原子物理学第一章 练习题
最新原子物理学答案(杨福家-高教第四版)(第一章)无水印-打印版
原子物理学课后答案（第四版）杨福家著高等教育出版社第一章：原子的位形：卢瑟福模型第二章：原子的量子态：波尔模型第三章：量子力学导论第四章：原子的精细结构：电子的自旋第五章：多电子原子：泡利原理第六章：X射线第七章：原子核物理概论第八章：超精细相互作用原子物理学——学习辅导书吕华平刘莉主编（7.3元定价）高等教育出版社第一章习题答案1-1 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粒子的最大偏离角约为410-rad.解：设碰撞以后α粒子的散射角为θ，碰撞参数b 与散射角的关系为2cot 2θa b =(式中Ee Z Z a 02214πε=)碰撞参数b 越小，则散射角θ越大。
也就是说，当α粒子和自由电子对头碰时，θ取得极大值。
此时粒子由于散射引起的动量变化如图所示，粒子的质量远大于自由电子的质量，则对头碰撞后粒子的速度近似不变，仍为，而电子的速度变为，则粒子的动量变化为v m p e 2=∆散射角为410*7.21836*422-=≈≈∆≈v m v m p p e αθ 即最大偏离角约为410-rad.1-2 (1)动能为5.00MeV 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）如果金箔厚为1.0um ，则入射α粒子束以大于︒90散射（称为背散射）的粒子是全部入射粒子的百分之几？ 解：（1）碰撞参数与散射角关系为：2cot 2θa b =(式中Ee Z Z a 02214πε=)库伦散射因子为：Ee Z Z a 02214πε==fm MeV MeV fm 5.45579*2**44.1= 瞄准距离为： fm fm a b 8.2245cot *5.45*212cot 2===︒θ（2）根据碰撞参数与散射角的关系式2cot 2θa b =，可知当︒≥90θ时，)90()(︒≤b b θ，即对于每一个靶核，散射角大于︒90的入射粒子位于)90(︒<b b 的圆盘截面内，该截面面积为)90(2︒=b c πσ，则α粒子束以大于︒90散射的粒子数为：π2Nntb N =' 大于︒90散射的粒子数与全部入射粒子的比为526232210*4.98.22*142.3*10*0.1*19788.18*10*02.6--===='πρπtb M N ntb N N A 1—3 试问：4.5Mev 的α粒子与金核对心碰撞时的最小距离是多少？若把金核改为Li 7核，则结果如何？ 解：（1）由式4—2知α粒子与金核对心碰撞的最小距离为=m r Ee Z Z a 02214πε==fm MeV MeV fm 6.505.479*2**44.1=（2）若改为Li 7核，靶核的质量m '不再远大于入射粒子的质量m ，这时动能k E 要用质心系的能量c E ，由式3—10，3—11知，质心系的能量为：)(212mm mm m v m E u u c +''==式中 得k k k Li He Li k u c E E E A A A E m m m v m E 117747212=+=+≈+''==α粒子与Li 7核对心碰撞的最小距离为：=m r Ee Z Z a 02214πε==fm MeV MeV fm 0.37*5.411*3*2**44.1=1—4 （1）假定金核半径为7.0fm ，试问：入射质子需要多少能量，才能在对头碰撞时刚好到达金核的表面？（2）若金核改为铝核，使质子在对头碰撞时刚好到达铝核的表面，那么，入射质子的能量应为多少？设铝核半径为4.0fm 。
《原子物理与量子力学》一至三章习题解答
转动频率为
4 0 n r me 2
2
2cRH 3 n
n 1
2
RH
4 4 0 3c
2
me 4
m r n fn 2 2r 2mr 2mr
HUST
n 4 2 me 2 4 h 2 n 2 2m 0
( x) 0
II
粒子被完全束缚在势阱中， 在势阱外波函数为0，即 在阱内（0 < x < a），定 态Schrö dinger方程为 方程的通解为
HUST
2 E k 2
2
2 d2 I E I 2 d x 2
d2 I k 2 I 0 d x2
( x ) A sinkx B cos kx
或由牛顿公式：
可得：
f ( xn ) xn1 xn , x0 5.0 f ( x n )
x 4.965
b hc 2.898 10 3 m K 4.965 k
APPLIED PHYSICS 6
若对(v,T) 求导可得： f ( x ) 3(1 Exp[ x]) x 0 x 2.821
I
APPLIED PHYSICS 9
定解（单值、有限、连续）
( 0) ( 0) 0 B 0 ka n I (a ) II (a ) 0 A sin(ka) 0
I II
2 E 2 k 2
定态能级 定态波函数
2 2 n 2 En , n 1,2,3, 2 2 a
0 a 0 0 a a 0
nh 4
4
/2
0
a
0
原子物理学课后习题答案
第一章 原子的基本状况1.1 若卢瑟福散射用的α粒子是放射性物质镭'C 放射的，其动能为67.6810⨯电子伏特。
散射物质是原子序数79Z =的金箔。
试问散射角150οθ=所对应的瞄准距离b 多大？解：根据卢瑟福散射公式：20222442K Mv ctgb b Ze Zeαθπεπε==得到：2192150152212619079(1.6010) 3.97104(48.8510)(7.681010)Ze ctg ctg b K οθαπεπ---⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯⨯米式中212K 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220121()(1)4sinmZe r Mv θπε=+，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：2min202121()(1)4sin Ze r Mv θπε=+ 1929619479(1.6010)1910(1)7.6810 1.6010sin 75ο--⨯⨯⨯=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯143.0210-=⨯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小距离多大？又问如果用同样能量的氘核（氘核带一个e +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：220min124p Ze Mv K r πε==，故有：2min 04p Ze r K πε=19291361979(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。
原子物理学(褚圣麟)完整答案
F 2Ze 2 / 4 R2和F0 2Ze 2r/ 4 R 3 。可见，原0 子表面处粒子所受的斥力最大，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F 2Ze 2 / 4 R2 。可0 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
Z2
Li
Z
2 H
9
c) 第一激发能之比：
E
2 He
E He
1
E2H E 1 H
22 E1 22
E
1
12 22
E1 E
22
12 12 1 12
4
E
2 Li
E Li
1
E2H E 1 H
22 E1 32
E
1
12 22
E1 E
32
12 12 1 12
9
d) 氢原子和类氢离子的广义巴耳末公式：
{ v~ Z R (2
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 e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，散射角为180 。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：
1 Mv2 K 2
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：
1 Mv2 2
2Ze 2 / 4 R 10016 焦耳 103电子伏特
由此可见，具有106 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
原子物理学(第一章)
Mv 2 ctg 4 0 b 2 2 zze
（1）’
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原子物理学
第一章 原子的基本状况
例题1.1 (P18 ，1—5)
动能为1.0MeV 的质子与静止的钍原子核（Z 90 ）发生 弹性碰撞时，在远离原子核的地方相对于初始运动方向 偏转 900 ，试求这一质子对钍核的瞄准距离。
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Thomson，Joseph John 约瑟夫· 约翰· 汤姆逊（1856～1940年）。 1891年用法拉第管开始了原子核结构的 理论研究。他研究了阴极射线在磁场和 电场中的偏转，作了比值e/m（电子的电荷与质量之比） 的测定，结果他从实验上发现了电子的存在。他把电子 看成原子的组成部分，用原子内电子的数目和分布来解 释元素的化学性质。提出了原子模型，把原子看成是一 个带正电的球，电子在球内运动。他还进一步研究了原 子的内部构造和阳极射线。1912年与阿斯顿共同进行阳 极射线的质量分析，发现了氖的同位素。1906年他因在 气体导电研究方面的成就获得了诺贝尔物理学奖。另有， 威廉· 汤姆逊（1824～1907年）。英国物理学家。
1.2 原子的核式结构 二、粒子的散射实验 P9-12 3、解释 P10— （1）用汤姆逊模型解释，遇到困难。P10—11
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原子物理学
第一章 原子的基本状况
1.2 原子的核式结构 二、粒子的散射实验 P9-12 3、解释 P10— （2）用卢瑟福核式结构模型就可以解释。P11-12
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原子物理学
①电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在 一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正 电荷相互抵消。 ②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。
汤姆逊的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射
原子物理习题集
第六章 X射线
• 例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。 • 例2.铝（Al）被高速电子束轰击而产生的连 续X光谱的短波限为5A。问这时是否也能观 察到其标识谱K系线。
• 例3.已知Al和Cu对于λ＝0.7A的X光的质量 吸收系数分别是0.5m2/kg和5.0m2/kg。Al和 Cu的密度分别为2.7×103kg/m3和 8.93×103kg/m3。现若分别单独用Al板或铜 板作挡板，要使波长为0.7A的X光的强度减 至原来强度的1/100，问要选用的Al板或Cu 板应多厚？
• 例7.已知一对正负电子绕共同的质心转动会 暂时形成类似于H原子结构的“正电子素”， 试计算“正电子素”由第一激发态向基态 跃迁发射光谱的波长为多少？ • 例8.某类H原子，它的帕邢系第三条谱线和 H原子的Lyman系第一条谱线的频率几乎一 样，问该原子是何种元素？
• 例9.计算H原子的2p态电子在质子处产生的磁场 （根据玻尔模型作估计） • 例10.在Stern-Gerlach实验中，处于基态的窄银原 子束通过不均匀横向磁场，梯度为103T/m，磁场 横向范围L1＝0.04m，L2=0.10m，原子速度为5 ×102m/s，屏上两束分开的距离为d=0.002m，试 确定原子磁矩在磁场方向上的投影的大小（磁场 边缘的影响可忽略）。
第一章 卢瑟福模型
• 例1.若Rutherford 散射用的α粒子是放射性 物质Ra放射的，其动能是7.68MeV，散射 物质是原子序数Z=79的金箔，试问θ=150。 所对应的瞄准距离b多大？ • 例2. 若用动能为1MeV的质子射入金箔 (Z=79)，问质子与金箔原子核可能达到的 最小距离多大。若用同样能量的D核代替质 子，其与金箔原子核的最小距离是多大？
原子物理学答案
原子物理学习题第一章作业教材 20页 3题：若用动能为 1 MeV 的质子射向金箔，问质子和金箔原子核（Z=79）可以达到的最小距离多大？又问如用同样能量的氕核代替质子，最小距离为多大？解：r m =Z 1*Z 2*e 2/4*π*ε0*E = …… = 1.14 ⨯ 10-13m氕核情况结论相同----------------------------------------------------------------------------------------------- 21页 4题：α粒子的速度为 1.597 ⨯ 107 m/s ，正面垂直入射于厚度为 10-7米、密度为1.932 ⨯104 kg/m 3 的金箔。
试求所有散射在 θ ≥ 90︒ 的α粒子占全部入射粒子的百分比。
金的原子量为197。
解：金原子质量 M Au = 197 ⨯ 1.66 ⨯ 10-27 kg = 3.27 ⨯ 10-25 kg箔中金原子密度 N = ρ/M Au = …… = 5.91 ⨯ 1028个/m 3入射粒子能量 E = 1/2 MV 2= 1/2 ⨯ 4 ⨯ 1.66 ⨯ 10-27kg ⨯ (1.597 ⨯ 107m/s)2= 8.47 ⨯ 10-13J若做相对论修正 E = E 0/(1-V 2/C 2)1/2 = 8.50 ⨯ 10-13 J对心碰撞最短距离 a=Z 1⨯Z 2⨯e 2/4⨯π⨯ε0⨯E = …. = 4.28 ⨯ 10-14 m 百分比d n/n(90︒→180︒)=⎪⎭⎫ ⎝⎛︒-︒⨯90sin 145sin 14222Nta π= … = 8.50 ⨯ 10-4%-----------------------------------------------------------------------------------------------------------21页7题：3.5 MeV α粒子细束射到质量厚度为 0.01 kg/m2 的银箔上（图1-1）。
《原子物理学》第一章习题解答
1第一章习题解答1-1 速度为v 的非相对论α粒子与一静止的自由电子相碰撞，试证明：α粒子的最大偏离角为104- rad 。
证：α粒子在实验系及在质心系下的关系有：粒子在实验系及在质心系下的关系有：a a c c v v v += 由此可得：由此可得：îíì+=+=c c c L cc c L v v v v v v q q q q a aa a cos cos cos cos ①由②解得：由②解得：uC CL +=q qq cos sin tan 其中u=a c c v v ②()c e vm m v m +=aa 00v m m m v ec +=\a a③ ∵ ce c c e v v v v v -=-=a a a ，与坐标系的选择无关，与坐标系的选择无关∴ce c v v v -=a 0 ④又 ∵ 0=+ce e v m v m aa∴0v m m v ece a-= 代入④式，可得：代入④式，可得：0v m m m v e ec aa +=由此可以得到：ec m m v v a a = 代入②式中，可以得到：代入②式中，可以得到：rad m m m m ecec L 410cos sin tan -»£+=aa q q q 证毕。
证毕。
a c vce ve v c va v1-2 (1)(1)动能为动能为5.00Mev 的α粒子被金核以9090°散射时，它的瞄准距离（碰撞参°散射时，它的瞄准距离（碰撞参数）为多大？数）为多大？（2）如果金箔厚1.01.0µµm ，则上述入射α粒子束以大于9090°散射°散射（称为背散射）的粒子数是全部入射例子的百分之几？的粒子数是全部入射例子的百分之几？ 解：（１）由库仑散射公式可得（１）由库仑散射公式可得: :b =2a cot 2q =21E e Z Z 02214pe cot 2q =21´E Z Z 21´24pee cot 4p =21´5792´´1.44´1=22.752 fm（2）在大于9090°的情况下，相对粒子数为°的情况下，相对粒子数为°的情况下，相对粒子数为: :òN dN '＝nt(E Z Z 421´024pe e )2òW 2sin4q d =t N M A A r (E Z Z 421´024pe e )2q q qp ppdò242sin sin 2 =9.4´105-1-3 试问：4.5Mev 的α粒子与金核对心碰撞的最小距离是多少？若把金核改为7Li 核，则结果如何？核，则结果如何？解：α粒子与金核对心碰撞时金核可看作静止，由此可得到最小距离为：粒子与金核对心碰撞时金核可看作静止，由此可得到最小距离为：r m =a=Ee Z Z 02214pe =EZZ 21´24pe e =1.44´105-´5792´»50.56 fmα粒子与7Li 核对心碰撞时，我们可以在质心系下考虑，我们可以在质心系下考虑，此时此时α粒子与金核相对于质心的和动量为零，质心系能量为各粒子相对于质心的动能之和，因此有：于质心的和动量为零，质心系能量为各粒子相对于质心的动能之和，因此有：221v ECm =＝m r e Z Z 02214pe ＋０＝L Li LiE m m m +a 其中L E ＝21mv 2为入射粒子实验室动能，由此可以得到为入射粒子实验室动能，由此可以得到m r =024pe e LE Z Z 21LiLim mm +a＝3.02 fm1-4 （1）假定金核的半径为7.0fm 试问：入射质子需要多少能量，才能在对头碰撞时刚好到达金核的表面？碰撞时刚好到达金核的表面？（2）若金核改为铝核，使质子在对头碰撞时刚好到达铝核表面，那么，入射质子的能量应为多少？设铝核半径为4.0fm. 解：仍然在质心系下考虑粒子的运动，由１仍然在质心系下考虑粒子的运动，由１--３题可知：ＥC ＝mr e Z Z 02214pe (1)(1)对金核可视为静止，对金核可视为静止，实验系动能与质心系动能相等，由此得到由此得到 Ｅ＝Ｅ＝Ｅ＝16.25Mev 16.25Mev (2)(2)对铝核，Ｅ＝对铝核，Ｅ＝对铝核，Ｅ＝1.441.44´AlAlp m m m +´413=4.85Mev1-5 动能为动能为1.0Mev 的窄质子束垂直地射在质量厚度为1.5mg/cm 2的金箔上，计数器纪录以6060°角散射的质子，计数器圆形输入孔的面积为°角散射的质子，计数器圆形输入孔的面积为1.5cm 1.5cm²，离金箔散²，离金箔散射区的距离为10cm 10cm，输入孔对着且垂直于射到它上面的质子。
原子物理学习题（可编辑）
原子物理学习题原子物理学习题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 B10-8m C 10-10m D10-13m2 原子核式结构模型的提出是根据粒子散射实验中A 绝大多数粒子散射角接近180 B粒子只偏2～3C 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进行卢瑟福理论实验验证时发现小角散射与实验不符这说明A 原子不一定存在核式结构B 散射物太厚C 卢瑟福理论是错误的D 小角散射时一次散射理论不成立4 用相同能量的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粒子束所得结果的几倍A 14B 12C 1D 25 动能EK 40keV的粒子对心接近Pb z 82 核而产生散射则最小距离为mA59 B30 C5910-12 D5910-146 如果用相同动能的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A2 B12 C1 D 47 在金箔引起的粒子散射实验中每10000个对准金箔的粒子中发现有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倍那么被散射的粒子会有多少A 16 B8 C4 D28在同一粒子源和散射靶的条件下观察到粒子被散射在90°和60°角方向上单位立体角内的粒子数之比为A．41 B2 C14 D189在粒子散射实验中若把粒子换成质子要想得到粒子相同的角分布在散射物不变条件下则必须使A质子的速度与粒子的相同 B．质子的能量与粒子的相同C．质子的速度是粒子的一半 D．质子的能量是粒子的一半2．简答题1简述卢瑟福原子有核模型的要点2简述粒子散射实验粒子大角散射的结果说明了什么3什么是微分散射截面简述其物理意义4α粒子在散射角很小时发现卢瑟福公式与实验有显著偏离这是什么原因5为什么说实验证实了卢瑟福公式的正确性就是证实了原子的核式结构6用较重的带负电的粒子代替α粒子作散射实验会产生什么结果中性粒子代替α粒子作同样的实验是否可行为什么7在散射物质比较厚时能否应用卢瑟福公式为什么8普朗光量子假说的基本内容是什么与经典物理有何矛盾9为什么说爱因斯坦的光量子假设是普朗克的能量子假设的发展10何谓绝对黑体下述各物体是否是绝对黑体a 不辐射可见光的物体b 不辐射任何光线的物体c 不能反射可见光的物体d 不能反射任何光线的物体e 开有小孔空腔3．计算题1当一束能量为48Mev的粒子垂直入射到厚度为40³10-5cm的金箔上时探测器沿20°方向上每秒记录到20³104个粒子试求①仅改变探测器安置方位沿60°方向每秒可记录到多少个粒子②若粒子能量减少一半则沿20°方向每秒可测得多少个粒子③粒子能量仍为48MeV而将金箔换成厚度的铝箔则沿20°方向每秒可记录到多少个粒子ρ金＝193gcm3 ρ铅＝27g cm3A金＝179 A铝＝27Z金＝79 Z铝＝132 试证明α粒子散射中α粒子与原子核对心碰撞时两者之间的最小距离是散射角为900时相对应的瞄准距离的两倍3 10Mev的质子射到铜箔片上已知铜的Z 29 试求质子散射角为900时的瞄准距离b和最接近于核的距离rm4动能为50MeV的粒子被金核散射试问当瞄准距离分别为1fm和10fm时散射角各为多大5假设金核半径为70fm试问入设质子需要多大能量才能在对头碰撞时刚好到达金核表面6在粒子散射实验中如果用银箔代替金箔二者厚度相同那么在同样的偏转方向同样的角度间隔内散射的粒子数将减小为原来的几分之几银的密度为106公斤／分米3原子量为108金的密度为193公斤／分米3原子量197 7能量为35MeV的细粒子束射到单位面积质量为105³10-2kg／m2的银箔上如题图所示粒子与银箔表面成60o角在离入射线成＝20o的方向上离银箔散射区距离L＝012米处放一窗口面积为60³10-5m2的计数器测得散射进此窗口的粒子是全部入射粒子的百分之29若已知银原子量为1079试求银的核电核数Z 第二章玻尔氢原子理论1选择题1 若氢原子被激发到主量子数为n的能级当产生能级跃迁时可能发生的所有谱线总条数应为A．n-1 B n n-1 2 C n n1 2 D n2 氢原子光谱赖曼系和巴耳末系的系线限波长分别为AR4 和R9 BR 和R4 C4R 和9R D1R 和4R3 氢原子赖曼系的线系限波数为R则氢原子的电离电势为A．3Rhc4 B Rhc C3Rhc4e D Rhce4 氢原子基态的电离电势和第一激发电势分别是A．136V和102V B –136V和-102V C136V和34V D –136V和-34V5 由玻尔氢原子理论得出的第一玻尔半径的数值是A529m B0529³10-10m C 529³10-12m D529³10-12m6 根据玻尔理论若将氢原子激发到n 5的状态则A可能出现10条谱线分别属四个线系 B可能出现9条谱线分别属3个线系C可能出现11条谱线分别属5个线系 D可能出现1条谱线属赖曼系7 欲使处于激发态的氢原子发出线则至少需提供多少能量eVA136 B1209 C102 D348 氢原子被激发后其电子处在第四轨道上运动按照玻尔理论在观测时间内最多能看到几条线A1 B6 C4 D39 氢原子光谱由莱曼巴耳末帕邢布喇开系组成为获得红外波段原子发射光谱则轰击基态氢原子的最小动能为A 066 eV B1209eV C102eV D1257eV10 用能量为127eV的电子去激发基态氢原子时受激氢原子向低能级跃迁时最多可能出现几条光谱线不考虑自旋A．3 B10 C1 D411 有速度为1875的自由电子被一质子俘获放出一个光子而形成基态氢原子则光子的频率Hz为A．3310 B2410 C5710 D211012 按照玻尔理论基态氢原子中电子绕核运动的线速度约为光速的A110倍 B1100倍 C 1137倍 D1237倍13 玻尔磁子为多少焦耳／特斯拉A．0927 B0927 C 0927 D 092714已知一对正负电子绕其共同的质心转动会暂时形成类似于氢原子的结构的正电子素那么该正电子素由第一激发态跃迁时发射光谱线的波长应为A．3 8 B34 C83 D4315 象子带有一个单位负电荷通过物质时有些在核附近的轨道上将被俘获而形成原子那么原子基态轨道半径与相应的电子轨道半径之比为子的质量为m 206meA1206 B1 206 2 C206 D206216 电子偶素是由电子和正电子组成的原子基态电离能量为A-34eV B34eV C68eV D-68eV17 根据玻尔理论可知氦离子He的第一轨道半径是A．2 B 4 C 2 D 418 一次电离的氦离子 He处于第一激发态n 2时电子的轨道半径为A05310-10m B10610-10m C21210-10m D02610-10m19 假设氦原子Z 2的一个电子已被电离如果还想把另一个电子电离若以eV为单位至少需提供的能量为A．544 B-544 C136 D3420在He离子中基态电子的结合能是A272eV B544eV C1977eV D2417eV21 夫赫实验的结果表明A电子自旋的存在 B原子能量量子化 C原子具有磁性 D原子角动量量子化22夫赫实验使用的充气三极管是在A相对阴极来说板极上加正向电压栅极上加负电压B板极相对栅极是负电压栅极相对阴极是正电压C板极相对栅极是正电压栅极相对阴极是负电压D相对阴极来说板极加负电压栅极加正电压23处于基态的氢原子被能量为1209eV的光子激发后其轨道半径增为原来的A．4倍 B3倍 C9倍 D16倍24氢原子处于基态吸收 1026的光子后电子的轨道磁矩为原来的倍A．3 B 2 C不变 D92．简答题119世纪末经典物理出现哪些无法解决的矛盾2用简要的语言叙述玻尔理论并根据你的叙述导出氢原子基态能量表达式3写出下列物理量的符号及其推荐值用国际单位制真空的光速普朗克常数玻尔半径玻尔磁子玻尔兹曼常数万有引力恒量4解释下列概念光谱项定态简并电子的轨道磁矩对应原理5简述玻尔对原子结构的理论的贡献和玻尔理论的地位与不足6 波尔理论的核心是什么其中那些理论对整个微观理论都适用7 为什么通常总把氢原子中电子状态能量作为整个氢原子的状态能量8 对波尔的氢原子在量子态时势能是负的且数值大于动能这意味着什么当氢原子总能量为正时又是什么状态9 为什么氢原子能级随着能量的增加越来越密10分别用入射粒子撞击氢原子和氦粒子要使它们在量子数n相同的相邻能级之间激发问在哪一种情况下入射粒子必须具有较大的能量11当原子从一种状态跃迁到另一种状态时下列物理量中那些是守恒的总电荷总电子数总光子数原子的能量总能量原子的角动量原子的线动量总线动量12处于n 3的激发态的氢原子a 可能产生多少条谱线b 能否发射红外线c 能否吸收红外线13 有人说原子辐射跃迁所相应的两个状态能量相差越大其相应的辐射波长越长这种说法对不对14 具有磁矩的原子在横向均匀磁场和横向非均匀磁场中运动时有什么不同15 要确定一个原子的状态需要哪些量子数16 解释下述的概念或物理量并注意它们之间的关系激发和辐射定态基态激发态和电离态能级和光谱项线系和线系限激发能电离能激发电位共振电位电离电位辐射跃迁与非辐射跃迁3．计算题1 单色光照射使处于基态的氢原子激发受激发的氢原子向低能级跃迁时可能发出10条谱线问①入射光的能量为多少②其中波长最长的一条谱线的波长为多少hc 12400eV²2②n 5时正电子素的电离能已知玻尔半径 05293 不计电子自旋当电子在垂直于均匀磁场的平面内运动时试用玻尔理论求电子动态轨道半径和能级提示4 氢原子巴尔末系的第一条谱线与He离子毕克林系的第二条谱线 6→4 两者之间的波长差是多少 RH 109678³10-3 RHe 109722³10-35 设氢原子光谱的巴耳末系的第一条谱线的波长为第二条谱线的波长为试证明帕邢系的第一条谱线的波长为6 一个光子电离处于基态的氢原子被电离的自由电子又被氦原子核俘获形成处于能级的氦离子He同时放出波长为500nm的光子求原入射光子的能量和自由电子的动能并用能级图表示整个过程7 在天文上可观察到氢原子高激发态之间的跃迁如与之间请计算此跃迁的波长和频率8 He离子毕克林系的第一条谱线的波长与氢原子的巴耳末系线相近为使基态的He离子激发并发出这条谱线必须至少用多大的动能的电子去轰击它9 试用光谱的精细结构常数表示处于基态的氢原子中电子的速度轨道半径氢原子的电离电势和里德伯常数10 计算氢原子中电子从量子数为的状态跃迁到的状态时所发出谱线的频率11 试估算一次电离的氦离子二次电离的锂离子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12LiZ＝3原子其主线系光谱的波数公式已知Li原子电离成Li＋＋＋离子需要20344eV的能量问如要把Li＋粒子电离为Li＋＋离子需要多少能量13设在斯特恩-格拉赫实验中不均匀磁场长度为从不均匀磁场的端点到屏的距离银原子的速度试求屏上两银原子条纹之间的间距已知银原子的质量基态银原子磁矩在空间任意方向的量子化取值14试计算赖曼系巴尔末系和帕邢系的波长范围即求出每个线系的最短波长和最长波长的值确定它们所属的光谱区域15氢原子的下列谱线各属哪个线系9704341与9546它们各相应于什么跃迁16当氢原子放出光子时由于光子具有能量而使氢原子受到反冲证明此时光波波长变化为17试问二次电离的锂离子Li 从其第一激发态向基态跃迁时发出的光子是否有可能使处于基态的一次电离的氦离子He的电子电离掉18试确定氢原子放射波长为12818的谱线时氢原子电子角动量的变化已知给定的谱线属于帕邢系RH 10967758107米-119在受到单能量电子照射时原子态氢发射出波长为 0122m的光子试求电子的能量并确定原子受到电子撞击后跃迁到哪一个激发态20某类氢原子它的帕邢系第三条谱线和氢原子的赖曼系第一条谱线的频率几乎一样问该原子是何元素21试计算氢原子n 3 的各电子轨道的偏心率和长短半轴的值22计算208Pb Z 82 原子第一玻尔轨道的半径和能量以及在第一赖曼跃迁从n2 2 n1 1 中所产生的光子的能量是多少第三章量子力学初步1．选择题1为了证实德布罗意假设戴维孙革末于1927年在镍单晶体上做了电子衍射实验从而证明了A电子的波动性和粒子性 B电子的波动性 C电子的粒子性 D所有粒子具有二项性2 德布罗意假设可归结为下列关系式A E h p BE P C E h p D E p3 为使电子的德布罗意假设波长为100埃应加多大的加速电压A．1151106V B244V C244105V D151V4基于德布罗意假设得出的公式的适用条件是A自由电子非相对论近似 B一切实物粒子非相对论近似C被电场束缚的电子相对论结果 D带电的任何粒子非相对论近似5如果一个原子处于某能态的时间为10-7S原子这个能态能量的最小不确定数量级为以焦耳为单位A．10-34 B10-27 C10-24 D10-306将一质子束缚在10-13cm的线度内则估计其动能的量级为A eVB MeVC GeV D10-20J7 按量子力学原理原子状态用波函数来描述不考虑电子自旋对氢原子当有确定主量子数n时对应的状态数是A．2n B2n1 Cn2 D2n28 按量子力学原理原子状态用波函数来描述不考虑电子自旋对氢原子当确定后对应的状态数为An2 B2n C D219 按原子力学原理原子状态用波函数来描述考虑电子自旋对氢原子当确定后对应的状态数为A2 21 B21 C n Dn210 按量子力学原理原子状态用波函数来描述考虑自旋对氢原子当m确定后对应的状态数为A1 B2 C21 D n3．简答题1波恩对波函数作出什么样的解释2请回答测不准关系的主要内容和物理实质3为什么说德布罗意是量子力学的创始人贡献如何4何谓定态定态波函数具有何种形式5波函数满足标准条件是什么写出波函数的归一化条件6 量子力学是在什么基础上建立起来的它与旧量子论的根本区别是什么7 微观粒子的状态用什么来描述为什么8 如何理解微观粒子的波粒二相性对于运动着的宏观实物粒子为什么不考虑它们的波动性9 微观粒子在不运动相对静止的时候能否显示出波动性又能否显示出粒子性10a 能否用相对论的质量与速度关系式求得光子的质量b 不同波长的光子质量同否11 当中子和光子的波长相同时它们的动量和总能量是否相同12 怎样理解测不准关系13按照光的波动说光强与什么成正比按照光的粒子说光强度又与什么成正比怎样才能把这两种学说联系起来14ψ xyz 表示波函数问各表示什么物理意义15用角动量来表示测不准关系时将具有怎样的形式16何谓定态解定态问题的方法和步骤是什么17用量子力学解氢原子问题得出哪些主要结果这些结果与旧量子论有何区别与联系这说明了什么问题18为什么玻尔轨道这个概念违反测不准关系3．计算题1电子显微镜中的电子从静止开始通过电势差为的静电场加速后其德布罗意波长为求加速电势差2试画出时电子轨道角动量在磁场中空间量子化示意图并标出电子轨道角动量在外磁场方向的投影的各种可能值3若一个电子的动能等于它的静止能量试求1该电子速度为多大2其相应的德布罗意波长是多少4一个电子被禁闭在线度为10fm的区域内这正是原子核线度的数量级试计算它的最小动能为多少5 如果普朗克常数是6600J S而不是66 10-34J S我们的世界会复杂得多在这种情况下一个体重100Kg的足球运动员以50m s-1的速度奔跑它的德布罗意波长是多大由对面的运动员看来他的位置的最小不确定量是多大6氢原子的基态波函数试求1在r-rdr范围内发现电子的几率2r取何值时几率最大 3 计算能量角动量及角动量在Z方向的投影P Z7 线性谐振子的基态波函数和第一激发态的波函数分别为式中为弹性系数试求线性谐振子在基态和第一激发态时几率出现最大值时的位置8氢原子处于的状态试求1状态能量2角动量3角动量的分量4经向几率分布函数和角向几率分布函数9 典型的原子核半径约为50fm设核内质子的位置不确定量为50fm试求质子动量的最小不确定量为多少10 粒子位于一维对称势场中势场形式为1试推导粒子在 E V0 情况下其总能量E满足的关系式2 试使用1中导出的关系式以图解法证明粒子的能量只能是一些不连续的值11设原子的线度为10-10m的数量级原子核的线度为10-14的数量级已知电子的质量质子质量求电子在原子中的能量和质子在原子核中的能量12计算宽度为1埃的无限深势阱中n 12310100问各能态电子的能量如果势阱宽为1cm则又如何13在一维无限深方势阱中当粒子处于 1和 2时求发现粒子几率最大的位置14当一电子束通过08Wb²m-2的匀强磁场时自旋取向与此磁场顺向和反向的两种电子的能量差是多少15光子与电子的波长都是20埃它们的动量和能量都相等否16试描绘原子中L 4时电子动量矩L在磁场中空间量子化的示意图并写出L 在磁场方向的分量LZ的各种可能的值17求粒子在一维无限深势阱中的能量和波函数第四章碱金属原子1选择题1单个f 电子总角动量量子数的可能值为A j 3210B j ±3C j ±72 ± 52D j 52 722单个d 电子的总角动量投影的可能值为A23 B34 C D32523已知一个价电子的试由求的可能值A 3212 -12 -32B 32 12 12 -12 -12-32C 3212 0-12 -32D 3212 12 0-12 -12-324锂原子光谱由主线系第一辅线系第二辅线系及柏格曼系组成这些谱线系中全部谱线在可见光区只有A主线系 B第一辅线系 C第二辅线系 D柏格曼系5锂原子主线系的谱线在不考虑精细结构时其波数公式的正确表达式应为A B C． D．6碱金属原子的光谱项为AT Rn2 B T Z2Rn2 C T Rn2 D T RZ2n27锂原子从3P态向基态跃迁时产生多少条被选择定则允许的谱线不考虑精细结构A一条 B三条 C四条 D六条8已知锂原子光谱主线系最长波长为6707埃辅线系线系限波长为3519埃则Li原子的电离电势为A．538V B185V C353V D914V9钠原子基项3S的量子改正数为137试确定该原子的电离电势A0514V B151V C512V D914V10 碱金属原子能级的双重结构是由于下列哪一项产生A相对论效应 B原子实的极化C价电子的轨道贯穿 D价电子的自旋－轨道相互作用11 产生钠的两条黄谱线的跃迁是A2P12→2S12 2P12→2S12 B 2S12→2P12 2S12→2P32C 2D32→2P12 2D32→2P32D 2D32→2P12 2D32→2P3212若已知K原子共振线双重成分的波长等于769898埃和76649埃则该原子4p能级的裂距为多少eVA74³10-2 B 74³10-3 C 74³10-4 D 74³10-513对锂原子主线系的谱线考虑精细结构后其波数公式的正确表达式应为A 22S12-n2P12 22S12-n2P32B 22S12 n2P32 22S12 n2P12C n2P32-22S12 n2P12-22S32D n2P32 n2P32 n2P12 n21214碱金属原子光谱精细结构形成的根本物理原因A电子自旋的存在 B观察仪器分辨率的提高C选择定则的提出 D轨道角动量的量子化15已知钠光谱的主线系的第一条谱线由 1 5890埃和 2 5896埃的双线组成则第二辅线系极限的双线间距以电子伏特为单位A0 B214 10-3 C207 10-3 D342 10-216考虑电子自旋碱金属原子光谱中每一条谱线分裂成两条且两条线的间隔随波数增加而减少的是什么线系A主线系 B锐线系 C漫线系 D基线系17如果是单电子原子中电子的轨道角动量量子数则偶极距跃迁选择定则为A B 或 1 C D18碱金属原子的价电子处于n＝3 ＝1的状态其精细结构的状态符号应为A 32S1232S32 B3P123P32 C 32P1232P32 D 32D3232D5219下列哪种原子状态在碱金属原子中是不存在的A 12S12B 22S12C 32P12D 32S1232D5220对碱金属原子的精细结构12S12 12P12 32D52 42F5222D32这些状态中实际存在的是A12S1232D5242F52 B12S12 12P12 42F52 C12P1232D5222D32 D32D52 42F5222D3221氢原子光谱形成的精细结构不考虑蓝姆移动是由于A自旋－轨道耦合 B相对论修正和极化贯穿C自旋－轨道耦合和相对论修正 D极化贯穿自旋－轨道耦合和相对论修正22对氢原子考虑精细结构之后其赖曼系一般结构的每一条谱线应分裂为A二条 B三条 C五条 D不分裂23考虑精细结构不考虑蓝姆位移氢光谱Hα线应具有A双线 B三线 C五线 D七线24氢原子巴尔末系的谱线计及精细结构以后每一条谱线都分裂为五个但如果再考虑蓝姆位移其谱线分裂条数为A五条 B六条 C七条 D八条25已知锂原子主线系最长波长为 1 67074埃第二辅线系的线系限波长为3519埃则锂原子的第一激发电势和电离电势依次为已知R＝109729 107m-1A085eV538eV B185V538V C085V538V D1385eV538eV26钠原子由nS跃迁到3D态和由nD跃迁到3P态产生的谱线分别属于A第一辅线系和基线系 B柏格曼系和锐线系C主线系和第一辅线系 D第二辅线系和漫线系27d电子的总角动量取值可能为A B C D2．简答题1碱金属原子能级与轨道角量子数有关的原因是什么造成碱金属原子精细能级的原因是什么为什么态不分裂态分裂为两层2造成氢原子精细能级和光谱的原因是什么3试由氢原子能量的狄拉克公式出发画出巴尔末系第一条谱线分裂后的能级跃迁图并写出各自成分的波数表达式4简述碱金属原子光谱的精细结构实验现象及解释5什么叫原子实碱金属原子的价电子的运动有何特点它给原子的能级带来什么影响6碱金属原子的能级或光谱项与氢或类氢原子有何不同这是什么原因引起的为什么这种差别当量子数很大时又消失了7电子自旋是怎样产生的电子自旋是电子的固有属性的含义是什么为什么不能把电子自旋理解为电子绕其对称轴的自转8对碱金属原子原子态和电子态有何联系表示符号上有何区别9为什么谱项S项的精细结构是单层的PDF等项总是双层的试从碱金属的光谱双线的规律性和从电子自旋与轨道相互作用的物理概念的两方面分别说明之10考虑自旋后碱金属原子的能级怎样确定和表示11以钠为例碱金属原子的四个光谱线系的精细结构公式如何表达12氢或类氢原子的精细结构能级与碱金属精细结构能级有何不同13电子自旋有何实验验证为什么试举例说明14电子自旋与其轨道运动的相互作用是何种性质的作用这种作用的数量级若用电子伏表示是多少3．计算题1锂原子的基态光谱项值T2S＝43484cm-1若已知直接跃迁3P 3S产生波长为3233埃的谱线试问当被激发原子由3P态到2S态时还会产生哪些谱线求出这些谱线的波长R＝10972 10-3埃-12已知铍离子Be主线系第一条谱线及线系限波长分别为3210埃和683埃试计算该离子S项和P项的量子亏损以及锐线系第一条谱线的波长3锂原子的基态是当处于激发态的锂原子向低能级跃迁时可能产生几条谱线不考虑精细结构这些谱线中哪些属于你知道的谱线系的同时写出所属谱线系的名称及波数表达式试画出有关的能级跃迁图在图中标出各能级的光谱项符号并用箭头都标出各种可能的跃迁4 ①试写出钠原子主线系第一辅线系第二辅线系和伯格曼系的波数表达式②已知求钠原子的电离电势③若不考虑精细结构则钠原子自态向低能级跃迁时可产生几条谱线是哪两个能级间的跃迁各对应哪个线系的谱线④若考虑精细结构则上问中谱线分别是几线结构用光谱项表达式表示出相应的跃迁5 已知锂原子基态的光谱项T2S 43484cm-1共振线即主线系第一条谱线波长为6707 试计算锂原子的电离电势和第一激发电势6 已知锂原子光谱项的量子数修正值 s 0 40 p 0 05试估算处于3s 激发态的锂原子向较低能级跃迁时可观察到的谱线的波长不考虑精细结构7 钠原子的基态为3S其电离电势和第一激发电势分别为5139V和2 104V。
《原子物理学》第一章习题解答
第一章习题解答1-1 速度为v 的非相对论α粒子与一静止的自由电子相碰撞，试证明：α粒子的最大偏离角为104- rad 。
证：α粒子在实验系及在质心系下的关系有：ααc c v v v +=由此可得：⎩⎨⎧+=+=c c c L c c c L v v v v v v θθθθααααcos cos cos cos ①由②解得：uC CL +=θθθcos sin tan 其中u=αc c v v ②()c e v m m v m +=αα0 0v m m m v ec +=∴αα③∵ ce c c e v v v v v -=-=ααα，与坐标系的选择无关∴ce c v v v -=α0 ④又 ∵ 0=+ce e v m v m αα∴0v m m v ece α-= 代入④式，可得：0v m m m v e ec αα+=由此可以得到：ec m m v v αα=代入②式中，可以得到： rad m m m m ec ec L 410cos sin tan -≈≤+=ααθθθ 证毕。
1-2 (1)动能为5.00Mev 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1.0µm ，则上述入射α粒子束以大于90°散射（称为背散射）的粒子数是全部入射例子的百分之几？ 解：（１）由库仑散射公式可得:b =2a cot 2θ=21E e Z Z 02214πεcot 2θ=21⨯E Z Z 21⨯24πεe cot 4π =21⨯5792⨯⨯1.44⨯1=22.752 fm（2）在大于90°的情况下，相对粒子数为:⎰N dN '＝nt(E Z Z 421⨯24πεe )2⎰Ω2sin4θd =t N M A A ρ(E Z Z 421⨯024πεe )2θθθπππd ⎰242sinsin 2=9.4⨯105-1-3 试问：4.5Mev 的α粒子与金核对心碰撞的最小距离是多少？若把金核改为7Li 核，则结果如何？解：α粒子与金核对心碰撞时金核可看作静止，由此可得到最小距离为：r m =a=E e Z Z 02214πε=E Z Z 21⨯24πεe =1.44⨯105-⨯5792⨯≈50.56 fmα粒子与7Li 核对心碰撞时，我们可以在质心系下考虑，此时α粒子与金核相对于质心的和动量为零，质心系能量为各粒子相对于质心的动能之和，因此有：221v E C μ=＝mr e Z Z 02214πε＋０＝L Li Li E m m m +α其中L E ＝21mv 2为入射粒子实验室动能，由此可以得到m r =024πεe LE Z Z 21Li Lim m m +α＝3.02 fm1-4 （1）假定金核的半径为7.0fm 试问：入射质子需要多少能量，才能在对头碰撞时刚好到达金核的表面？（2）若金核改为铝核，使质子在对头碰撞时刚好到达铝核表面，那么，入射质子的能量应为多少？设铝核半径为4.0fm. 解：仍然在质心系下考虑粒子的运动，由１-３题可知：ＥC ＝mr e Z Z 02214πε(1)对金核可视为静止，实验系动能与质心系动能相等，由此得到 Ｅ＝16.25Mev(2)对铝核，Ｅ＝1.44⨯Al Al p m m m +⨯413=4.85Mev1-5 动能为1.0Mev 的窄质子束垂直地射在质量厚度为1.5mg/cm 2的金箔上，计数器纪录以60°角散射的质子，计数器圆形输入孔的面积为1.5cm ²，离金箔散射区的距离为10cm ，输入孔对着且垂直于射到它上面的质子。
原子物理学习题解答
原子物理学习题解答第一章 原子的基本状况1.1 若卢瑟福散射用的α粒子是放射性物质镭'C 放射的，其动能为67.6810⨯电子伏特。
散射物质是原子序数79Z =的金箔。
试问散射角150οθ=所对应的瞄准距离b 多大？解：根据卢瑟福散射公式：20222442K Mv ctgb b Ze Zeαθπεπε==得到：2192150152212619079(1.6010) 3.97104(48.8510)(7.681010)Ze ctg ctg b K οθαπεπ---⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯⨯米 式中212K Mvα=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2202121()(1)4sin mZe r Mv θπε=+ ，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：2min202121()(1)4sin Ze r Mv θπε=+ 1929619479(1.6010)1910(1)7.6810 1.6010sin 75ο--⨯⨯⨯=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯143.0210-=⨯米1.3 钋放射的一种α粒子的速度为71.59710⨯米/秒，正面垂直入射于厚度为710-米、密度为41.93210⨯3/公斤米的金箔。
试求所有散射在90οθ>的α粒子占全部入射粒子数的百分比。
已知金的原子量为197。
解：散射角在d θθθ+ 之间的α粒子数dn 与入射到箔上的总粒子数n 的比是：dnNtd nσ=其中单位体积中的金原子数：0//Au Au Nm N A ρρ==而散射角大于090的粒子数为：2'dndn nNt d ππσ=⎰=⎰所以有：2'dn Nt d nππσ=⎰22218002903cos122()()4sin 2AuN Ze t d A Mu οοθρπθθπε=⋅⋅⎰ 等式右边的积分：180180909033cos sin 2221sin sin 22d I d οοοοθθθθθ=⎰=⎰=故'22202012()()4Au N dn Ze t n A Mu ρππε=⋅⋅ 648.5108.510--≈⨯=⨯即速度为71.59710/⨯米秒的α粒子在金箔上散射，散射角大于90ο以上的粒子数大约是4008.510-⨯。
《原子物理学》习题答案(褚圣麟 版)
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： v , v ', 0, ve 。根据动量守恒定律，得：
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原子物理学习题解答
刘富义 编
临沂师范学院物理系 理论物理教研室
第一章 原子的基本状况
2
所以有：
d n n
'
N t d
2
N0 1 t ( A Au 4
0
cos 2 2 Z e 80 2 d )2 ( ) 2 1 90 Mu2 3 s in 2
等式右边的积分： I
180 90
d sin 2 d 2 180 2 1 90 sin 3 sin 3 2 2
由上式看出： rmin 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 1.14 10
原子物理学杨福家1-6章-课后习题标准答案
原子物理学课后前六章答案（第四版）杨福家著(高等教育出版社)第一章：原子的位形：卢瑟福模型 第二章：原子的量子态：波尔模型 第三章：量子力学导论第四章：原子的精细结构：电子的自旋 第五章：多电子原子：泡利原理 第六章：X 射线第一章 习题1、2解1.1 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粒子的最大偏离角约为10-4rad.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me 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）ϕθααcos cos v m V M V M e +'= （2） ϕθαsin sin 0v m V M e -'= （3）作运算：（2）×sin θ±(3)×cos θ,（4）（5）再将（4）、（5）二式与（1）式联立，消去Ｖ’与v化简上式，得（６）θϕμϕθμ222s i n s i n )(s i n +=+ （７）视θ为φ的函数θ（φ），对（7）式求θ的极值，有令sin2(θ+φ)-sin2φ=0 即 2cos(θ+2φ)sin θ=0若 sin θ=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θϕμϕμ2202)(90sin sin sin +=-θ≈10-4弧度（极大）此题得证。
1.2（1）动能为5.00MeV 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1.0 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？要点分析:第二问是90°～180°范围的积分.关键要知道n, 注意推导出n 值.其他值从书中参考列表中找.解：（1）依金的原子序数Z2=79答：散射角为90º所对所对应的瞄准距离为22.8fm.(2)解: 第二问解的要点是注意将大于90°的散射全部积分出来. (问题不知道nA,但可从密度与原子量关系找出)从书后物质密度表和原子量表中查出ZAu=79,AAu=197, ρAu=1.888×104kg/m3依θa 2sin即单位体积内的粒子数为密度除以摩尔质量数乘以阿伏加德罗常数。
原子物理学第1章习题
6. 已知α粒子质量比电子质量大7300倍。试利用中性粒子碰撞 来证明： α粒子散射“受电子的影响是微不足道的”
证明：对于弹性碰撞，碰撞前后能量守恒，动量守恒，有
v1
(m1
m2 )v10 2m2v20 m1 m2
, v2
(m2
m1)v20 m1 m2
2m1v10
根据题意，α粒子的质量 m m1 7300me 7300m2
解：由汤姆逊模型α粒子与铅原子在球面处的相互作用能为
r
R, E球面
1
40
2 Ze2 r
2.36103 MeV
r R, E
1
2e
Ze
4 3
r3
/(
4 3
R3)
1
2 Ze2r2
40
r
40 R3
最大值为E球面，根据能量守恒定律， 106电子伏特的α粒子射向铅原子时， α粒子与铅原子的相互作用能量不能 完全抵消α粒子的动能，所以α粒子 将继续沿原来方向前进，这样的α粒 子不可能被具有上述设想结构的原子 产生散射角大于90°的散射，与实验 结果不符，所以说明原子的汤姆逊模 型是不成立的。
1.卢瑟福散射的 粒子的动能为7.68×106eV，金箔的原子序
数Z=79。求散射角为θ=150o所对应的瞄准距离多大？
解：由
ctg
2
4 0
Mv2 2Ze2
b
得到瞄准距离
b
2Ze2
4 0 Mv 2
ctg
2
k
Ze2 EK
ctg
2
9 109
79 (1.6 1019 )2 7.68106 1.6 1019
ctg
150 2
原子物理学第一章 练习题
原子物理学第一章练习题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; B.10-8m C. 10-10m D.10-13m (2)原子核式结构模型的提出是根据?粒子散射实验中A. 绝大多数?粒子散射角接近180B.?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?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?粒子束所得结果的几倍？A. 1/4 B . 1/2 C . 1 D. 2 (4)动能EK=40keV的?粒子对心接近Pb(z=82)核而产生散射,则最小距离为（m）：A.5.9?10B.3.0?10C.5.9?10-12D.5.9?10-14?10?12(5)如果用相同动能的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？A.2B.1/2C.1 D .4(6)在金箔引起的?粒子散射实验中,每10000个对准金箔的?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?粒子会有多少？A. 16B.8C.4D.2 (7）在同一?粒子源和散射靶的条件下观察到?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.2:2C.1:4D.1:8（8）在?粒子散射实验中,若把?粒子换成质子,要想得到?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?粒子的相同； B．质子的能量与?粒子的相同；C．质子的速度是?粒子的一半； D．质子的能量是?粒子的一半2．计算题：（1）当一束能量为4.8Mev的?粒子垂直入射到厚度为4.0×10-5cm的金箔上时探测器沿20°方向上每秒记录到2.0×104个?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?粒子？②若?粒子能量减少一半,则沿20°方向每秒可测得多少个?粒子？③?粒子能量仍为4.8MeV,而将金箔换成厚度的铝箔,则沿20°方向每秒可记录到多少个?粒子?(ρ金＝19.3g/cm3 ρ铅＝27g /cm3；A金＝179 ,A铝＝27,Z金＝79 Z铝＝13)(2)10MeV的质子射到铜箔片上,已知铜的Z=29, 试求质子散射角为900时的瞄准距离b和最接近于核的距离rm.（3）动能为5.0MeV的?粒子被金核散射，试问当瞄准距离分别为1fm和10fm时，散射角各为多大？Z1Z2e22d?12Z1Z2e22S'/r21 解：dN'?Nnt( )()?Nnt()()444??04Esin(?/2)4??04Esin(?/2)(1) 当??60?时, 每秒可纪录到的α粒子dN'2满足:12dN'2sin4(?1/2)sin410????0.01455 44dN'1sin(?2/2)sin30?故dN'2?0.01455dN'1?0.01455?2?104?2.909?102(个)2(2) 由于dN'?1/E?,所以 dN'3?4dN'1?8?104(个)(3) 由于dN'?nZ,故这时:22dN'4n4Z4NA?4Z4/A4?10?3 ??dN'1n1Z12NA?1Z12/A1?10?32?4Z4?A12.7?132?1974dN'4?dN '??2?10?553(个) 122?1Z1?A419.3?79?272?2Ze2???90?cot?1，这时2．解：由库仑散射公式：b?，当时，cot224??0Mv0212Ze2 b?24??0Mv01而对心碰撞的最小距离：12Ze2rm??2?2b 24??0Mv0感谢您的阅读，祝您生活愉快。
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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
②若α粒子能量减少一半,则沿20°方向每秒可测得多少个α粒子
③α粒子能量仍为,而将金箔换成厚度的铝箔,则沿20°方向每秒可记录到多少个α粒子(ρ金＝19.3g/cm3ρ铅＝27g /cm3；A金＝179 ,A铝＝27,Z金＝79 Z铝＝13)
(2)10MeV的质子射到铜箔片上,已知铜的Z=29, 试求质子散射角为900时的瞄准距离b和最接近于核的距离r m.
（3）动能为的α粒子被金核散射，试问当瞄准距离分别为1fm和10fm时，散射角各为多大
1 解：
2
22
12
4
1
'()()
44sin(/2)
Z Z e d
dN Nnt
E
πεθ
Ω
=
22
22
12
4
1'/
()()
44sin(/2)
Z Z e S r
Nnt
E
πεθ
=
(1) 当︒=60θ时, 每秒可纪录到的α粒子2'dN 满足:
01455.030sin 10sin )2/(sin )2/(sin ''44241412=︒
︒==θθdN dN 故 2
41210909.210201455.0'01455.0'⨯=⨯⨯==dN dN (个)
(2) 由于2/1'αE dN ∝,所以 413108'4'⨯==dN dN (个) (3) 由于2
'nZ dN ∝,故这时:
3
12113
42442112441410/10/''--⨯⨯==A Z N A Z N Z n Z n dN dN A A ρρ 55310227793.19197137.2''4221421112444=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=dN A Z A Z dN ρρ(个)
2．解： 由库仑散射公式：2cot 241
2020θπεMv Ze b =，当︒=90θ时，12cot =θ，这时202
0241
Mv Ze b πε= 而对心碰撞的最小距离：
2
200
12224m Ze r b Mv πε=⋅=。