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1、第一章 原子的基本状况1.1 若卢瑟福散射用的粒子是放射性物质镭放射的，其动能为电子伏特。散射物质是原子序数的金箔。试问散射角所对应的瞄准距离多大？解：根据卢瑟福散射公式：得到：米式中是粒子的功能。1.2已知散射角为的粒子与散射核的最短距离为 ，试问上题粒子与散射的金原子核之间的最短距离多大？ 解：将1.1题中各量代入的表达式，得：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小距离多大？又问如果用同样能量的氘核（氘核带一个电荷而质量是质子的两倍，是氢的一种同位素的原子核）代替质子，其与金箔原子核的最小距离多大？解：当入射粒子与靶核对心碰撞时，散射
2、角为。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：，故有：米由上式看出：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米。1.4 钋放射的一种粒子的速度为米/秒，正面垂直入射于厚度为米、密度为的金箔。试求所有散射在的粒子占全部入射粒子数的百分比。已知金的原子量为。解：散射角在之间的粒子数与入射到箔上的总粒子数n的比是：其中单位体积中的金原子数：而散射角大于的粒子数为：所以有：等式右边的积分：故即速度为的粒子在金箔上散射，散射角大于以上的粒子数大约是。1.5 粒子散射实验的数据在散射角很小时与理论值差
3、得较远，时什么原因？答：粒子散射的理论值是在“一次散射“的假定下得出的。而粒子通过金属箔，经过好多原子核的附近，实际上经过多次散射。至于实际观察到较小的角，那是多次小角散射合成的结果。既然都是小角散射，哪一个也不能忽略，一次散射的理论就不适用。所以，粒子散射的实验数据在散射角很小时与理论值差得较远。1.6 已知粒子质量比电子质量大7300倍。试利用中性粒子碰撞来证明：粒子散射“受电子的影响是微不足道的”。证明：设碰撞前、后粒子与电子的速度分别为：。根据动量守恒定律，得：由此得： (1)又根据能量守恒定律，得： （2）将（1）式代入（2）式，得：整理，得：即粒子散射“受电子的影响是微不足道的”。
4、1.7能量为3.5兆电子伏特的细粒子束射到单位面积上质量为的银箔上，粒子与银箔表面成角。在离L=0.12米处放一窗口面积为的计数器。测得散射进此窗口的粒子是全部入射粒子的百万分之29。若已知银的原子量为107.9。试求银的核电荷数Z。60t,t2060图1.1解：设靶厚度为。非垂直入射时引起粒子在靶物质中通过的距离不再是靶物质的厚度，而是，如图1-1所示。因为散射到与之间立体角内的粒子数dn与总入射粒子数n的比为： (1)而为： （2）把（2）式代入（1）式，得：（3）式中立体角元N为原子密度。为单位面上的原子数，其中是单位面积式上的质量；是银原子的质量；是银原子的原子量；是阿佛加德罗常数。将
5、各量代入（3）式，得：由此，得：Z=471.8 设想铅（Z=82）原子的正电荷不是集中在很小的核上，而是均匀分布在半径约为米的球形原子内，如果有能量为电子伏特的粒子射向这样一个“原子”，试通过计算论证这样的粒子不可能被具有上述设想结构的原子产生散射角大于的散射。这个结论与卢瑟福实验结果差的很远，这说明原子的汤姆逊模型是不能成立的（原子中电子的影响可以忽略）。解：设粒子和铅原子对心碰撞，则粒子到达原子边界而不进入原子内部时的能量有下式决定：由此可见，具有电子伏特能量的粒子能够很容易的穿过铅原子球。粒子在到达原子表面和原子内部时，所受原子中正电荷的排斥力不同，它们分别为：。可见，原子表面处粒子所受
6、的斥力最大，越靠近原子的中心粒子所受的斥力越小，而且瞄准距离越小，使粒子发生散射最强的垂直入射方向的分力越小。我们考虑粒子散射最强的情形。设粒子擦原子表面而过。此时受力为。可以认为粒子只在原子大小的范围内受到原子中正电荷的作用，即作用距离为原子的直径D。并且在作用范围D之内，力的方向始终与入射方向垂直，大小不变。这是一种受力最大的情形。根据上述分析，力的作用时间为t=D/v, 粒子的动能为，因此，所以，根据动量定理：而所以有：由此可得：粒子所受的平行于入射方向的合力近似为0，入射方向上速度不变。据此，有：这时这就是说，按题中假设，能量为1兆电子伏特的粒子被铅原子散射，不可能产生散射角的散射。但
7、是在卢瑟福的原子有核模型的情况下，当粒子无限靠近原子核时，会受到原子核的无限大的排斥力，所以可以产生的散射，甚至会产生的散射，这与实验相符合。因此，原子的汤姆逊模型是不成立的。第三章 量子力学初步3.1 波长为的X光光子的动量和能量各为多少？解：根据德布罗意关系式，得：动量为：能量为：。3.2 经过10000伏特电势差加速的电子束的德布罗意波长 用上述电压加速的质子束的德布罗意波长是多少？解：德布罗意波长与加速电压之间有如下关系： 对于电子：把上述二量及h的值代入波长的表示式，可得：对于质子，代入波长的表示式，得：3.3 电子被加速后的速度很大，必须考虑相对论修正。因而原来的电子德布罗意波长与
8、加速电压的关系式应改为：其中V是以伏特为单位的电子加速电压。试证明之。证明：德布罗意波长：对高速粒子在考虑相对论效应时，其动能K与其动量p之间有如下关系：而被电压V加速的电子的动能为：因此有：一般情况下，等式右边根式中一项的值都是很小的。所以，可以将上式的根式作泰勒展开。只取前两项，得：由于上式中，其中V以伏特为单位，代回原式得：由此可见，随着加速电压逐渐升高，电子的速度增大，由于相对论效应引起的德布罗意波长变短。3.4 试证明氢原子稳定轨道上正好能容纳下整数个电子的德布罗意波波长。上述结果不但适用于圆轨道，同样适用于椭圆轨道，试证明之。证明：轨道量子化条件是：对氢原子圆轨道来说，所以有：所以
9、,氢原子稳定轨道上正好能容纳下整数个电子的德布罗意波长。椭圆轨道的量子化条件是：其中而 因此，椭圆轨道也正好包含整数个德布罗意波波长。3.5 带电粒子在威耳孙云室（一种径迹探测器）中的轨迹是一串小雾滴，雾滴德线度约为1微米。当观察能量为1000电子伏特的电子径迹时其动量与精典力学动量的相对偏差不小于多少？解：由题知,电子动能K=1000电子伏特，米，动量相对偏差为。根据测不准原理，有，由此得：经典力学的动量为：电子横向动量的不准确量与经典力学动量之比如此之小，足见电子的径迹与直线不会有明显区别。3.6 证明自由运动的粒子（势能）的能量可以有连续的值。证明：自由粒子的波函数为： （1）自由粒子的
10、哈密顿量是： （2）自由粒子的能量的本征方程为： （3）把（1）式和（2）式代入（3）式，得：即：自由粒子的动量p可以取任意连续值，所以它的能量E也可以有任意的连续值。3.7 粒子位于一维对称势场中，势场形式入图3-1，即（1）试推导粒子在情况下其总能量E满足的关系式。（2）试利用上述关系式，以图解法证明，粒子的能量只能是一些不连续的值。解：为方便起见,将势场划分为三个区域。（1） 定态振幅方程为式中是粒子的质量。区：波函数处处为有限的解是：。区：处处有限的解是：区：处处有限的解是：有上面可以得到：有连续性条件，得：解得：因此得：这就是总能量所满足的关系式。（2） 有上式可得：亦即 令，则上面
11、两方程变为：另外，注意到还必须满足关系：所以方程（1）和（2）要分别与方程（3）联立求解。3.8 有一粒子，其质量为,在一个三维势箱中运动。势箱的长、宽、高分别为在势箱外，势能；在势箱内，。式计算出粒子可能具有的能量。解：势能分布情况，由题意知：在势箱内波函数满足方程：解这类问题，通常是运用分离变量法将偏微分方程分成三个常微分方程。令代入（1）式，并将两边同除以，得：方程左边分解成三个相互独立的部分，它们之和等于一个常数。因此，每一部分都应等于一个常数。由此，得到三个方程如下：将上面三个方程中的第一个整数，得：（2）边界条件：可见，方程（2）的形式及边界条件与一维箱完全相同，因此，其解为：类似
12、地，有可见，三维势箱中粒子的波函数相当于三个一维箱中粒子的波函数之积。而粒子的能量相当于三个一维箱中粒子的能量之和。对于方势箱，,波函数和能量为：第四章 碱金属原子4.1 已知原子光谱主线系最长波长，辅线系系限波长。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，电离电势为，则有：4.2 原子的基态3S。已知其共振线波长为5893，漫线系第一条的波长为8193，基线系第一条的波长为18459，主线系的系限波长为2413。试求3S、3P、3D、4F各谱项的项值。解：将上述波长依次记为容易看
13、出：4.3 K原子共振线波长7665，主线系的系限波长为2858。已知K原子的基态4S。试求4S、4P谱项的量子数修正项值各为多少？解：由题意知：由，得：设,则有与上类似4.4 原子的基态项2S。当把原子激发到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。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：，可能产生四条光谱，分别由以下能级跃迁产生：4
14、.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。4.6 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：
