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原子物理学第二章习题答案
第二章 原子的能级和辐射
2.1 试计算氢原子的第一玻尔轨道上电子绕核转动的频率、线速度和加速度。
解：电子在第一玻尔轨道上即年n=1。根据量子化条件，

可得：频率

速度：米/秒
加速度：
2.2 试由氢原子的里德伯常数计算基态氢原子的电离电势和第一激发电势。
解：电离能为，把氢原子的能级公式代入，得：=13.60电子伏特。
电离电势：伏特
第一激发能：电子伏特
第一激发电势：伏特
2.3 用能量为12.5电子伏特的电子去激发基态氢原子，问受激发的氢原子向低能基跃迁时，会出现那些波长的光谱线？
解：把氢原子有基态激发到你n=2,3,4……等能级上去所需要的能量是：
其中电子伏特
电子伏特
电子伏特
电子伏特
其中小于12.5电子伏特，大于12.5电子伏特。可见，具有12.5电子伏特能量的电子不足以把基态氢原子激发到的能级上去，所以只能出现的能级间的跃迁。跃迁时可能发出的光谱线的波长为：

2.4 试估算一次电离的氦离子、二次电离的锂离子的第一玻尔轨道半径、电离电势、第一激发电势和赖曼系第一条谱线波长分别与氢原子的上述物理量之比值。
解：在估算时，不考虑原子核的运动所产生的影响，即把原子核视为不动，这样简单些。
a) 氢原子和类氢离子的轨道半径：

b) 氢和类氢离子的能量公式：

其中
电离能之比：

c) 第一激发能之比：

d) 氢原子和类氢离子的广义巴耳末公式：
，
其中是里德伯常数。
氢原子赖曼系第一条谱线的波数为：

相应地，对类氢离子有：

因此，

2.5 试问二次电离的锂离子从其第一激发态向基态跃迁时发出的光子，是否有可能使处于基态的一次电离的氦粒子的电子电离掉？
解：由第一激发态向基态跃迁时发出的光子的能量为：
的电离能量为：

由于，
从而有，所以能将的电子电离掉。
2.6 氢与其同位素氘（质量数为2）混在同一放电管中，摄下两种原子的光谱线。试问其巴耳末系的第一条（）光谱线之间的波长差有多大？已知氢的里德伯常数，氘的里德伯常数。
解：，
，

2.7 已知一对正负电子绕其共同的质心转动会暂时形成类似于氢原子结构的“正电子素”。试计算“正电子素”由第一激发态向基态跃迁发射光谱的波长为多少？
解：

2.8 试证明氢原子中的电子从n+1轨道跃迁到n轨道，发射光子的频率。当n>>1时光子频率即为电子绕第n玻尔轨道转动的频率。
证明：在氢原子中电子从n+1轨道跃迁到n轨道所发光子的波数为：
频率为：
当n>>时，有，所以在n>>1时，氢原子中电子从n+1轨道跃迁到n轨道所发光子的频率为：。
设电子在第n轨道上的转动频率为，则

因此，在n>>1时，有
由上可见，当n>>1时，请原子中电子跃迁所发出的光子的频率即等于电子绕第n玻尔轨道转动的频率。这说明，在n很大时，玻尔理论过渡到经典理论，这就是对应原理。
2.9 原子序数Z=3，其光谱的主线系可用下式表示：
。已知锂原子电离成离子需要203.44电子伏特的功。问如把离子电离成离子，需要多少电子伏特的功？
解：与氢光谱类似，碱金属光谱亦是单电子原子光谱。锂光谱的主线系是锂原子的价电子由高的p能级向基态跃迁而产生的。一次电离能对应于主线系的系限能量，所以离子电离成离子时，有
是类氢离子，可用氢原子的能量公式，因此时，电离能为：。
设的电离能为。而需要的总能量是E=203.44电子伏特，所以有
2.10 具有磁矩的原子，在横向均匀磁场和横向非均匀磁场中运动时有什么不同？
答：设原子的磁矩为，磁场沿Z方向，则原子磁矩在磁场方向的分量记为，于是具有磁矩的原子在磁场中所受的力为，其中是磁场沿Z方向的梯度。对均匀磁场，，原子在磁场中不受力，原子磁矩绕磁场方向做拉摩进动，且对磁场的 取向服从空间量子化规则。对于非均磁场，原子在磁场中除做上述运动外，还受到力的作用，原子射束的路径要发生偏转。
2.11 史特恩-盖拉赫实验中，处于基态的窄银原子束通过不均匀横向磁场，磁场的梯度为特斯拉/米，磁极纵向范围=0.04米(见图2-2)，从磁极到屏距离=0.10米，原子的速度米/秒。在屏上两束分开的距离米。试确定原子磁矩在磁场方向上投影的大小（设磁场边缘的影响可忽略不计）。
解：银原子在非均匀磁场中受到垂直于入射方向的磁场力作用。其轨道为抛物线；在区域粒子不受力作惯性运动。经磁场区域后向外射出时粒子的速度为，出射方向与入射方向间的夹角为。与速度间的关系为：
粒子经过磁场出射时偏离入射方向的距离S为：
……（1）
将上式中用已知量表示出来变可以求出

把S代入（1）式中，得：

整理，得：
由此得：
2.12 观察高真空玻璃管中由激发原子束所发光谱线的强度沿原子射线束的减弱情况，可以测定各激发态的平均寿命。若已知原子束中原子速度，在沿粒子束方向上相距1.5毫米其共振光谱线强度减少到1/3.32。试计算这种原子在共振激发态的平均寿命。
解：设沿粒子束上某点A和距这点的距离S=1.5毫米的 B点，共振谱线强度分别为，并设粒子束在A点的时刻为零时刻，且此时处于激发态的粒子数为，原子束经过t时间间隔从A到达B点，在B点处于激发态的粒子数为。
光谱线的强度与处于激发态的原子数和单位时间内的跃迁几率成正比。设发射共振谱线的跃迁几率为，则有
适当选取单位，使，
并注意到 ，
则有：
由此求得：