原子物理学教学大纲

《原子物理学》课程教学大纲（54学时）
（理论课程）
一课程说明
（一）课程概况
课程中文名称：《原子物理学》
课程英文名称：Atomic Physics
课程编码：3910252109
开课学院：理学院
适用专业/开课学期：物理学、应用物理学/第四学期
学分/周学时：3/3
《原子物理学》是物理学专业的一门重要专业核心必修课程，属于专业发展课程。

原子物理学是研究介于分子和原子核两层次间物质结构的科学，研究这一层次是由什么组成，组成物是怎样运动和发生相互作用的。

原子物理学的发展为量子力学的建立奠定了基础，它上承经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴，随着科学技术的发展，原子物理学在许多领域得到广泛地应用和拓展。

《原子物理学》是《量子力学》、《固体物理学》等近代物理课程的基础学科，学习本课程必须先修《高等数学》、《力学》、《电磁学》和《光学》。

（二）课程目标
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。

（三）学时分配
二教学方法和手段
以启发式教学为主，学生自学为辅。

教学中要注重理论教学中穿插背景材料、物理学史的教学，注重物理思想、物理方法的教学，注重把学科前沿引入经典内容的教学中，提倡学生课外查阅文献了解学科前沿。

三教学内容
第一章原子的基本状况（含绪论）（4学时）
一、教学目标
1．了解原子物理学的发展历史及原子物理学研究的内容、方法和手段；
2．掌握原子的静态性质；
3．掌握原子的核式模型及实验基础、卢瑟福散射公式；
4．了解对两种主要的原子模型的定性半定量分析、核式模型的意义及经典物理在其中遇到的困难。

二、教学重、难点
重点：原子的核式模型和卢瑟福散射公式。

难点：卢瑟福散射公式的推导。

三、主要内容
1.原子物理学的发展史及研究的内容、方法、手段；
2.原子的基本状况；
3.卢瑟福核式模型的提出；
4.卢瑟福α粒子散射理论及实验验证；
5.核式结构的意义和困难。

第二章原子的能级和辐射（6学时）
一、教学目标
1．掌握氢原子光谱规律及光谱线系公式；
2．掌握玻尔氢原子理论，能够解释氢原子和类氢离子光谱的实验规律，正确作出氢原子和类氢离子的能级结构图；
3．掌握光谱项、能级、线系限、波数、基态、激发态、激发能，电离能等基本概念；
4．掌握夫兰克—赫兹实验的目的、原理、方法；
5．理解玻尔对应原理，了解玻尔理论创建的历史背景及玻尔理论的意义和困难。

二、教学重、难点
重点：玻尔氢原子理论
难点：里德堡常数的修正
三、主要内容
1.氢原子光谱的实验规律；
2.玻尔的氢原子理论；
3.类氢离子光谱；
4.夫兰克—赫兹实验；
5.玻尔对应原理及玻尔理论的地位。

第三章量子力学初步（6学时）
一、教学目标
1.理解德布罗意物质波；
2.掌握不确定关系；
3.掌握波函数的物理意义；
4.了解薛定谔方程在量子力学中的作用，掌握定态的概念，了解求解定态薛定谔方程
（本征问题）的基本步骤；
5.了解运用定态薛定谔方程求解氢原子问题的基本步骤，掌握描述电子空间运动的三
个量子数；
二、教学重、难点
重点：波函数的统计诠释、不确定关系、求解定态薛定谔方程（本征问题）的基本步骤、量子力学对氢原子的描述及三个量子数。

难点：波函数的统计诠释、不确定关系、量子力学对氢原子的描述。

三、主要内容
1.德布罗意假设及实验验证；
2.海森伯不确定关系；
3.波函数及统计解释；
4.薛定谔方程及量子力学的几个简例；
5.量子力学对氢原子的描述。

第四章碱金属原子和电子自旋（6学时）
一、教学目标
1.掌握碱金属原子光谱及能级结构特点，理解产生量子亏损的原因，掌握碱金属线系
公式及量子亏损、光谱项和屏蔽系数的计算；
2.掌握电子自旋、单个价电子总角动量的合成方法和描述电子量子态的四个量子数；
3.掌握造成碱金属原子能级精细结构的原因及精细结构公式；
4.掌握单电子跃迁选择定则，并能画出碱金属原子精细能级跃迁图；
5.掌握氢原子能级的狄拉克公式和光谱的精细结构；了解兰姆移动。

二、教学重、难点
重点：电子自旋和轨道的相互作用
难点：碱金属精细结构裂距的推导
三、主要内容
1.碱金属原子光谱；
2.原子实的极化和轨道贯穿；
3.碱金属原子光谱的精细结构；
4.电子自旋及其与轨道运动的相互作用；
5.氢原子光谱的精细结构。

第五章多电子原子（6学时）
一、教学目标
1．掌握氦原子及第二族元素原子的光谱和能级结构特点；
2．重点掌握原子的L-S耦合方式、掌握j-j耦合方式，能正确地求出电子组态构成的原子态（光谱项）；
3．掌握洪特原则、朗德间隔定则和电偶极辐射跃迁选择定则，并能正确画出能级图，解释氦原子、镁原子等具有两个价电子原子的光谱的形成；
4．了解复杂原子光谱一般规律；
5．掌握泡利不相容原理，了解同科电子原子态合成法；
二、教学重、难点
重点：L-S 耦合、多电子原子的光谱、能级图和原子态、泡利原理和同科电子原子态的确定、辐射跃迁的普用选择定则。

难点：L-S 耦合、同科电子原子态的确定。

三、主要内容
1.氦原子及镁原子的光谱和能级；
2.具有两个价电子的原子态；
3.泡利原理和同科电子；
4.复杂原子光谱的一般规律；
5.辐射跃迁的普用选择定则；
第六章在磁场中的原子（6学时）
一、教学目标
1.掌握原子有效磁矩概念和有关计算，理解磁场中原子的拉莫尔进动旋进；
2.掌握原子在外磁场中附加能量公式，并能用来解释原子能级在外磁场中分裂现象；
3.正确解释史特恩——盖拉赫实验的结果；
4.掌握原子光谱在外磁场中的分裂（正常塞曼效应、反常塞曼效应）的量子解释；
5.知道斯塔克效应；
6.了解物质的磁性，了解顺磁共振、核磁共振的概念、原理和应用。

二、教学重、难点
重点：原子有效磁矩、塞曼效应（正常、反常）、史特恩-盖拉赫实验分析。

难点：塞曼效应的量子解释、顺磁共振及应用。

三、主要内容
1.原子的磁矩；
2.外磁场对原子的作用；
3.史特恩-盖拉赫实验分析；
4.塞曼效应，斯塔克效应；
5.顺磁共振，核磁共振。

第七章原子的壳层结构（4学时）
一、教学目标
1.了解元素周期表的结构，掌握玻尔对元素周期表的物理解释；
2.掌握电子填充原子壳层的原则：泡利原理和能量最小原理，理解并掌握原子的电子
壳层结构，能正确写出原子基态的电子组态，并求出其基态的原子态符号；
3.掌握莫色勒定律，并以此解释电子填充壳层时出现能级交错的原因。

二、教学重、难点
重点：玻尔对元素周期表的解释、电子填充壳层的原则、莫色勒定律。

难点：原子基态电子填充壳层的顺序、莫色勒定律。

三、主要内容
1.元素性质的的周期性变化；
2.原子的电子壳层结构；
3.原子基态的电子组态。

第八章X射线（4学时）
一、教学目标
1.了解X射线发现的历史、产生方法，掌握X射线的连续谱与标识谱的特征和产生
的机制，掌握同X射线有关的原子能级结构；
2.掌握X射线的吸收的规律，掌握康普顿散射，理解光子与物质的相互作用，了解—
同步辐射装置的原理与应用；
二、教学重、难点
重点：射线连续谱与标识谱及产生机制、莫色勒定律、康普顿散射。

难点：X射线的标识谱产生的机制、同X射线有关的原子能级，康普顿散射。

三、主要内容
1.X射线的产生及谱线结构；
2.原子的内层能级；
3.X射线与物质的吸收；
4.康普顿散射；
第九章原子核（8学时）
一、教学目标
1.知道原子核基本性质：原子核的组成、电荷、质量和大小、结合能、电四极矩、自
旋、磁矩、宇称和统计性质，会计算结合能；
2.掌握原子核的放射性衰变规律，掌握衰变常数，半衰期，平均寿命、放射性强度、
放射系等概念；
3.掌握α、β和γ衰变的规律，了解射线与实物的相互作用及放射性的应用；
4.掌握核力的性质，了解几种核结构模型；
5.掌握核反应遵循的守恒定律、核反应中的反应能和阈能的计算；
6.掌握核反应类型，了解核反应机制，理解核反应截面的概念；
7.理解重核裂变机制，会计算裂变能，对裂变能的开发和应用有一个正确的认识；
8.理解轻核聚变的机制，聚变能的开发应用前景有充分了解。

二、教学重、难点
重点：核结合能、放射性衰变的衰变规律、原子核反应、重核裂变和轻核聚变及核能的开发及应用。

难点：原子核模型、核反应机制。

三、主要内容
1.原子核的基本性质；
2.原子核的放射衰变；
3.射线同实物的相互作用和放射性的应用；
4.核力；
5.原子核结构模型；
6.原子核反应；
7.原子核裂变和原子能；
8.原子核的聚变和原子能利用展望。

第十章基本粒子（4学时）
一、教学目标
1.掌握粒子的基本性质及分类；
2.掌握基本相互作用与守恒律；
3.了解粒子物理研究的方法和手段；
4.了解粒子标准模型及宇宙的标准模型——宇宙大爆炸模型。

二、教学重、难点
重点：粒子的分类、基本相互的作用。

难点：粒子的分类、基本相互的作用。

三、主要内容
1.粒子的基本性质及分类
2.相互作用与守恒律；
3.基本粒子的标准模型及宇宙的标准模型。

四考核办法
（一）考核方式：开卷
（二）评分办法：平时成绩占50%，期末考核占50%。

平时成绩评定办法：
考勤：20% , 作业：30%，课堂笔记：20% ，课堂提问：10%，课外自学：10% ，创新：10% 。

五教材及主要参考书目
（一）教材：
陈宏芳. 原子物理学, .北京: 科学出版社, 2008.
（二）参考书目：
[1] 褚圣麟. 原子物理（第一版）.北京: 高等学校出版社, 2006.
[2] 杨福家. 原子物理（第四版）.北京: 高等教育出版社, 2006.
[3] 崔宏滨. 原子物理学. 中国科技大学出版社, 2009.
[4] 张延慧, 林圣路等.原子物理学教程.山东: 山东大学出版社，2003.
[5] 朱栋培, 陈宏芳等.原子物理学与量子力学. 北京: 科学出版社, 2008.。