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_____ 。
21、已知He原子1P1→1S0跃迁的光谱线在磁场中分裂为三条光谱线。若其波数间距为?~v,
则此磁场的磁感应强度B= 。今测得?~.
v=-
04671
cm,则B= 特斯拉。
22、二次电离的碳离子(C++)按其能级和光谱的特点,应属于类离子;其基态原子态
是_______________;由2s3p P3
210
,,态向2s3s S3
1
态跃迁可产生条光谱线。
23、氦原子的激发态常常是其中的一个电子被激发,另一个电子仍留在1s态,这种情况下,
电偶极跃迁的选择定则可简化为?L=,?J=。
24、氦原子的能级有两套,一套是重的,一套是重的,从而产生的光谱应有套。
历史上曾认为有两种氦,对应于前者的称氦,对应于后者的称氦。
25、氦原子的第一激发态是(写出谱项符号)。由于选择定则的限制,它
不能通过自发辐射跃迁到基态,因此可在该态停留较长时间,这种状态称态。26、某原子的两个价电子处于2s2p组态,按LS耦合可构成的原子态个数为个,总角
动量量子数J的值分别为;按jj耦合可形成的原子态个数为个,J的值分别为。
27、已知He原子的两个电子被分别激发到p
2和d3轨道,其所构成的可能原子态
为和。
28、处于基态42S1/2的钾原子在B=0.500T的弱磁场中,可分裂为个能级,相邻能
级间隔为(三位有效数字)。
29、原子有效磁矩与原子总磁矩的关系是__________________________________。
30、泡利不相容原理可表述
为:
————————————————————————————————————————————————————————————————,
它只对________子适用,而对____________子不适用。
31.若已知钾原子主线系第一条谱线双重线的波长等于7698.98埃和7664.9埃, 则该原子4p
能级的裂距为_____________________eV。
32.处于2S1/2的基态钾原子,在0.40特斯拉的磁场中,若要诱导电子的自旋变换方向,则需
要外加振荡电磁场的频率为Hz。
33.某原子基态时其电子填满了K,L壳层和3s支壳层,并在3p支壳层上填了3个电子,则
其原子序数Z= ,基态的原子态为。这种原子束在斯特恩─盖拉赫实验中将
分裂成束,在均匀磁场B中将分裂成个子能级,各相邻子能级的间隔?ε=
————μ
B
B(μB为玻尔磁子)。
34.按照电子的壳层结构,原子中相同的电子构成一个壳层;同一壳
层中相同的电子构成一个支壳层。第一、三、五壳层分别用字母表示应依次是、、。
35.在X射线吸收多重光谱中K系带是____重的,L系带是____重的,而M系带则是____重
的。
36.1895年在用阴极射线管做实验时,发现了一种能使荧光物质发荧光的射线,他进
一步研究还发现该射线具
有
——————————————————————————————————,
—————————————————————————————
—————,
——————————————————————————————————
和
——————————————————————————————————
的性质。
37、X射线的标识谱常见的有四个线系,即K,L,M,N线系,其中K系是态
到 态跃迁的结果,
α
K 是 到 跃迁。
38.同核双原子分子一般是 分子,异核双原子分子一般是 分子。 39.静止的电子与He 核结合成一个He +离子,这过程中发射的光子波长为 nm 。
40.电荷数Z 相同而质量数A 不同的原子核, 称为 .,而A 相同,Z 不同的核
素称为 。
41.原子核的结合能近似与核子数A 成 比,从而推知核力是具有饱和性的短程力;根据核半径R = 又推知核体积与 成正比,说明原子核的核子密度 。
42.α射线是高速运动的__________ ; β射线是____________ ; γ射线
是————————————————————————————————。
43.α衰变放射出的α粒子的射程R 和动能E α的经验规律是______________。
44、根据守恒定律判断下列过程各属于何种相互作用:-+→πΛp 0 ,
n p +→++
∑
Λ0
是 ,γγ+→+p p 。
45、写出下列粒子的反粒子:P ,-
e ,-
∑ 。 46、轨道电子俘获是________ ________________,它的一般反应可写为 __________ ___。
计算题
1、毕克林系是在星球的He +光谱中发现的。它是当He +中的电子从较高能级跃迁到n = 4能级发射的。(1) 列出属于这一线系的谱线的波长的准确公式;(2) 求线系限的波长;(3) 这个线系在光谱的哪个区域?(4) 若He +处于基态,求电离能。
2、为了将一次电离的氦离子激发到第二激发态,用一快速电子与氦离子相碰撞,试求电子的最小速度(设氦离子原先静止并处于基态)。
3、试确定波长为300nm, 强度为3?10-14W/m 2的单色光束所对应的光子通量。
4、在斯特恩-盖拉赫实验中,极不均
匀的横向磁场梯度为
??B z
z =10. T /cm
,磁极
的纵向长度d =10cm, 磁极中心到屏的长度
D =30cm(如图所示), 使用的原子束是处于基态3P 2的氧原子,原子的动能
E k =20 meV, 试求屏上线束边缘成分之间的距离。
5、对于208Pb (Z =82)的π-介子原子(m π=273m e ,带有-e 电荷)。(1) 按玻尔理论计算头两个玻尔轨道半径;(2) 按玻尔理论计算共振线光子的能量;(3) 在以上的计算中你把铅核视为点电荷,实际上核电荷是分布在一个有限大小的体积中的,据认为208Pb 的半径是7.1fm,考虑到这一因素(2)中的结果将如何变化?(变大,变小还是不变?)为什么? ( (1)、(2)结果只需两位有效数字)。
6、在斯特恩-盖拉赫实验中,氢原子温度在400K 时,基态原子束通过长d =10m, 磁场梯度为10Tm -1的横向非均匀磁场, 求原子束离开磁铁时,原子束分裂的分量间的间隔。
为什么这一实验能说明电子自旋的存在? (k =1.38?10-23J ?K -1 μB =0.927?10-23J ?T -1 )
7、正电子与电子相遇可形成一类氢结构的电子偶素。已知正电子与电子的质量相等,
电量相等但符号相反。假设玻尔的氢原子理论对电子偶素适用,试计算其基态的能量与第
一玻尔轨道半径(略去体系的整体运动)。
8、氢原子由某一状态跃迁到激发能为10.19ev 的状态时,发射一波为4890A
的光子.试确定初始态的能量.它是哪个状态(n=?)
9、求一个d 电子的轨道角动量L
,自旋角动量S 及总角动量J (以 为单位
表示)并以矢量图表示它们的关系。
10、求一个f 电子的轨道角动量L
,自旋角动量S 及总角动量J (以 为单位表示)
并以矢量图表示它们的关系。
11、钙原子(Z=20)基态的电子组态是4s4s ,若其中一个电子被激发到5s 态(中间有
3d 和4p 态),当它由4s5s 组态向低能态直至基态跃迁时,可产生哪些光谱跃迁?画出能级跃迁图(钙原子能级属LS 耦合,三重态为正常次序)。
12、给出电子态1s 22s 22p 53p 1在L-S 耦合下形成的所有的原子态,并用相应的原子态符
号表示之。
13、锌原子基态的电子组态是4s4s ,若其中一个电子被激发到 (1) 5s , (2) 4p 态时,
求LS 耦合下它们所形成的原子态,画出相应的能级图(三重态为正常次序)及可能的光谱跃迁。
14、已知He 的一个电子被激发到2P 轨道,而另一个电子还在1S 轨道,试求出所形成的原子态,写出可能的跃迁并划出能级跃迁图。
15、锌原子(Z=30)的最外层电子有两个,基态时的电子组态是4S4S ,当其中有一个被激发,若那个电子被激发到4P 态,求出在L-S 耦合情况下所形成的原子态,并求出有几种可能的跃迁?画出能及跃迁图。
16、镁原子(Z=12) (1) 画出镁原子基态和3s3p,3s4s,3s4p 组态所形成的原子态的能级示意图(标明LS 耦合下的光谱符号);(2) 在能级图上标出一种允许跃迁,一种禁戒跃迁,一条能产生正常塞曼效应的谱线,一条能产生反常塞曼效应的谱线。
17、锂的漫线系的一条(32/12
2/322P D →)在磁场中将分裂为几条光谱线?写出相
应算式,并作出相应能级跃迁图。
18、氦原子光谱中波长为A 1.6678()21311
1
21
p p S D d S →的谱线在磁场中发生塞曼效应时分裂为几条?写出响应算式并作出能级跃迁图。说出是哪类塞曼效应,为什么?
19、与银的单晶表面平行的原子层间距为0.20388nm, 试计算对波长为0.17892nm 的X
射线发生衍射的布拉格角. 如果这是一个用来测量X 射线波长的实验, 那么为了保证波长的最后一位数字的有效性, 测量布拉格角的精确度必须为多少?
20、早期的元素周期表是按原子量的大小排列的。钾K (A =39.1)排在氩Ar (A=39.9)的前面。镍N i (A=58.7)排在钴C o (A=58.9)的前面。莫塞莱发现K α线波长的规律后,纠正了它们的排列次序。试根据这些元素的K α线波长,Ar :0.419nm ;K :0.374nm ; C o :
0.179nm 和N i :0.166nm ,求出它们的原子序数。
21、当X 射线管所加的高压为1万伏时,测得X 射线连续谱的最短波长为0.124nm ,
若已知其它物理常数,试求普朗克常数h 。
22、证明Be 7
4
衰变为Li
7
3只可能通过轨道电子俘获的方式,而不可能通过+
β
衰变方式。
[已知
u
Li M 016004.7)(7
3=,u Be M 016929.7)(7
4= u m e 000548.0=]
23、一克镭Ra
226
88
初始时每秒钟内有10
10
7.3?个核发生衰变,求该核的半衰期和平均
寿命。
24、按照核力的介子理论, 核力的较长程部分是通过核子间交换π介子而传递的。已知 π
介子质量m m e π≈270, 试据此估算核力的作用力程。
常数表
普朗克常数 h = 6.626 ?10-34J ?s = 4.136?10-15eV ?s 里德堡常数 R ∝ = 1.097?107m -1
基本电荷 e = 1.602 ? 10-19C 阿伏伽德罗常数 N A = 6.022?1023mol -1
复合常数 hc = 1240eV ?nm 玻耳兹曼常数 k = 1.380?10-23J ?K -1 = 8.617?10-5eV ?K -1 电子质量 m e = 9.11?10-31kg = 0.511Mev/c 2 质子质量 m p = 1.67?10-27kg = 938MeV/c 2
质子质量 m p = 1.67?10-27kg = 938MeV/c 2 玻尔磁子 μB = 9.274?10-24J ?T -1 = 5.788?10-5eV ?T -1 玻尔半径 a 0 = 0.529?10-10m 原子质量单位 u = 1.66?10-27kg = 931MeV/c 2
复合常数
e
2
4πε = 1.44eV ?nm
u
Li M 016004.7)(7
3=
u
Be M 016929.7)(7
4=
原子物理复习题答案
填空题
1. 0.212
2. 938
3.
12
C
; 1/12。 4. 10.2 5. 密立根;电荷。
6、8/9,2/3;
7、67.4,17.3,59.1,3,1076.410 A A
m -?; 8、10-15m,10-10m,原子核是模型是正确的,核只占原子中很小部分; 9. 碱金属光谱的精细结构;斯特恩-盖拉赫实验.。 10. 2.86?102 11. 0.66 12.
2/12
2/12
2
/32/12
2P 2S P 2S →→n n
。
13. n 、l 、s 、m l 、m s ; 2(2l+1)
14. 主; 二 15. 0.013nm , 8.8?106m ?s -1 。 16. 4.44?10-6 提示:精细结构引起的能量移动为:
-+-
Rhc n
j n
α2
3
11234(
/)
电子动能与电子与核静电相互作用能之和为:
-
Rhc n
2
其比为:
α
2
11234n j n +-?? ?
?
?
/
17、s T 4,p T 4,p T 4,D T 4;
18、T 4s ;T 4D 19、
2
1≥??x p x ; 20、
2
1≥
??t E ;
21.
4πm c e
v
?~或hc
v
μB
?~; 1.00。 22. 氦;10S (或2s2s
S 1
);3。
23. ±1;0,±1(0→0除外)。
24. 单(或三); 三(或单); 两; 仲(或正); 正(或仲)。
25. (1s2s )3S 1 (前面的组态可以不写);?S =0(或?L =±1,或∑i
i l =奇?∑i
i l =偶);
亚稳。 26. 4;1;0,1,2; 27、11p ,21D ,31F 和0123p ,1233D ,2343F ;
28. 2; 0.927?10-23J 或5.79?10-5eV 。
29. 原子的有效磁矩是原子的总磁矩在总角动量方向上的投影。
30. 在同一原子中不能有两个或两个以上的电子处于同一状态(或:在同一原子中不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的n l m m l s ,,,四个量子数);费米; 玻色。 31. 7.16?10-3 32.
11.?1010
Hz
33. 15;432S ;4;4;2。
34. (主量子数)n ;{ 角量子数(或轨道量子数)}l ;K ;M ;O 。 注:(括号内的文字可不填)。 35. 单;三;五。
36. 伦琴;很强的贯穿本领;不被电磁场偏转;使气体电离;使照相底片感光。 注:不能答:本质为电磁波。
37、1>n ,n=1,2,1 38. 非极性;极性。 39. 22.8
40. 同位素; 同量异位素。 41. 正; r 0A 1/3 ; 核子数A ; 均相同。 42. 氦核24H e ; 高速的电子; 光子(波长很短的电磁波)。 43.
R aE =3
2
44、弱,强,电磁 45、-
+
∑,,e p 。
46、原子核俘获一个壳层电子的核转变过程;
ν
+→+--Y e X A
Z A
Z
1
计算题
1、解::
(1) 1
λ
= R He Z2(1/42-1/n2) , n = 5,6,7, ... Z = 2
∴1
λ
= 4R He(1/42-1/n2) , n = 5,6,7, ...
(2) 1
λ
∞= 4R He/42 , λ
∞
= 4hc/(R He hc) = 4?1240/13.60 = 364.7nm
(3) λ
m ax
[].().
=
-?=
?-
=
hc
R hc
He nm
1 4
1
5
4
1240
1360
4
16
4
25
10131
22
属近红外到可见光区。
(4) E
∞
= |E1| = R He hcZ2 = 13.60?22 = 54.4eV
2、解::
?E= R He hcZ2[1/12- 1/32] = 13.6?4?8/9 = 48.36eV
当E k≥?E时, 其中E k = 1
2
m e V2, 能使He+激发到第二激发态
V min = (2?E/m e) 1/2 = (2?48.36/(0.511?106)) 1/2?3?108 = 4.13?106m?s-1 3、解::
波长为300nm的单个光子的能量为
,J 10
6.6J 10
00.310
0.310
6.619
7
8
34
---?=????=
=
=λ
hc
hv E
所以光子数通量为
2
1
419
14m
s
105.410
6.610
3----?=??=
=
E I N
4、解::
氧原子的基态3P 2, ∴==±± =1, 2 1 2
S
J M ,,,
∴=
+
+-++=
+
?+-?+??+= g S S L L J J 32112132
111111222132
()()
()
()()
()
z B
F B z
M g B z
z
z z ==μμ????,
设原子束在磁场时的方向为x 轴正向 原子束在磁场出口的偏离为:
1z F m d v z
=
=???? ??
?12
12at
2
2
,
与x 轴的夹角为α:
tg d d d d d d
α==
z x
z t t x
F m d z =
v 2
,
屏上两边缘线束之间的距离为:
(cm)
6.210
2030.010.010
0.110
788.52
32= )tg 2
-(+2=2= 3
2
5
B 1=???
?????
?
=??--z
B E dD Mg d D z z z z k
??μα
5、解::
()..152********
23610
2
2
2
6
2
r a m n
Z
n
n
n e ==??
?=?--μnm nm
r 1 = 2.4?10-6nm, r 2 = 2.36?10-6?4 = 9.5?10-6nm
)2( h ν= E 2 - E 1 = 13.6?273?822?3/4 = 19MeV
)3(
因r 1处于核内,故对于n = 1状态,π介子受到有限大小核的束缚要比受到
点核的束缚来得小,所以E 1将比点核时略高,而r 2在核外,E 2可视作不变,故E 2- E 1减小,即共振线光子能量将要变小。 6、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±=?±
=-==
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 =?
=
??? ??
?2122
2
μB d d
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
1038.1310
10927.03d d 3d d 23
2
232
B 2
B
=??????=
?
=
?
?
=
--kT
d
z
B kT
md
z
B m
s μμ
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。 7、解::
()
E c 12
12=-
μα ,
μ=
12
m e
()
E m c e 12
12
12
12
13668=-
?
=-
?=-α..eV eV
r m a m m a e
e e
1002
252910
=
?
==?-μ
.nm
8、 解:
设氢原子初始态的能量为n E ,氢原子n=1的状态的能量为1E ,
hv E E E n +?+=∴1,ev Rhc E 6.131-=-=
ev
hc
hv 54.2==
λ
,ev E 19.10=?
ev E n 87.054.219.106.13-=++-=
2
n
Rhc E n -
= 4
)87
.06.13(
21
==∴n
9、解:
d
电子 2= 6)1(=+=L
2
1=
s 2
3)1(=
+=
s s s
2
352
521523
212
12
1=
==±
=+
-
j j P
P
j
2
22
45,707.02cos ==---
=θθs
s
j p p p p p
2
2212.118,4713.02cos =-=---
=θθs
s
j p p p p p
图(略) 10、解:
f
电子 3= 12)1(=
+=L
2
1=
s 2
3)1(=
+=
s s s
2
632
7
2
3525
21
=
==±
=j j j
2
22120,5.02cos =-=---
=θθs s
j p p p p p
2
2
2
45,7083.02cos ==---=θθs
s
j p p p p p
图 (略) 11、解::
可能的原子态: 4s4s : 1S 0 ; 4s3d :1
D 2 、3
D 3,2,1 ; 4s4p :1P 1 、 3P 2,1,0; 4s5s : 1
S 0 、 3
S 1 。 能级跃迁图: 12、解::
由于2p 5与2p 1互补,故1s 22s 22p 5形成的谱项与1s 22s 22p 1是相同的, 所以题中的电子组态转化为1s 22s 22p 13p 1。 原子态由2p 13p 1决定,l 1=l 2=1, s 1=s 2=1/2, 在L-S 耦合下有:L =2,1,0; S =1,0; 可形成的原子态为
3
S 1, 3P 2, 1, 0, 3D 3, 2, 1,1S 0,1P 1,1D 2
13、解::
可能的原子态
4s4s :10S ; 4s4p :11P 、32,1,0P ;
4s5s :1S 0,3S 1
4s5s
4s4p
4s3d
4s4s
1
S 03S 11
P 1
3P 1
D 21
S 0
3
2 1
2
1 0
3
D
4s5s
4s4p
4s4s
1
S 0
1S 0 3
S 1 3
P 0
3
P 1 3P 2 1P 1
能级跃迁图 14、解:
电子组态1S1S 所形成的原子态:
不存在)
(1 ,10
,1 .2
1 0;L .0,013
01
2121S S S s s l l ?======
电子组态1S2S 所形成的原子态:
1
3
01
21212 ,20
,1 .2
1 0;L .0,0S S S s s l l ?======
电子组态1S2P 所形成的原子态:
123
01
2121P 2 ,P 20
1,2 .2
1 1;L .1,0,,
,?======S s s l l
按选择定则可能的跃迁是:
01
11
12S P →
011122S P → 132322S P → 13
13
22S P →
130322S P →
跃迁图:
15、解:
4S5S 电子组态
1= 2=0 L=0 s 1=s 2=1/2 S=0、1
所以原子态为41S 0、43S 1(不存在)
,1,23
2P 0
1
2S 0
1
1S
4S4P 电子组态
1=0 2=1 L=1 s 1=s 2=1/2 S=0、1 因为J=L+S L+S-1……
当S=0时L=1 J=L=1 原子态为 41P 1
S=1时 L=1 J=2、1、0 原子态为 43P 2、1、0
根据跃迁选择定则,仅有一种跃迁:011144S P →
16、解::
(1) 能级图 基态3s3s 1S 0;
3s3p 1P 1, 3P 2,1,0; 3s4s 1S 0,3
S 1; 3s4p 11P ,3210P ,,; (2) 范例 允许跃迁如:31110s3p P 3s3s S →;
禁戒跃迁如:3s4p P 3s3p P 111
1→(因宇称不守恒);
反常塞曼效应如:
3s 4s S 3s 3p P 3
13
1→;
正常塞曼效应如:3s4p P 3s4s S 111
0→
17、解:
,1,23
4P 1
1
4P
1
4
1
3s3s 1
S 0
戒
3
3
P 2 3P 0
3s4p 3s3p
3
S 1
P 1 3P 0
2/32
3D
J=3/2 S=1/2 g=4/5 Mg=5
6525
256-
-,,,
2/122P J=1/2 S=1/2 g=2/3 Mg=3
13
1
-
,
22g M 6/5 2/5 -2/5 -6/5
11g M 1/3 -1/3 -13/15 -11/15 -1/15 1/15 11/15 13/15
L ]1513
1511151151
15111513[1,,,,,)(
-
-
-
=?∴λ
共6条谱线
图(略) 18、解:
21
D L=2 S=0 J=2 g=1
11
P L=1 S=0 J=1 g=1
11g M 2 1 0 -1 -2
22g M 1 0 -1 -1 -1 -1 0 0 0 1 1 1
L
),,()(
1011
-=?λ
L v =?~ 分裂为三条谱线,为正常塞曼效应。
图(略) 19、解::
利用布拉格条件,可得 sin θ=
n d
n n λ20178922020388
043879=
??=....
可取 n =1,2, 于是有θ1
262
=o "
和θ2
6121=o
"
.
对上式取微分, 可得: cos θ d θ=.2d d
n λ
在将
λ
θ
sin 2=
d
n 代入上式,即得:d θ=tan θ .d λ
λ
按题意,要求波长最后一位数字精确, 即要求 d λ
λ
≈?-210
5
因此θ的精确度分别为"04.0和.13.0"
20、解::
K α
线的莫塞莱公式为~()(
)ν
λ
=--
=
R Z 111
12
1
2
2
2
整理后可得元素的原子序数为Z
=
+12161.nm
λ
(或Z
R =+12
13λ
)
将各元素的K α线波长代入上式可计算各元素的原子序数:
Ar :Z 112160419
118=
+=..
K
:Z 2
12160374
119
=
+=..
C o :Z 312160179
127=
+=..
N i :Z 412160166
128=
+=..
因此,在周期表中K 应排在Ar 的后面,N i 应排在C o 的后面。 21、解::
X 射线短波限λmin 与外加电压的关系为:
e V E hc
r ?==
()m ax m in
λ
∴=h eV c λmin
=
??????--160210
11012410299810
19
410
8
...
=??-6.6310
(J s)34
22、解:
考虑+
β衰变的条件,)(0171.7000548.02016004.72)(7
4073Be M u u u m Li M >=?+=+
故不可能发生+
β衰变。
若发生k 俘获应满足:2
1
c
M
M K
Z Z ε+
?-,根据莫塞莱公式k 电子的结合能:
)(n )1(~2
∞=-==z hcR hc k ν
ε )
(016004.710
3)14(101.110
6.6016004.7)
1()(7
48
2
734
2
7
3
2
1
Be M u c
Z hR Li M c
M
K Z <≈?-???+
=-+=+
--ε
故可以发生K 电子俘获。
23、解:
21
23
10
66.2226
10
022.6226
?=?=
=
A N N
1
-10
s
107.3?=-dt
dN
)
(s 1039.110
66.210
7.31
-11
21
10-?=??=
-=
N
dt
dN
λ
半衰期为:
a) ( 101.58 (s) 10
39.1693.0693
.03
11
?=?=
=
-λ
T
平均寿命:
(a)
102.28(s) 10
39.1113
11
?=?=
=
-λ
τ
24、解::
本题所涉及的能量和动量的不确定度约为: ?E≈mπc2, ?p≈?E
c
≈mπc; 根据不
确定关系,位置的不确定值约为?x≈
?p ≈
m c
π
. 按数量级而言,就是核力力程, 所
以有r0≈
m c
π
=1.4?10-15m=1.4 fm
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
第一章原子的核式结构 1.选择题: (1)原子半径的数量级是: A.10-10cm; -8m C. 10-10m -13m (2)原子核式结构模型的提出是根据α粒子散射实验中 A. 绝大多数α粒子散射角接近180? B.α粒子只偏2?~3? C. 以小角散射为主也存在大角散射 D. 以大角散射为主也存在小角散射 (3)用相同能量的α粒子束和质子束分别与金箔正碰,测量金原子核半径的上限. 问用质子束所得结果是用α粒子束所得结果的几倍 A. 1/4 B . 1/2 C . 1 D. 2 (4)动能E K=40keV的α粒子对心接近Pb(z=82)核而产生散射,则最小距离为(m): A.5.910 10- ???如果用相同动能的? B.3.012 10- 质子和氘核同金箔产生散射,那么用质子作为入射粒子测得的金原子半径上限是用氘核子作为入射粒子测得的金原子半径上限的几倍 2 C.1 D .4
(6)在金箔引起的α粒子散射实验中,每10000个对准金箔的α粒子中发现有4个粒子被散射到角度大于5°的范围内.若金箔的厚度增加到4倍,那么被散射的α粒子会有多少 A. 16 (7)在同一α粒子源和散射靶的条件下观察到α粒子被散射在90°和60°角方向上单位立体角内的粒子数之比为: A.4:1 B.2:2 C.1:4 :8 (8)在α粒子散射实验中,若把α粒子换成质子,要想得到α粒子相同的角分布,在散射物不变条件下则必须使: A.质子的速度与α粒子的相同; B.质子的能量与α粒子的相同; C.质子的速度是α粒子的一半; D.质子的能量是α粒子的一半 2.计算题: (1)当一束能量为的α粒子垂直入射到厚度为×10-5cm的金箔上时探测器沿20°方向上每秒记录到×104个α粒子试求: ①仅改变探测器安置方位,沿60°方向每秒可记录到多少个α粒子
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)