原子物理學（上冊）：原子與輻射的電磁相互作用 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

　　《原子物理學（上冊）：原子與輻射的電磁相互作用》闡述近代原子物理學的基本原理和重要實驗.《原子物理學（上冊）：原子與輻射的電磁相互作用》分為上下兩冊，上冊論述原子和電磁輻射場的相互作用，下冊主要內容是建立在量子力學基礎上的原子結構.
　　上冊著重通過能量、動量和角動量三個物理量的守恒定律，敘述原子與外部環境（運動電荷、磁場或電磁輻射等）交換所産生的一切物理現象，並引齣量子概念和波與粒子的關係.結閤一係列重要物理概念，描述瞭大量原創性實驗，闡發瞭揭示物理現象本質和獲取精確數據的巧妙構思.
　　《原子物理學（上冊）：原子與輻射的電磁相互作用》在內容取捨和敘述風格上與國內多數同類教材顯著不同，獨具特色：密切聯係應用實際，貼近科研前沿，啓發創新思維.《原子物理學（上冊）：原子與輻射的電磁相互作用》是大學物理與相關應用學科高年級學生和研究生的優良參考書.特彆對於從事原子分子光物理、量子光學等相關專業的學生與科研人員，《原子物理學（上冊）：原子與輻射的電磁相互作用》是一本很好的入門書.

目錄

序
譯者前言
下冊主題
引言
所用符號錶
第一編 能量與動量的交換
第1章 能量交換的量子化
1.1 普朗剋定律的迴顧
1.2 光電效應 （能量交換量子化的確證）
1.2.1 實驗描述
1.2.2 閾值與最大反嚮電壓的解釋
1.2.3 靈敏度和量子效率
1.2.4 光電離
1.3 光譜 （原子能級的量子化）
1.3.1 組閤原理和玻爾定律
1.3.2 光學共振實驗， 原子基態
1.3.3 譜綫寬度， 多普勒效應
1.4 原子蒸氣的電子激發 （能級量子化的確證）
1.4.1 電離勢
1.4.2 彈性碰撞與非彈性碰撞
1.4.3 共振電勢， 弗蘭剋赫茲實驗
1.4.4 臨界勢 （激發能）

第2章 輻射的動量
2.1 經典圖景， 輻射壓強
2.1.1 用經典電磁學計算輻射壓強
2.1.2 用動量概念解釋
2.1.3 實驗驗證
2.2 光子的動量
2.2.1 從輻射壓強齣發
2.2.2 從相對論齣發
2.3 光子的彈性散射， 康普頓效應
2.3.1 X 射綫散射的康普頓實驗
2.3.2 自由電子彈性散射的計算
2.3.3 康普頓電子的觀察
2.3.4 束縛電子的彈性散射， 湯姆孫散射
2.4 原子的非彈性散射
2.4.1 光子的吸收
2.4.2 光子的發射
2.4.3 射綫的應用， 穆斯堡爾效應
2.4.4 光束引起的原子束偏轉
2.4.5 補充：原子的減速或冷卻
2.5 能量與動量交換體係的總復習

第3章 輻射躍遷概率
3.1 光波的吸收
3.1.1 吸收係數
3.1.2 與碰撞理論有效截麵的比較， 剛球模型
3.1.3 單位時間的躍遷概率
3.1.4 實驗現象的頻率分布
3.2 光子的自發發射
3.2.1 自發發射概率和激發態壽命
3.2.2 壽命的實驗測量
3.3 感生或受激發射， 愛因斯坦輻射理論
3.3.1 感生或受激發射概念
3.3.2 光學共振中三種躍遷的總計
3.3.3 輻射躍遷概率之間的關係
3.3.4 共振躍遷的飽和

第4章 微波激射器和激光器
4.1 光放大原理
4.1.1 總吸收係數， 自透明
4.1.2 布居數反轉， 放大條件
4.2 布居數反轉方法， 抽運
4.2.1 原子或分子束選態
4.2.2 用另一躍遷的電磁波進行抽運
4.2.3 氣體中的電子碰撞
4.2.4 與異類原子、離子或分子的碰撞
4.2.5 半導體中的電子注入
4.3 激光振蕩器， 諧振腔的作用
4.3.1 用於正反饋的光學腔
4.3.2 腔內一次來迴的增益與損耗， 振蕩閾值
4.3.3 腔的品質因數和阻尼時間
4.3.4 無腔振蕩 （超輻射）
4.4 運轉狀態
4.4.1 振蕩頻率， 單模或多模狀態
4.4.2 連續振蕩器的時態
4.4.3 脈衝振蕩器的時態
4.4.4 放大器的應用

第二編 波——粒關係
第5章 相乾波與光子
5.1 光波的相乾性概念
5.2 時間相乾性實例
5.2.1 鄰近頻率波的疊加
5.2.2 振幅變化引起的頻率擴展
5.2.3 單模激光器的頻率波動 （跳變）
5.2.4 長相乾時間激光的應用
5.3 空間相乾性
5.3.1 不同方嚮波的疊加
5.3.2 有限波束的角寬度
5.3.3 相乾寬度的實際限製
5.3.4 激光空間相乾性的應用
5.3.5 一個利用空間和時間兩種相乾性的實驗
5.3.6 高斯光束
5.3.7 補充：高斯光束中的不確定性原理
5.4 波與光子
5.4.1 如何描述一束電磁波中的光子？
5.4.2 光電子計數
5.4.3 用光電子計數觀察楊氏乾涉花紋
5.4.4 用 單光子" 觀察法布裏{珀羅環
5.4.5 極弱強度獨立激光之間的乾涉
5.4.6 補充：自發發射的球麵波

第6章 物質粒子束的乾涉
6.1 德布羅意波
6.2 電子乾涉
6.2.1 實驗裝置
6.2.2 乾涉花紋的計算與觀察
6.2.3 數值計算， 數量級
6.2.4 相繼電子間的時間間隔
6.3 中子衍射和乾涉
6.3.1 快中子和熱中子
6.3.2 中子束的晶體衍射
6.3.3 中子束乾涉
6.4 原子束的乾涉
6.4.1 非共振光波誘導的動量轉移
6.4.2 光駐波波腹平麵上原子波的衍射
6.4.3 原子乾涉儀

第三編 與原子交換角動量
第7章 角動量與磁矩， 鏇磁效應
7.1 磁矩的微觀定義
7.1.1 經典磁矩概念的迴顧
7.1.2 對運動點電荷係統的推廣
7.2 鏇磁比和拉莫爾進動
7.2.1 鏇磁比
7.2.2 均勻磁場的作用， 陀螺儀效應
7.3 順磁性與弛豫
7.4 愛因斯坦{德哈斯實驗：改變磁化強度引起的鏇轉
7.4.1 實驗原理
7.4.2 衝擊運動實驗的實現
7.4.3 持續振蕩的實驗
7.4.4 測量結果與結論
7.5 巴尼特實驗：由鏇轉運動引起的磁化
7.6 磁共振實驗：拉莫爾進動的證明
7.6.1 實驗原理 （沒有弛豫時的計算）
7.6.2 考慮弛豫時的計算：布洛赫方程
7.6.3 布洛赫方程的穩態解
7.6.4 射頻檢測的實驗驗證
7.6.5 磁共振現象的應用 （電子順磁共振 EPR 和核磁共振 NMR）
7.6.6 補充：能量交換的計算

第8章 施特恩——格拉赫實驗， 空間量子化
8.1 施特恩{格拉赫實驗
8.1.1 實驗原理
8.1.2 實驗裝置描述
8.1.3 實驗結果
8.2 角動量量子化
8.2.1 角動量量子數的定義
8.2.2 磁矩的應用， 玻爾磁子和朗德因子
8.2.3 塞曼子能級
8.3 在計算順磁磁化強度上的應用
8.3.1 布裏淵的計算
8.3.2 與朗之萬經典計算的比較
8.3.3 布裏淵公式的實驗驗證
8.4 對磁共振的應用
8.4.1 相鄰塞曼子能級的玻爾定則
8.4.2 用拉比方法的原子束實驗，躍遷概率
8.4.3 穩態實驗， 布居數趨同與吸收功率

第9章 輻射的角動量， 塞曼效應
9.1 經典圖景， 圓偏振波引起的轉動
9.1.1 圓偏振的復習
9.1.2 光對各嚮異性薄片的作用力
9.1.3 用角動量概念的解釋
9.1.4 實驗驗證
9.2 光子的角動量和磁共振
9.2.1 産生磁共振的波的偏振
9.2.2 磁共振引起的轉動
9.3 磁量子數的選擇定則，塞曼效應
9.3.1 選擇定則
9.3.2 塞曼組分的頻率和數目
9.3.3 實驗觀察與偏振
9.3.4 補充 1：格羅特裏安圖
9.3.5 補充 2：斜嚮收集光
9.4 激發態射頻共振的光檢測
9.5 基態光抽運

第10章 自由電子的角動量和磁矩
10.1 自鏇假說
10.2 自由電子自鏇的拉莫爾進動
10.2.1 電子自鏇散射引起的極化
10.2.2 電子自鏇的陀螺儀效應
10.2.3 （g2） 的直接測量
10.3 自由電子自鏇的磁共振
10.4 電磁阱的應用
10.4.1 帶電粒子阱的功能
10.4.2 對電子的應用， 測量
10.4.3 對正離子的應用

附錄 1 適用於各種單位製的電磁學公式匯編
附錄 2 原子束中的速度
A.2.1 蒸氣中速度分布規律的迴顧
A.2.2 原子束流的應用

附錄 3 經典雙體碰撞，質心，約化運動
A.3.1 約化為質心
A.3.2 彈性碰撞的結算
A.3.3 有心力運動的第一積分

附錄 4 盧瑟福散射實驗
A.4.1 選擇 粒子作為投射粒子
A.4.2 通過單靶附近時投射粒子的偏轉
A.4.3 粒子係統的統計， 微分有效截麵
A.4.4 勢能為 1=r 的特殊情況， 盧瑟福實驗

附錄 5 原子物理發展史概述
A.5.1 原子的存在與阿伏伽德羅常量 N
A.5.2 電子的確認
A.5.3 輻射能量的量子化
A.5.4 原子結構
A.5.5 核磁性
A.5.6 波動力學或量子力學
索引

精彩書摘

　　《原子物理學（上冊）：原子與輻射的電磁相互作用》：
　　第1章 能量交換的量子化
　　第1章 僅限於講述普遍的能量守恒定律的應用.我們將利用這一定律來解釋幾個實驗，從而證明在微觀尺度上能量交換的不連續性.
　　1.1 普朗剋定律的迴顧
　　高溫物體發射熱輻射既是通常的實驗現象，也是我們日常生活的一部分（如白熾燈照明）.曆史上正是通過對這一現象的科學研究，纔導齣瞭量子化的概念.
　　眾所周知，隨著物體溫度的升高，人眼感覺到的輻射顔色就由紅逐漸變為白.手藝或工業上的經驗也錶明，爐子內部的顔色是爐溫的量度，由此便産生瞭對爐內發光強度光譜分布的科學研究.
　　探測器所接收和測量到的發光強度在很大程度上與實驗條件有關；因此，把實驗結果與一個具有簡單理論解釋的物理量爐內電磁輻射的能量密度u聯係起來是閤理的.把爐內能量密度u與爐子發射光束中攜帶的功率P聯係起來是很容易的，後者可從實驗上測得，它與爐子內壁的發光率L有關：P=LS-cosi（1.1）
　　其中，P是從錶麵S發齣的、中綫與錶麵法綫成i角的立體角-內輻射光束的功率.這種輻射具有連續譜.也就是說，它的能量作為電磁波頻率的函數是一個連續分布.為瞭研究這個分布，需要定義一個相對於頻率的微分能量密度或光譜密度.o，以使乘積.odo錶示頻率在o與o+do之間的全部電磁波的能量密度.換句話說，總能量密度u是.o對整個頻率範圍的積分：
　　根據實驗測量結果可以畫齣一條麯綫，它代錶在確定的熱力學溫度T下.o隨o變化的函數；而且對所有具有相同溫度T的爐子，都有同樣的麯綫.圖1.1描述瞭不同溫度下麯綫的形狀：在很低頻率處能量密度為零，在高頻處又變為零；在頻率為oM處能量密度通過極大值；oM本身則隨溫度增加而提高，但在工業能實現的溫度範圍內，它總是處在紅外區域.
　　基於經典電磁輻射理論的熱輻射現象的熱力學理論，不可能對這些麯綫的形狀做齣正確描述；它能解釋很低頻率處（o.0）觀察到的麯綫的拋物綫部分，卻不能￠4￠解釋高頻處的再次下降.為瞭理解麯綫的形狀，1900年德國物理學傢普朗剋提齣，在應用熱力學理論時要假設爐壁和電磁波之間的能量交換是不連續的.更確切地說，這種假說認為，爐壁和頻率為o的電磁波之間交換的能量總是一個與o成比例的某個最小量ho的整倍數.利用這個假說，他計算齣微分能量密度：
　　其中，c是光速；kB是玻爾茲曼常量；h是普朗剋常量.
　　該公式與實驗麯綫符閤得很好.1901年陸末（Lummer）和普林捨姆（Pringsheim）所做的全部仔細驗證都與之完全符閤.通過這些驗證還得以重新測定玻爾茲曼常量kB，其值與當時公認值相符；同時還首次測得瞭普朗剋常量h.如今其公認值是h=6：626068￡10.27erg￠s=6：626068￡10.34J￠s
　　這裏，我們對普朗剋公式將不作統計熱力學的推導，因為通常在所有熱力學教程中對它都有詳細的敘述.我們隻想簡單迴顧一下，用統計熱力學解釋的熱輻射現象是怎樣使我們在曆史上第一次得到能量交換量子化的實驗證明的.
　　在後麵章節中，我們將更詳盡地敘述一些能更加明確顯示實物和電磁波之間能量交換不連續性的物理現象.在能量交換的計算中，使用光子概念是比較方便的，它能簡潔地錶示這些以等於ho的數值為單位來進行交換的能量包".但是，我們將把光子概念嚴格限製於這樣的定義（參見本章總結）.
　　1.2光電效應（能量交換量子化的確證）
　　1.2.1實驗描述
　　光電效應是一種特彆容易演示的現象.隻要用一盞汞燈（紫外光源）照射到安裝在帶電的驗電器的一塊鋅闆上就可以瞭.若驗電器帶正電，就什麼都沒有；但若帶負電，就會看到緩慢放電：光的照射使過量的負電荷從金屬闆析齣阿爾布瓦剋
　　第1章能量交換的量子化￠5￠
　　如果把一片能透過可見光而吸收紫外光的玻璃片或有機玻璃片放在光源和鋅闆之間，則驗電器仍保持帶電.這就顯示瞭光電效應的一個基本特徵：它隻有在波長足夠短，或頻率足夠高的電磁波作用下纔能産生.更係統的研究使我們能精確測得一個閾頻率，低於這個頻率，光電效應就不會發生.這個閾頻率是金屬闆材料的特徵參量.
　　為瞭更深入地研究此效應，需要把金屬闆放在真空中，以便將發齣的負電荷收集起來.用質譜技術可以測量這些負電荷的電荷q與質量m之比q=m，並確認它們就是電子[萊納爾（Lenard），1899].
　　這樣，人們用密封在真空管內的一塊光敏的金屬闆（叫做光陰極）和一條用以收集電子的絲狀電極（稱為陽極）組成一隻光電管.在正常工作情況下，集電極相對於金屬闆帶正電位V.圖1.2給齣瞭有關光電管工作的一切重要實驗結果.
　　圖1.2（a）畫齣瞭研究用的實驗裝置.我們測量通過光電管的電流I與相對於金屬闆的集電極電壓V的關係，該電壓可正可負.我們還畫齣特徵麯綫，其形狀如圖1.2（b）和圖1.2（c）所示.當電壓V是正的，且足夠高時，電流I有最大的恒定值IM，稱為飽和光電流.從光電管的技術應用觀點來看，重要的是飽和電流IM，它正比於入射光功率P（圖1.2（e））.因此可以利用光電管來測量光的強度.當電壓V減小到接近於零時，電流也減小，但當電壓為零時電流並不為零；隻有當電壓達到某一負值V0時，它纔為零.電壓的模jV0j錶示最大反嚮電壓，超齣這個值時，就沒有任何電流瞭，因為電極排斥瞭所有的電子.為瞭全麵細緻地理解該現象，最重要的是考察最大反嚮電壓jV0j.它遵從極為精確的定律：
　　1）它的值隻依賴於所用光的頻率（若固定o而改變光束功率P，jV0j不變，圖1.2（b））.
　　2）它的值隨著光頻率o的升高而提高（圖1.2（c））；更確切地說，其值是頻率的綫性函數.圖1.2（d）錶明瞭這一點，從圖中可以看到一條直綫，錶示jV0j是o的函數，在閾頻率oS處，其值為零，低於這個頻率，就不再有光電效應.
　　3）這條有代錶性的直綫的斜率是一個常數，它與所有實驗條件無關，特彆是與組成光陰極的材料無關，而oS卻與材料有關.
　　1.2.2閾值與最大反嚮電壓的解釋
　　當V從負值V0升高時，光電流I也會逐漸增加，可以簡單地把這一事實解釋為一切電子管中常見的空間電荷現象.如果陰極不斷産生電子，而陽極又來不及把它們收集起來，在金屬闆附近就會有電子積纍，並在真空管中形成負電荷區，它將阻止後來的電子通過.當陽極上的電壓V足夠高時，陽極將迅速吸走電子，空間電荷就消失瞭；於是在光陰極上由光産生的全部電子就被收集起來，從而就解釋瞭稱為飽和光電流的最大電流IM.
　　a）閾頻率
　　相反地，光靠經典物理規律不可能解釋最大反嚮電壓jV0j和光電閾值oS，以及為什麼兩者都與光波的功率P無關.誠然，光電效應似乎應該與光波電場作用在電子上的力有關，當功率P提高時，這個電場也要相應增大.但是相反，如果采用愛因斯坦在1905年提齣的輻射場和物質之間能量交換的量子化假說，光電效應的上述這些特性就很容易解釋瞭.
　　在正常情況下，電子是束縛在金屬中的.因此，為瞭從金屬中析齣一個電子，必須剋服吸引力的反抗.假若能有效地從金屬中獲得一個電子，就必須剋服這些吸引力而做功，稱為萃取功或脫齣功TS.也就是說，要給電子一個脫齣能WS=jTSj.
　　第1章能量交換的量子化
　　換句話說，當一個電子從金屬中析齣時，金屬{電子體係就增加瞭一份勢能WS（對WS意義的更精確討論請參見固體物理教程）.這個脫齣能可從熱電子發射現象測得，因為用這種現象的理論可以計算齣從二極管發齣的熱電子飽和電流IS和熱金屬絲熱力學溫度T的關係，計算公式是
　　IS=AT2exp（.WS=kBT）
　　脫齣功是每種金屬或閤金的特徵參量.這意味著，要從金屬奪得一個電子，必須給它一份能量，使它能抵消反抗金屬對電子的束縛力所做的功TS，這份能量要大於WS.如果光波是以能量為ho的分立的光子形式與電子交換的，則隻有當ho>WS=hoS時，纔能從金屬中奪得電子.這樣，我們就解釋瞭光電效應的閾頻率：閾頻率光子的能量正好等於脫齣能WS.
　　b）最大反嚮電壓
　　當光波頻率o大於oS時，光子多餘的能量會以速度為v的動能的形式被電子帶走，因此能量仍保持守恒，這就是光電效應的愛因斯坦方程.這樣算齣的動能mv2=2是從金屬脫齣時不受空間電荷阻擋的光電子的最大動能.正是這個初始動能使電子能剋服排斥它的負電壓而到達集電極.電子所能剋服的最大反嚮電壓jV0j取決於它們的最大動能.其中，e是元電荷，e=1：6￡10.19C；電子所帶電荷為q=.e.這樣，我們滿意地解釋瞭為什麼最大反嚮電壓jV0j是頻率的綫性函數，在閾頻率oS處，jV0j為零，而它的斜率為物理常數h/e.
　　這種解釋的正確性為實驗測得的數值所證實：
　　測量直綫jV0j=f（o）的斜率得到常數h=e的值，從該斜率導齣普朗剋常量新的測量值.所得數值與從熱輻射測量中得到的值相符；
　　從閾頻率oS齣發，可以計算齣不同金屬的脫齣勢VS（圖1.2（d））：
　　VS的值錶示以電子伏特為單位的脫齣能WS.檢驗結果發現，這個值與熱電子發射的實驗測量值符閤得很好.為瞭得到數量級概念，我們給齣某些脫齣勢的數據對堿金屬和堿土金屬，該波長處於可見光區域，但對Zn、Fe和Ni，它處在紫外區域.
　　注：得齣這些數據的測量要比從圖1.2所示麯綫所設想的更為復雜.實際上，電壓V0的確定會受到集電極（陽極）上寄生光電效應的乾擾，它能使電流改變方嚮.在1905年至1916年間密立根所做的高精度測量中，他選用瞭與光陰極不同的金屬作光電管的陽極，使它的閾頻率比光陰極的閾頻率更高.用介於此兩閾頻率之間的頻率進行工作，就消除瞭寄生光電效應.
　　但是，用兩種不同金屬工作時又齣現瞭一個新問題：因為在不同性質金屬之間存在著接觸電勢差.在一個等溫的閉閤金屬環路中，接觸電勢差的代數和為零，而在金屬環路斷開的情況下，就會齣現這個接觸電動勢差.在光電管中，兩個電極之間就屬於後一種情況，因此就必須對實驗結果進行修正.
　　1.2.3靈敏度和量子效率
　　我們看到，對於給定的顔色（給定的頻率）而言，飽和光電流IM是與光束的功率P成正比的（圖1.2（e））.光電管的靈敏度是通過測量這條直綫的斜率，即比率IM=P而得到.
　　假設每個入射光子釋放一個電子，就可計算齣該比率.每秒入射光子數為N=P=ho；因此它們釋放N個電子，其産生的電流為IM=Ne

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