《原子物理》课程教学大纲

课程名称：原子物理                课程类别：专业必修课

适用专业：物理学                  考核方式：考试                            

总学时、学分：  56学时 3.5学分   其中实验学时：   0   学时

一、   课程性质、教学目标

原子物理学属普通物理范畴，是力学、电磁学和光学的后续课程，是物理专业的一门重要基础课。 本课程着重从物理实验规律出发，引进近代物理关于微观世界的重要概念和原理，探讨原子的结构和运动规律，介绍在现代科学技术上的重大应用。通过本课程的教学，使学生建立丰富的微观世界的物理图象和物理概念。通过对重要实验现象以及理论体系逐步完善过程的分析，培养学生分析问题和解决问题的能力。本课程是量子力学、固体物理学、原子核物理学、近代物理实验等课程的基础课。

课程教学目标如下：

课程教学目标1：使学生初步了解并掌握原子的结构和运动规律，了解物质世界的原子特性，原子层次的基本相互作用，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。

课程教学目标2：使学生了解并适当涉及一些正在发展的原子物理学科前沿，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。

课程教学目标3：在学习原子物理学的过程中引导学生学会近代物理的研究方法，提高其分析问题和解决问题的能力。

课程教学目标4：引导学生学会自学，养成良好的自学习惯和能力，特别是通过网络教学平台，培养学生的自学能力。

课程教学目标5：通过重大科学发现过程的讲授和科学家生平事迹的介绍，培养学生树立辩证唯物主义世界观。通过探究式教学，锻炼学生的科学探究和创新能力。

课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系

的支撑强度来定性估计，H表示关联度高；M表示关联度中；L表示关联度低。

二、    课程教学要求

    理解原子壳式结构，了解原子物理学的发展和学习方法。掌握原子能量级概念和光谱的一般情况。理解氢原子的波尔理论，了解富兰克-赫兹实验。了解氢原子能量的相对论效应。了解盖拉赫实验，理解原子的空间取向量子化，理解物质的波粒二象性了解不确定原则。理解波函数及其物理意义和薛定谔方程。了解碱金属光谱的精细结构，电子自旋轨道的相互作用。理解两个价电子的原子态，了解泡利原理。理解原子磁矩及外磁场对原子的作用，了解顺磁共振和塞曼效应，掌握原子的壳层结构和原子基态的电子组态。了解康普顿效应，理解X射线的衍射。

执行本大纲应注意的问题：

1.原子物理学是一门实验性很强的学科，关于原子结构的一切知识均建立在实验的基础上，学生在学习过程中应特别注重这一点。

2.原子物理学是一门关于物质微观结构的学科，微观粒子遵从它特有的规律，满足波粒二象性和测不准原理，这和宏观物理学在认识论上有本质的不同。学生在初次学习过程中有很多认识和思维上混乱，在教学过程中一定注意。

3.原子物理学是量子力学和原子核物理及粒子物理学的基础，而建立在玻尔旧量子理论基础上的原子物理学和建立在量子力学基础上的原子物理学是不同的，这给学生在学习过程中带来一定麻烦，教学过程中一定要注意。

4.原子物理学是一门不断发展和完善的学科，在教学过程中除了给学生讲清楚大纲规定内容外，还应结合学科发展动态介绍学科的最新进展。

三、    先修课程

高等数学、力学、电磁学

四、    课程教学重、难点

重点：原子的能级和辐射、电子的自旋、多电子原子、磁场中的原子、原子的壳层结构。

难点：原子的能级和辐射、量子力学基本原理与方法、电子的自旋。

五、    课程教学方法与教学手段

教学方法：讲授式教学方法、讨论式教学方法、问题导向式教学方法、探究式教学方法等

教学手段：多媒体辅助教学、网络教学平台辅助教学

六、  课程教学内容

绪论(1学时) 

1．教学内容

    （1）原子与原子物理学；

    （2）课程特点与教学方法；

    （3）教学要求与课程安排。

2．重、难点提示

    （1）重点是原子物理学的主要特点和发展过程。

第一章 原子的基本状况(6学时)

1．教学内容

    （1）原子的质量和大小；

    （2）原子的核式结构；

    （3）同位素。

2．重、难点提示

    （1）原子的核式模型及实验基础；

    （2）卢瑟福散射公式及散射截面。

第二章 原子的能级和辐射(10学时)

1．教学内容

    （1）氢原子的光谱和原子光谱的一般情况；

    （2）玻尔的氢原子理论和关于原子的普遍规律；

    （3）类氢离子的光谱；

    （4）富兰克-赫兹实验与原子能级；

    （5）量子化通则；

    （6）电子的椭圆轨道和氢原子能量的相对论效应；

    （7）史特恩-盖拉赫实验与原子空间取向的量子化；

    （8）原子的激发和辐射；

    （9）对应原理和玻尔理论的地位。

2．重、难点提示

    （1）氢原子的光谱和原子光谱的一般情况；

    （2）玻尔的氢原子理论；

    （3）类氢离子的光谱。

第三章 量子力学初步(6学时)

1．教学内容

    （1）物质的二象性；

    （2）测不准原理；

    （3）波函数及其物理意义；

    （4）薛定谔波动方程。

2．重、难点提示

    （1）波粒二象性、德布罗依波假设；

    （2）波函数的统计诠释，不确定关系概念的建立；

    （3）用量子力学的思想和方法，解释和解决经典物理和半量子理论。

第四章 碱金属原子和电子的自旋(9学时)

1．教学内容

    （1）碱金属原子的光谱；

    （2）原子实的极化和轨道的贯穿；

    （3）碱金属原子光谱的精细结构；

    （4）电子自旋同轨道运动的相互作用；

    （5）单电子辐射跃迁的选择定则；

    （6）氢原子光谱的精细结构。

2．重、难点提示

    （1）电子自旋和磁场中的原子；

    （2）碱金属原子能级的情况的分析。

第五章 多电子原子(7学时)

1．教学内容

    （1）氦及周期系第二族元素的光谱和能级；

    （2）具有两个价电子的原子态；

    （3）泡利原理与同科电子；

    （4）复杂原子光谱的一般规律；

    （5）辐射跃迁的普用选择定则；

    （6）原子的激发和辐射跃迁的一个实例——氦氖激光器。

2．重、难点提示

    （1）多电子原子的光谱、能级图和原子态；

    （2）多电子原子原子基态的确定，能级高低的判别。

第六章 在磁场中的原子(7学时)

1．教学内容

    （1）原子的磁矩；

    （2）外磁场对原子的作用；

    （3）史特恩-盖拉赫实验的结果；

    （4）顺磁共振；

    （5）塞曼效应；

    （6）抗磁性、顺磁性和铁磁性。

2．重、难点提示

    （1）外磁场对原子的作用；

    （2）史特恩-盖拉赫实验的结果；

    （3）顺磁共振和塞曼效应。

第七章 原子的壳层结构(4学时)

1．教学内容

    （1）元素性质的周期性变化；

    （2）原子的电子壳层结构；

    （3）原子基态的电子组态。

2．重、难点提示

    （1）原子的电子壳层结构；

    （2）原子基态的电子组态。

第八章 X射线(6学时)

1．教学内容

    （1）X射线的产生及其波长和强度的测量；

    （2）X射线的发射谱；

    （3）同X射线有关的原子能级；

    （4）X射线的吸收；

    （5）康普顿效应；

    （6）X射线在晶体中的衍射。

2．重、难点提示

    （1）X射线的吸收；

    （2）康普顿散射和韧致辐射的原理。

七、学时分配

1.考核方式： 

笔试；闭卷

2.成绩构成

期末考试成绩+平时成绩

九、   选用教材和参考书目

[1]《原子物理学》（第1版），褚圣麟编，高等教育出版社出版，1979；

[2]《原子和亚原子物理学》（第1版），高政祥 编著，北京大学出版社，2001；

[3]《原子物理教程》（第1版），张延惠、林圣路、王传奎 编，山东大学出版社，2003；

[4]《原子物理》（第1版），北京大学出版社，郑乐民 编，2000；

[5]《原子物理学》（第3版），杨福家 著，高等教育出版社出版，2000；

[6]《原子物理学》（第1版），陈宏芳 编，中国科学技术大学出版社出版，1997；

[7]《Atomic and Nuclear Physics》, T.A.Littlefield and N.Thorley, Van Nostrand Reinhold Company, 1979；

[8] 《The Physics of Atoms and Quanta》，H. Haken and H. C. Wolf, Springer-Verlag, 2003；

[9]《原子物理学》（第2版），崔宏滨 编著，中国科学技术大学出版社，2009；

[10]《原子物理学进展通论》（第1版），[法]科恩-塔诺季 盖里-奥德林 著 王义道 周小计 等译，北京大学出版社，2014.