Атомная физика. Теоретические основы и лабораторный практикум: Уч пос. / В. Е. Граков, С. А. Маскевич и др.; Под общ ред. А. П. Клищенко. М.: Инфра-м; Мн.: Нов знание, 2011. 333с.: 60x90 1/16. (Высшее обр.)

Рекомендовано Учебно-методическим центром "Профессиональный учебник" в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Физика"

Атомная физика. Теоретические основы и лабораторный практикум: Уч. пос. / В.Е. Граков, С.А. Маскевич и др.; Под общ. ред. А.П.Клищенко. - М.: ИНФРА-М; Мн.: Нов. знание, 2011. - 333с.: 60x90 1/16. - (Высшее обр.). (п)

ISBN 978-5-16-004688-4

Содержит наиболее важные темы курса «Физика атома и атомных явлений» и 18 лабораторных работ, 7 из которых выполняются путем компьютерного моделирования физических явлений и численного решения стационарного уравнения Шрёдингера. Каждая лабораторная работа включает краткое изложение теории, описание экспериментальной установки или моделирующей программы, порядок выполнения, контрольные вопросы и задания. В приложении приведены дополнительный теоретический материал, а также таблицы основных параметров атомов и фундаментальных физических постоянных.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Физика».

Предисловие	3
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ И ФИЗИКИ АТОМА
Истоки квантовой теории	6
Кванты энергии и кванты света	6
Кванты и атом Резерфорда — Бора	8
Становление последовательной квантовой теории	9
Работа 1. Тормозное рентгеновское излучение	12
Теоретические и экспериментальные основы	12
1.1. Природа рентгеновского излучения	12
1.2. Регистрация и спектроскопия рентгеновских лучей	12
1.3. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение	13
1.4. Происхождение тормозного излучения	16
1.5. Получение рентгеновского излучения	18
Компьютерное моделирование спектров рентгеновского излучения	20
Порядок выполнения работы	21
Контрольные вопросы и задания	22
Работа 2. Определение потенциала ионизации атома ртути	24
Теоретические и экспериментальные основы	24
2.1. Постулаты Бора	24
2.2. Упругие и неупругие столкновения	27
2.3. Опыт Франка и Герца	29
Экспериментальная установка	31
Порядок выполнения работы	35
Контрольные вопросы и задания	36
Работа 3. Изучение спектра атома водорода	37
Теоретические и экспериментальные основы	37
3.1. Эмпирические спектральные закономерности	37
3.2. Классический подход	38
3.3. Элементарные квантовые представления	39
3.4. Объяснение основных спектральных закономерностей	41
3.5. Уровни энергии и спектр атома водорода	42
3.6. Боровская модель круговых орбит для водородоподобной системы	44
Экспериментальная установка	46
Порядок выполнения работы	48
Контрольные вопросы и задания	49
Работа 4. Изотопический сдвиг в спектре атомарного водорода	51
Теоретические и экспериментальные основы	51
4.1. Учет движения ядра в модели круговых орбит	51
4.2. Изотопы водорода. Изотопический сдвиг	54
Экспериментальная установка	56
Порядок выполнения работы	59
Контрольные вопросы и задания	59
Работа 5. Дифракция электронов на кристаллических структурах	60
Теоретические и экспериментальные основы	60
5.1. Волны де Бройля	60
5.2. Вероятностная интерпретация волн де Бройля	63
5.3. Дифракция электронов	64
5.4. Опыт Томсона по дифракции электронов	65
5.5. Статистический характер дифракции электронов	67
5.6. Электронография	68
Компьютерное моделирование дифракции электронов	69
Порядок выполнения работы	71
Контрольные вопросы и задания	74
2. СТАЦИОНАРНОЕ УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА
Описание поведения электрона в квантовой механике	75
Временное уравнение Шрёдингера	75
Уравнение Шрёдингера для стационарных состояний	76
Волновая функция и заключенная в ней информация	77
Оптическая аналогия	78
Одномерные квантовомеханические задачи	79
Движение электрона в области потенциальной ступеньки	80
Работа 6. Эффект Рамзауэра	85
Теоретические и экспериментальные основы	85
6.1. Эффект Рамзауэра	85
6.2. Упругое рассеяние электронов на атомах	85
6.3. Объяснение эффекта Рамзауэра с помощью оптической аналогии	87
6.4. Квантовомеханическое рассмотрение рассеяния электронов на одномерной прямоугольной потенциальной яме	92
Экспериментальная установка	96
Порядок выполнения работы	102
Контрольные вопросы и задания	103
Работа 7. Стационарные состояния электрона в одномерных потенциальных ямах	104
Теоретические и экспериментальные основы	104
7.1. Уравнение Шрёдингера и его решения	104
7.2. Линейный гармонический осциллятор	106
7.3. Прямоугольная симметричная потенциальная яма	107
Решение уравнения Шрёдингера с помощью компьютера	109
Порядок выполнения работы	111
Контрольные вопросы и задания	112
3. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
Основные понятия и методы описания атомных явлений	114
Магнитный момент в электродинамике	114
Орбитальный магнитный момент микрочастицы	115
Квантование механического и магнитного моментов	117
Спин микрочастицы	118
Механический и магнитный моменты атомного ядра	120
Магнитный момент электронной оболочки атома	120
Спин-орбитальное взаимодействие в атоме водорода	122
Состояния электронов в сложном атоме	125
Принцип Паули и электронная структура сложного атома	128
Электростатическое расщепление уровней энергии атома	129
Спин-орбитальное взаимодействие и мультиплетное расщепление	132
Уровни энергии атома при нормальной связи	133
Правила отбора для излучательных переходов	135
Работа 8. Опыт Штерна — Герлаха	140
Теоретические и экспериментальные основы	140
8.1. Пространственное квантование	140
8.2. Опыт Штерна — Герлаха	142
8.3. Влияние распределения атомов по скоростям на расщепление пучка	146
Компьютерное моделирование опыта Штерна — Герлаха	149
Порядок выполнения работы	149
Контрольные вопросы и задания	150
Работа 9. Электронный парамагнитный резонанс в слабых полях	151
Теоретические и экспериментальные основы	151
9.1. Физическая природа магнитного резонанса	151
9.2. Расщепление уровня энергии частицы с электронным магнитным моментом	152
9.3. Классическая модель гироскопа применительно к ЭПР	155
9.4. Физические принципы регистрации и применение ЭПР	157
Экспериментальная установка	161
Порядок выполнения работы	165
Контрольные вопросы и задания	167
Работа 10. Ядерный магнитный резонанс	169
Теоретические и экспериментальные основы	169
10.1. Расщепление уровней энергии частиц, обладающих ядерным магнитным моментом	169
10.2. Квантовые переходы при ЯМР	170
10.3. Физические принципы регистрации ЯМР	171
10.4. Применение ЯМР	172
Экспериментальная установка	172
Порядок выполнения работы	175
Контрольные вопросы и задания	176
Работа 11. Квантование энергии и волновые функции электрона в атоме водорода	177
Теоретические и экспериментальные основы	177
11.1. Постановка задачи об атоме водорода в квантовой механике	177
11.2. Одномерное уравнение Шрёдингера для радиальной функции	178
11.3. Качественный анализ одномерных радиальных задач	181
11.4. Результаты аналитического решения радиальных задач	183
11.5. Волновые функции и распределение электронной плотности	185
Решение уравнения Шрёдингера радиальной задачи с помощью компьютера	188
Порядок выполнения работы	190
Контрольные вопросы и задания	190
Работа 12. Изучение спектра атома натрия	192
Теоретические и экспериментальные основы	192
12.1. Строение атома щелочных элементов	192
12.2. Квантовое описание атома водорода	194
12.3. Уровни энергии атомов щелочных элементов	197
12.4. Атом натрия	200
12.5. Тонкая структура уровней энергии	201
12.6. Правила отбора и спектр	202
12.7. Тонкая структура спектральных линий	204
Экспериментальная установка	206
Порядок выполнения работы	207
Контрольные вопросы и задания	210
Работа 13. Тонкая структура и интенсивности линий в атомных спектрах	212
Теоретические и экспериментальные основы	212
13.1. Вероятности спонтанных и вынужденных переходов	212
13.2. Силы осцилляторов	214
13.3. Интенсивность спектральных линий в мультиплетах	216
Экспериментальная установка	221
Порядок выполнения работы	223
Контрольные вопросы и задания	223
Работа 14. Ширина уровней энергии и спектральных линий	225
Теоретические и экспериментальные основы	225
14.1. Естественная ширина спектральных линий. Классическое рассмотрение	225
14.2. Естественная ширина уровней энергии и спектральных линий. Квантовое рассмотрение	228
14.3. Уширение спектральных линий из-за эффекта Доплера и столкновений	230
Экспериментальная установка	233
Порядок выполнения работы	235
Контрольные вопросы и задания	236
Работа 15. Характеристические рентгеновские спектры	237
Теоретические и экспериментальные основы	237
15.1. Типы рентгеновского излучения	237
15.2. Происхождение характеристического излучения	238
15.3. Рентгеновские уровни энергии	239
15.4. Закон Мозли	244
15.5. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Рентгеновский спектр поглощения	245
Компьютерное моделирование рентгеновских спектров	249
Порядок выполнения работы	250
Контрольные вопросы и задания	253
Работа 16. Спектр поглощения молекулы йода	255
Теоретические и экспериментальные основы	255
16.1. Виды движений в молекуле и разделение ее энергии на части	255
16.2. Электронная энергия двухатомной молекулы	256
16.3. Колебательная энергия двухатомной молекулы	258
16.4. Вращательная энергия двухатомной молекулы	263
16.5. Схема уровней энергии двухатомной молекулы	264
16.6. Три типа молекулярных спектров	265
16.7. Электронный спектр поглощения молекулы йода	267
Экспериментальная установка	272
Порядок выполнения работы	275
Контрольные вопросы и задания	276
Работа 17. Колебательные состояния двухатомных молекул водорода	278
Теоретические и экспериментальные основы	278
17.1. Электронная энергия двухатомных молекул	278
17.2. Колебания ядер в двухатомных молекулах	280
17.3. Ангармонический осциллятор с потенциальной функцией Морза	282
Решение уравнения Шрёдингера с помощью компьютера	285
Порядок выполнения работы	287
Контрольные вопросы и задания	289
Работа 18. Колебательно-вращательные спектры поглощения двухатомных молекул	291
Теоретические и экспериментальные основы	291
18.1. Колебательно-вращательные уровни энергии двухатомной молекулы	291
18.2. Колебательно-вращательные излучательные переходы	294
18.3. Вращательная структура колебательных спектров	297
18.4. Интенсивности линий вращательной структуры в колебательно-вращательных спектрах	298
Экспериментальная установка	300
Порядок выполнения задания	303
Контрольные вопросы и задания	304
Приложения	306
1. Тепловое излучение, формула Планка	306
1.1. Равновесное тепловое излучение	306
1.2. Осцилляторы поля	306
1.3. Вывод формулы Планка	308
2. Лазерное управление атомно-молекулярными процессами	312
2.1. Резонансная фотоионизация атома	312
2.2. Резонансная ионизационная спектроскопия	314
2.3. Лазерное разделение изотопов	315
3. Основные параметры атомов химических элементов	317
4. Фундаментальные физические постоянные	321
Список рекомендуемой литературы	323