本书讲述大学普通物理的“原子物理学”部分，内容包括原子的结构、量子化的原子模型、量子力学的初步介绍、原子、分子的光谱和能级，以及原子核的基本知识。书中详细描述了有关原子物理的重要实验，提供了大量的实验数据，利用量子力学的基本知识，通过对实验结果的分析，向读者儘可能详尽地介绍了原子、分子的结构、能级、跃迁、光谱以及原子核的组成、放射性、核反应等方面的知识，以及原子物理学在各个方面的套用。对于处理和研究原子结构、能级、光谱的方法和技巧，做了仔细的说明和论证。书中附有大量图片和实验数据，便于读者参考核对。

本书适合作为大学物理类以及其他理工类本科生的教材，也适合作为其他专业读者的参考书。

本书第1章介绍了汤姆孙发现电子的实验以及卢瑟福确立原子结构模型的α粒子散射实验.第2章中，首先分析了光谱学实验的结果，以及这些结果与经典物理学理论体系的矛盾.正是为了解决这些经典物理学的困难，玻尔建立了量子化的原子模型.本章还通过多个实验说明了玻尔模型在许多方面所获得的巨大成功.第3章开始介绍量子力学的基础知识，通过对多个实验事实的仔细描述和分析，向读者展示了光的粒子性和电子（包括分子）的波动性，引入了德布罗意物质波的思想，并特彆强调了“波粒二象性是量子力学的基础”这一重要观点.从波粒二象性出发，自然地得到了不确定关係、态叠加原理以及波函式的统计解释等这些量子力学中最基本的原则，随后介绍了薛丁格方程和不同表象下的力学量算符，并利用该方程计算了几个一维情况下微观体系的波函式和本徵值，特别对单个电子在有心力场（库侖势）中的波函式以及电子角动量的本徵值做了详细的分析与合理的解释，为之后利用这些理论研究原子的状态做了充分的準备.第4章至第7章是本书的核心部分，分别介绍了单电子原子、多电子原子、磁场中的原子以及分子的能级和光谱，其中充分地利用了第3章中已经介绍过的量子力学的知识，结合对各种原子光谱的实验研究结果，通过对电子角动量和磁矩的讨论，逐步引入了分析各种不同类型、不同外界条件下（主要是外磁场）原子状态的方法，以及建立在泡利原理基础上的原子壳层模型和元素的周期律，并对简单分子的能级和光谱做了讨论.第8章介绍了原子核的基本知识，由于对原子核以及基本粒子的研究还在不断地深入和发展，所以本章注重向读者展示核物理的实验研究结果.

经过相当长时期的探索，直到20世纪初，人们对原子本身的结构和内部运动规律才有了比较清楚的认识，之后才逐步建立起近代的原子物理学。
1897年前后，科学家们逐渐确定了电子的各种基本特性，并确立了电子是各种原子的共同组成部分。通常，原子是电中性的，而既然一切原子中都有带负电的电子，那幺原子中就必然有带正电的物质。20世纪初，对这一问题曾提出过两种不同的假设。

1904年，汤姆逊提出原子中正电荷以均匀的体密度分布在一个大小等于整个原子的球体内，而带负电的电子则一粒粒地分布在球内的不同位置上，分别以某种频率振动着，从而发出电磁辐射。这个模型被形象的比喻为"果仁麵包"模型，不过这个模型理论和实验结果相矛盾，很快就被放弃了。

1911年卢瑟福在他所做的粒子散射实验基础上，提出原子的中心是一个重的带正电的核，与整个原子的大小相比，核很小。电子围绕核转动，类似大行星绕太阳转动。这种模型叫做原子的核模型，又称行星模型。从这个模型导出的结论同实验结果符合的很好，很快就被公认了。

绕核作旋转运动的电子有加速度，根据经典的电磁理论，电子应当自动地辐射能量，使原子的能量逐渐减少、辐射的频率逐渐改变，因而发射光谱应是连续光谱。电子因能量的减少而循螺线逐渐接近原子核，最后落到原子核上，所以原子应是一个不稳定的系统。

但事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱是线状的，而不是连续的。这些事实表明:从研究巨观现象中确立的经典电动力学，不适用于原子中的微观过程。这就需要进一步分析原子现象，探索原子内部运动的规律性，并建立适合于微观过程的原子理论。

1913年，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福所提出的核模型的基础上，结合原子光谱的经验规律，套用普朗克于1900年提出的量子假说，和爱因斯坦于1905年提出的光子假说，提出了原子所具有的能量形成不连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就发射出一定频率的光的假说。

玻尔的假设能够说明氢原子光谱等某些原子现象，初次成功地建立了一种氢原子结构理论。建立玻尔理论是原子结构和原子光谱理论的一个重大进展，但对原子问题作进一步的研究时，却显示出这种理论的缺点，因此只能把它视为很粗略的近似理论。

1924年，德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假设，以后的观察证明，微观粒子具有波的性质。1926年薛丁格在此基础上建立了波动力学。同时，其他学者，如海森伯、玻恩、狄拉克等人，从另外途径建立了等效的理论，这种理论就是现在所说的量子力学，它能很好地解释原子现象。

20世纪的前30年，原子物理学处于物理学的前沿，发展很快，促进了量子力学的建立，开创了近代物理的新时代。由于量子力学成功地解决了当时遇到的一些原子物理问题，很多物理学家就认为原子运动的基本规律已清楚，剩下来的只是一些细节问题了。

由于认识上的局限性，加上研究原子核和基本粒子的吸引，除一部分波谱学家对原子能级的精细结构与超精细结构进行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理学家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相当长的一段时间里，对原子物理未能进行全面深入的研究，
使原子物理的发展受到了一定的影响。

20世纪50年代末期，由于空间技术和空间物理学的发展，工程师和科学家们发现，只使用已有的原子物理学知识来解决空间科学和空间技术问题已是很不够了。过去，人们已精确测定了很多谱线的波长，深入研究了原子的能级，对谱线和能级的理论解释也比较準确。

但是，对谱线强度、跃迁几率、碰撞截面等这些空间科学中非常重要的基本知识，则了解得很少，甚至对这些物理量的某些参数只知道其量级。核试验中遇到的很多问题也都与这些知识有关。因此还必须对原子物理进行新的实验和理论探讨。

原子物理学的发展对雷射技术的产生和发展，作出过很大的贡献。雷射出现以后，用雷射技术来研究原子物理学问题，实验精度有了很大提高，因此又发现了很多新现象和新问题。射频和微波波谱学新实验方法的建立，也成为研究原子光谱线的精细结构的有力工具，推动了对原子能级精细结构的研究。因此，在20世纪50年代末以后，原子物理学的研究又重新被重视起来，成为很活跃的领域。

目录:前言 1

绪论 1

第一章 原子的基本状况 6

1.1 原子的质量和大小 6

1.2 原子的核式结构 8

1.3 同位素 19

习题 20

第二章 原子的能级和辐射 22

2.1 光谱--研究原子结构的重要途径之一 22

2.2 氢原子的光谱和原子光谱的一般情况 24

2.3 玻尔的氢原子理论和关于原子的普遍规律 26

2.4 类氢离子的光谱 36

2.5 夫兰克-赫兹实验与原子能级 42

2.6 量子化通则 48

2.7 电子的椭圆轨道与氢原子能量的相对论效应 50

2.8 史特恩-盖拉赫实验与原子空间取向的量子化 55

2.9 原子的激发与辐射 雷射原理 62

2.10对应原理和玻尔理论的地位 70

习题 75

第三章 量子力学初步 78

3.1 物质的二象性 78

3.2 测不準原理 82

3.3 波函式及其物理意义 86

3.4 薛丁格波动方程 89

3.5 量子力学问题的几个简例 93

3.6 量子力学对氢原子的描述 103

习题 113

第四章 硷金属原子和电子自旋115

4.1 硷金属原子的光谱 115

4.2 原子实的极化和轨道的贯穿 120

4.3 硷金属原子光谱的精细结构 124

4.4 电子自旋同轨道运动的相互作用 126

4.5 单电子辐射跃迁的选择定则134

4.6 氢原子光谱的精细结构与蓝姆移动 135

习题 143

第五章 多电子原子 145

5.1 氦及周期系第二族元素的光谱和能级 145

5.2 具有两个价电子的原子态 149

5.3 泡利原理与同科电子 159

5.4 複杂原子光谱的一般规律 161

5.5 辐射跃迁的普用选择定则164

5.6 原子的激发和辐射跃迁的一个实例--氦氖雷射器 165

习题 168

第六章 在磁场中的原子 170

6.1 原子的磁矩 170

6.2 外磁场对原子的作用 174

6.3 史特恩-盖拉赫实验的结果 178

6.4顺磁共振180

6.5 塞曼效应 184

6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性191

习题 196

第七章 原子的壳层结构 199

7.1 元素性质的周期性变化 199

7.2 原子的电子壳层结构 202

7.3 原子基态的电子组态 205

习题 217

第八章 X射线 219

8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量 219

8.2 X射线的发射谱 224

8.3 同X射线有关的原子能级 229

8.4 X射线的吸收 233

8.5 康普顿效应 237

8.6 X射线在晶体中的衍射 242

习题 248

第九章 分子结构和分子光谱 250

9.1 分子的键联 250

9.2 分子光谱和分子能级 256

9.3 双原子分子的电子态 260

9.4 双原子分子的振动光谱 263

9.5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 267

9.6 组合散射(拉曼效应) 275

9.7 多原子分子简述 279

习题 284

第十章 原子核 285

10.1 原子核的基本性质 285

10.2 原子核的放射衰变 295

10.3 射线同实物的相互作用和放射性的套用 312

10.4 核力 323

10.5 原子核结构模型 326

10.6 原子核反应 341

10.7 原子核裂变和原子能 352

10.8 原子核的聚变和原子能利用的展望 359

习题 368

第十一章 基本粒子 370

11.1 基本粒子和粒子的相互作用 370

11.2 粒子的观测 373

11.3 守恆定律和对称原理 382

11.4 共振态 388

11.5 强子分类和层子模型 394

11.6 关于电磁相互作用400

11.7 弱相互作用 403

习题 409

常用物理常数 411

参考书籍 412

外国人名表 413

索引 415

近十多年来，对原子碰撞的研究工作进展很快，已成为原子物理学的一个主要发展方向。目前原子碰撞研究的课题非常广泛，涉及光子、电子、离子、中性原子等与原子和分子碰撞的物理过程。与原子碰撞的研究相应，发展了电子束、离子束、粒子加速器、同步辐射加速器、雷射器等雷射源、各种能谱仪等测谱设备，以及电子、离子探测器、光电探测器和微弱信号检测方法，还广泛地套用了核物理技术和光谱技术，也发展了新的理论和计算方法。电子计算机的套用，加速了理论计算和实验数据的处理。

摺叠

原子光谱与雷射技术的结合，使光谱解析度达到了百万分之一赫兹以下，时间解析度接近万亿分之一秒量级，空间分辨达到光谱波长的数量级，实现了光谱在时间、空间上的高分辨。由于雷射的功率密度已达到一千万瓦每平方厘米以上，光波电场场强已经超过原子的内场场强，强雷射与原子相互作用产生了饱和吸收和双光子、多光子吸收等现象，发展了非线性光谱学，从而成为原了物理学中另一个十分活跃的研究方向。

极端物理条件(高温、低温、高压、强场等)下和特殊条件(高激发态、高离化态)下原子的结构和物性的研究，也已成为原子物理研究中的重要领域。

原子量有两种:原子原子量和元素原子量。原子原子量是原子以碳单位为质量单位(见"原子质量单位")量度的原子质量，是一种相对质量。如12C原子的原子量为12.000000，13C原子的原子量为13.008665。而通常所说的化学元素的原子量是指该元素在自然界存在的同位素混合物的平均原子量，跟混合物中各成分的占有率直接有关。

元素原子量的计算公式为:元素原子量，其中mi，λi分别为第i种同位素的原子量和它在混合物中的占有率，r为同位素的种数。如自然界的碳，是三种同位素12C、13C、14C的混合物，分别占98.892%，1.108%，12×10-10%，因此，碳元素的原子量是12×98.892%+13×1.108%=12.011，而不是整数12，这就是元素周期表中列出的碳原子量。若某元素没有天然同位素，则该元素原子量就是该原子的原子质量(以碳单位为质量单位)。如钠原子只有一种23Na，则钠元素的原子量就是钠原子的原子量22.98977。

1962年以前物理学中曾经用16O原子质量的1/16作为物理学中原子质量单位，这是物理学中的氧单位。而在化学中仍採用天然同位素混合物(由16O和微量的17O、18O组成)的平均质量的1/16为化学中原子质量单位，称为化学中的氧单位(即1.6734×10-27kg)，这是对原子质量的两种标度。按照物理标度，氧元素的原子量为整数16，而按照物理标度，则为16.004462。自然界中氧的同位素组成，在海水中与在空气和岩石中不一样，因此氧单位的化学标度不够严格。从1962年起物理学和化学统一用碳单位为原子质量单位，解决了物理学和化学中标度不一致的问题。採用碳单位还有其他好处，如可用质谱仪测量质量，準确度很高;碳能生成很多含碳原子的分子、离子，便于用质谱仪测量，将12C和很多元素的离子的质量进行精确比较，从而确定其原子量;用12C为标準，对原来的原子量的修正值也不大。

"原子量"现已更名为"相对原子质量"。

原子是从巨观到微观的第一个层次，是一个重要的中间环节。物质世界这些层次的结构和运动变化，是相互联繫、相互影响的，对它们的研究缺一不可，很多其他重要的基础学科和技术科学的发展也都要以原子物理为基础，例如化学、生物学、空间物理、天体物理、物理力学等。雷射技术、核聚变和空间技术的研究也要原子物理提供一些重要的数据，因此研究和发展原子物理这门学科有着十分重要的理论和实际意义。