】黑板板书与多媒体教学交叉使用【教学内容】1 双态系统2 中微子振荡3 粒子与反粒子振荡4 含时微扰与核磁共振【实践教学】无【思考
10、题】(1) 含时薛定谔方程的处理(2) 不同算符的本征态第四部分 一维定态薛定谔方程 4学时【教学目的及要求】掌握：（1）定态薛定谔方程的求解（2）本征态与态矢混合理解：（1）薛定谔方程的建立过程及其在量子力学中的地位（2）量子力学处理问题的方法 (3) 宇称了解：（1）定态的概念，求解定态薛定谔方程（本征问题）的基本步骤（2）态叠加原理 (3) 升降算符 (4) shooting method【教学重点与难点】一、教学重点：含时薛定谔方程与定态薛定谔方程、波函数的统计解释。二、教学难点：波函数的统计解释，薛定谔方程的应用【教学手段及方式方法】黑板板书与多媒体教学交叉使用【教学内容】1 无限深
11、方势井与有限深势井2 势垒与穿透3 一维谐振子求解：升降算符4一维谐振子求解：shooting method与格点【实践教学】无【思考题】(1) 定态薛定谔方程的处理(2) 束缚态与散射态的区别第五部分 氢原子的玻尔理论和量子力学处理 4 学时【教学目的及要求】掌握：（1）氢原子光谱的实验规律（2）玻尔理论的基本假设，玻尔理论的结论（3）玻尔理论对氢光谱的解释（4）类氢离子光谱，里德伯常数（5）夫兰克赫兹实验的原理、方法、实验结果的分析及结论。（6）对应原理（7）索末菲对玻尔理论的推广量子化通则，椭圆轨道理论理解：（1）原子的空间量子化（2）玻尔理论的相对论修正 (3) 原子的壳层结构了解：（
12、1）玻尔理论的历史地位和缺陷（2）玻尔理论与量子力学主要结论的对比【教学重点与难点】一、教学重点：量子概念的建立、玻尔理论。二、教学难点：玻尔理论用于氢光谱的解释。【教学手段及方式方法】黑板板书与多媒体教学交叉使用【教学内容】 1 玻尔模型2 实验验证：光谱3 量子力学处理氢原子4 量子力学与元素周期表【实践教学】无【思考题】（1） 波尔模型的内容是什么？最大的突破是什么？（2） 玻尔模型有什么应用？（3） 量子力学有什么不同第六部分 氢原子精细结构 4学时【教学目的及要求】掌握：（1）碱金属原子光谱的实验规律和碱金属原子结构特点（2）电子自旋角动量与自旋磁矩（3）碱金属光谱精细结构的解释（4
13、）施特恩盖拉赫实验与空间量子化、电子自旋的联系理解：（1） 电子自旋的意义（2） 角动量的LS耦合，LS耦合中的选择定则（3） 电子自旋与轨道运动之间的相互作用了解：（1） 氢原子能谱的研究进展【教学重点与难点】一、教学重点：轨道磁矩、电子自旋假设、碱金属光谱、精细结构。二、教学难点：电子自旋概念的正确理解、朗德因子的确定、光谱精细结构的成因【教学手段及方式方法】黑板板书与多媒体教学交叉使用【教学内容】1 氢原子光谱学与光谱分解2 轨道角动量耦合3 精细结构3 碱金属双线与塞曼效应【实践教学】无【思考题】（1） 自旋与自转的区别？（2） 自旋存在的证据？（3） 正常塞曼效应与反常塞曼效应形成的
14、原因（4） 如何解释碱金属双线的原因第七部分 原子的位形：卢瑟福模型（4 学时）【教学目的及要求】掌握：（1）原子的质量，大小的数量级 （2）a粒子散射实验 （3）卢瑟福的核式原子模型 （4）卢瑟福散射公式及其实验验证 （5）散射截面及其物理意义 （6）原子核大小的估计理解：（1）库仑散射公式和卢瑟福散射公式的推导 （2）散射理论中的近似运用 （3）阿伏加德罗常数的物理意义了解：（1）电子的发现过程及其性质 （2）汤姆逊模型及其困难【教学重点与难点】一、教学重点：（1）卢瑟福的散射理论二、教学难点：（1）卢瑟福的散射理论【教学手段及方式方法】黑板板书与多媒体教学交叉使用【教学内容】1 背景知识2 卢瑟福模型的提出3 卢瑟福
