量子物理

2015-09-07

一、课程简介

“量子物理”是应用物理专业的重要基础课,主要介绍量子论的基本概念、基本方法及其应用。众所周知,量子力学和相对论是二十世纪物理学所取得的重大成果。量子力学和相对论的诞生,不仅极大地深化了人类对自然的认识,而且为现代高新技术的发展提供了最重要的源泉。

通过本课程的学习,学生不仅能了解量子论产生的历史背景,掌握量子论的基本概念、基本方法及其在原子、原子核和物质结构研究中的应用,并且可以为进一步学习量子力学打下基础。

同学们在学习中,首先要紧紧抓住量子论的基本概念,如微观粒子的波粒二象性,弄清“量子粒子”与经典粒子的根本区别。其次,要掌握量子力学的基本研究方法,如用波函数描述粒子的运动等。最后,要重视实验在建立理论和检验理论中的重要作用。

二、教学内容

第一章 原子的位形:RUTHERFORD 模型

§1.1 电子与原子
§1.2 Rutherford 模型的提出
§1.3 Rutherford 散射公式
§1.4 Rutherford 模型的意义及困难

第二章 原子的量子态;BOHR 模型

§2.1 黑体辐射与光电效应
§2.2 Bohr 模型
§2.3 Bohr 模型的实验验证之一 : 光谱
§2.4 Bohr 模型的实验验证之二 :Franck-Hertz 实验
§2.5 Bohr 模型的推广

第三章 量子力学

§3-1 Bohr 理论的困难
§3-2 波粒二象性
§3-3 不确定关系
§3-4 波函数及其统计解释
§3-5 Schoedinger 方程
§3-6 势垒贯穿、隧道效应
§3-7 一维谐振子
§3-8 力学量的算符表示
§3-9 氢原子的波函数

第四章 原子的精细结构:电子自旋

§4-1 原子中电子轨道运动的磁矩
§4-2 Stern-Gerlach 实验
§4-3 Zeeman 效应
§4-4 电子自旋的假设
§4-5 自旋 - 轨道耦合: Paschen-Back 效应
§4-6 核磁共振

第五章 复杂原子; PAULI 不相容原理

§5-1 氢原子的量子数
§5-2 PAULI 不相容原理 与原子结构
§5-3 元素周期表

第六章 X 射线

§6-1 X 光的发现; X 光的波性
§6-2 X 光的产生:特征 X 光
§6-3 X 光的产生机制
§6-4 X 光晶体衍射
§6-5 COMPTON 效应

第七章 物质结构

§7-1 引言
§7-2 离子键
§7-3 共价键
§7-4 金属键
§7-5 绝缘体与半导体
§7-6 弱键

第八章 原子核

§8-1 引言
§8-2 放射性
§8-3 原子核的大小、质量和结合能
§8-4 核模型
§8-5 放射性衰变

三、 教学基本要求

第一章:
  • 了解 Rutherford 模型的提出、 意义及困难
  • 了解 Rutherford 公式的推导过程
  • 学会 Rutherford 公式的应用
第二章:
  • 了解 Bohr 模型提出的实验背景 , 掌握光电效应的原理及计算
  • 掌握 Bohr 模型的三个基本假定及其不足
  • 掌握类氢光谱的计算方法
  • 了解 Franck-Hertz 实验的基本原理
  • 了解 Bohr 模型的相对论修正
第三章:
  • 弄清微观粒子波粒二象性的概念以及德布罗意假设的深刻含义
  • 理解不确定关系的含义并能进行简单估算
  • 掌握波函数的统计解释并理解态叠加原理
  • 了解 Schoedinger 方程的建立并掌握简单的一维定态问题的求解
  • 了解上升算符在求解 一维谐振子问题中的应用
  • 了解代表力学量的 Hermite 算符的基本性质
  • 掌握力学量平均值的计算方法及两个力学量同时有确定值的条件
  • 了解氢原子波函数的求解过程,掌握氢原子能级的特点
第四章:
  • 掌握电子轨道磁距的概念及其量子表达式
  • 掌握电子自旋的概念并了解其实验背景
  • 了解朗德 g 因子的作用及其表达式
  • 了解 Stern-Gerlach 实验和反常 Zeeman 效应的量子解释
  • 了解自旋 - 轨道耦合的基本原理
  • 了解核磁共振的基本原理及其应用
第五章:
  • 掌握氢原子的四个量子数的含义及其取值范围
  • 掌握 Bose 子与 Fermi 子的区别以及 Pauli 不相容原理在原子结构研究中的应用
  • 了解元素周期表构建的量子物理基础
第六章:
  • 掌握 X 光的波粒二象性
  • 了解普通 X 光与特征 X 光的不同产生机理
  • 掌握 X 光晶体衍射的基本原理和实验方法
  • 掌握 Compton 散射的原理及计算
第七章:
  • 了解离子键、共价键的形成机理
  • 了解轨道杂化的概念
  • 了解金属、绝缘体和半导体的能带结构
  • 了解氢键和范德瓦耳斯键的概念
第八章:
  • 了解原子核的基本结构
  • 掌握放射性衰变的概念和有关半衰期的计算
  • 了解有关核的大小、质量和结合能的基本概念
  • 了解关于原子核的几个基本物理模型
  • 了解 α- 衰变、 β- 衰变和 γ- 衰变的基本过程

四、主要参考书

  1. “原子物理学” 杨福家著,高等教育出版社出版
  2. Modern physics: The quantum physics of atoms, solids and nuclei Robert L, Wiley(1980)
  3. Modern Physics Ronald Gautrea & William Savei McGraw Hill (1999)

五、资料下载

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