PDF《《原子物理学》》

《原子物理学》 讲授:徐仁新 北京大学物理学院天文学系 原子核基本性质/放射性 "Atomic Physics" http://www.

phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu *注: 原子中电 子的运动 其实是没 有轨道的, 电子是全 同的;

此 仅为示意. 原子核看作"点电荷" ("原子物理",分子物理…) "点电荷"内部的细节 (原子核物理,粒子物理) . .. .. .. . .. d ud u ud 原子核 中子 质子 夸克又有何 结构? 弦?… 原子核研究的复杂性: 1,成分的多样性 ? 多体问题("群龙无首") 2,作用形式多样性 ? 除了电磁作用外,还存在新的弱作用、强作用 {udd} {uud} A. 原子核基本性质 "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A1,中子发现与原子核组成 认识原子核组成的历程: ?1896年~1900年:(原子核蜕变过程中) 发射三种射线(a、b、g) ?1911年:Rutherford提出原子"有核"模型 ?1919年:Rutherford实现14N(a, p)17O反应,发现质子 ?1920年:Rutherford提出"双子"假说/预言;

1921年Harkins:n ?1930年:Bothe和Becker认为Po的a粒子轰击Be时产生中性g射线 ?1932年:Joliot-Curie夫妇 Po产生a粒子 Be B 石蜡pp2MeV ? Eg = 35MeV 4.5MeV ? Eg = 50MeV g g a a "要是我们夫妻俩听过卢瑟福的贝克利演讲的话,就不会让查德威克捷足先登了." A1,中子发现与原子核组成 Eg的计算方法(设出射质子最大动能为E): ?受Rutherford"双子"说启示,Chadwick质疑中性射线为g射线;

并且做实验: m hn? hn p, E Eg(E, m) Be辐射 可充N、O、 Ar等气体 Eg(4.5MeV, mp) = 50MeV ? Eg(1.2MeV, mN) = 90MeV Nature,

129 (1932),

312 a + 9Be ? n + 12C Nobel物理 奖, 1935年?1932年:Iwanenko、Heisenburg等提出原子核由质子和中子构成 A2,原子核的大小 ?实验测量原子核半径R: R = r0 A1/3 核力作用方法(如中子散射):r0 = (1.4~1.5)fm 电力作用方法(如电子散射):r0 = 1.1fm ?这表明原子核是不可压缩的,其密度可很好地近似为一常数: ?核物质:以质子、中子等为单元构成大块物质.在只考虑质子、 中子等之间核力相互作用时,其密度为rn(称为饱和核物质密度, 或核物质密度,或核密度).它与原子核的差别主要体现在边界效 应是否重要. 注意:对于由核物质组成的星体,引力不能忽略,密度非均匀! 核子:质子、中子之统称 A3,原子核的比结合能 ?结合能:自由质子、中子结合成原子核所释放的能量 B = DMc2 = [Zmp + (A-Z)mn - MN]c2 ?比结合能:单位核子所具有的结合能 铁族元素具有较高 的比结合能,如: ? (56Fe) = 8.8MeV "Atomic Physics" http://www.phy.pku.edu.cn/~xurenxin/ R. X. Xu A4,原子核磁矩,超精细结构 ?核自旋:原子核的总角动量I,其本征值为 实验发现I的规律性 ?核子磁矩 理论上:对于电子, 对于核子,定义核磁子 实验测量值:msz(e) = -1.00mB;

msz(p) = 2.79mN;

中子msz(n) = -1.91mN 为什么?核子具有内部结构而非点粒子!(e很好地近似点粒子) ?反常磁矩:磁矩中偏离理论值的部分;

质子1.79mN;

中子-1.91mN 核类型 偶偶核 奇偶核 奇奇核

0 半奇数 整数 I Fermion Boson ?自旋点粒子Dirac方程 ? ?(原子)核磁矩:核内所有核子自旋及轨道运动贡献磁矩之和 ?原子光谱的超精细结构分裂:电子总磁矩mJ与核磁矩mN间磁耦合 所致.其结果是总角动量F = J + I守恒,不同F量子数能级分裂. ?例:23Na双黄线的超精细结构能级分裂(I = 3/2) gI:核Lande因子 32P3/2 32P1/2 32S1/2 1s22s22p63p1 1s22s22p63s1 F =

2 F =