课程名称：量子物理学

英文名称：Quantum Physics

一、课程简介

《量子物理学》属于普通物理范畴，是电磁学和光学的后继课程。本课程着重从物理实验规律出发，强调物理实验的分析、物理概念和物理图像的建立。通过本课程的学习，使学生逐步了解微观世界的结构和物理规律，并为下面继续学习量子力学及有关课程打下基础。

课程内容包括：原子的位形；原子的玻尔理论；量子力学初步；原子的量子理论（包括氢原子、单电子原子、多电子原子等）；原子核物理基础（包括原子核的基本性质和结构、原子核的放射衰变、原子核反应和原子能利用等）；粒子物理简介等。

二、课程目标

通过该课程的教学，引导学生进入微观世界。按照由现象到本质、由实验到理论帮助学生建立起量子物理的基本概念，并利用这些基本概念说明原子、分子以及原子核和粒子，让学生对它们的结构、性质、相互作用及运动规律有概括而系统的认识，并为理论物理中量子力学部分的学习打好基础。

三、教学内容和学时分配

（一）绪论　　1学时

主要内容：原子与原子物理学；课程特点与教学方法；教学要求与课程安排。

教学要求：了解本课程的基本内容、主要特点及发展过程；了解教学目的和要求、教学方法和课程安排。

（二）第一章 原子的位形：卢瑟福模型　　3 学时

主要内容：背景知识；卢瑟福模型的提出；卢瑟福散射公式；卢瑟福公式的实验验证；行星模型的意义和困难。

教学要求：理解原子的核式结构及实验基础、卢瑟福散射公式及散射截面，了解两种主要的原子模型的定性半定量分析、核式模型的意义及经典物理在其中遇到的困难。

重点：原子的核式结构及实验基础。

难点：卢瑟福散射公式。

（三）第二章 原子的量子态—玻尔原子模型　　4 学时

主要内容：背景知识；玻尔氢原子理论；原子光谱；弗兰克-赫兹实验；玻尔理论的应用推广-类氢体系、碱金属原子；对应原理和玻尔理论的地位。

教学要求：了解光谱的类别、光谱仪、光谱的一般情况；掌握原子能级概念和光谱的一般情况；掌握玻尔的氢原子理论；掌握玻尔理论在类氢体系和碱金属原子的应用推广；了解量子态的实验基础-弗兰克-赫兹实验；了解玻尔理论创建的历史背景、玻尔理论的意义及其困难。

重点：玻尔氢原子理论、氢原子的能级和光谱、玻尔理论对类氢体系和碱金属原子光谱的应用。

难点：玻尔理论在类氢体系和碱金属原子的应用推广。

（四）第三章 量子力学初步　　10 学时

主要内容：黑体辐射；光电效应；康普顿散射；波粒二象性；物质波的统计解释和海森伯不确定原理；波函数及其统计解释；薛定谔方程；力学量的平均值，算符表示和本征值；定态薛定谔方程解的几个简例；氢原子的定态薛定谔方程解；量子数的物理解释；跃迁概率和选择定则。

教学要求：通过黑体辐射、光电效应、康普顿散射等实验，理解光的波粒二象性；掌握德布罗意假设，通过戴维孙-革末实验等理解物质的波粒二象性；理解波函数的物理意义、海森伯不确定原理；了解薛定谔方程的建立、定态薛定谔方程；了解力学量的平均值、算符表示和本征值；了解一维无限深势阱、势垒及一维谐振子解的量子力学描述；通过求解氢原子的定态薛定谔方程，了解中心力场的薛定谔方程解的特点：能级、波函数、概率密度、宇称等，掌握主量子数、轨道角动量量子数、磁量子数的物理解释和角动量的矢量模型；了解原子的电磁辐射、原子跃迁和混合态 、跃迁率、平均寿命等概念。

重点：物质波的理解及计算；海森伯不确定原理的理解和应用；一维无限深势阱、势垒及一维谐振子解的量子力学描述；氢原子的定态薛定谔方程解的特征；角动量的矢量模型。

难点：力学量的平均值、算符表示和本征值；薛定谔方程的求解；氢原子的定态薛定谔方程解。

（五）第四章 原子的精细结构：电子的自旋　　8 学时

主要内容：原子中电子轨道运动的磁矩；施特恩-盖拉赫实验；电子自旋；碱金属双线-自旋和轨道相互作用；单电子原子能级的精细结构；塞曼效应；帕邢-巴克效应；斯塔克效应；氢原子能谱研究进展。

教学要求：了解原子中电子的轨道磁矩；了解原子磁场；通过非均匀磁场中原子的行为（施特恩-盖拉赫实验）进一步认识空间量子化观念；掌握电子自旋；通过电子自旋―轨道相互作用能的计算，了解原子的精细结构、总角动量和总磁矩的表达；掌握氢原子和碱金属原子的能级和光谱的主要特点；了解外磁场中的原子光谱（塞曼效应）及其量子解释；了解帕邢-巴克效应、斯塔克效应；了解兰姆移位及氢原子的超精细结构。

重点：电子自旋；各种角动量和磁矩的表达式；史特恩-盖拉赫实验；自旋－轨道相互作用能；单电子原子能级的精细结构；塞曼效应的量子解释。
难点：自旋－轨道耦合能；塞曼效应；兰姆移位。

（六）第五章 多电子原子：泡利原理　　10 学时

主要内容：氦原子的光谱和能级；全同粒子和泡利不相容原理；多电子原子的电子组态；原子的壳层结构和元素周期表；多电子原子的原子态和能级；多电子原子的光谱；原子的内层能级和X射线。

教学要求：掌握双电子原子的能级和光谱；掌握全同粒子与波函数的交换对称性、泡利不相容原理；掌握多电子原子的电子组态，角动量耦合规则及原子态的形成，洪特定则和原子基态的确定；了解多电子原子光谱（选择定则、碱金属原子的光谱、碱土金属原子的光谱）、壳层结构和元素周期表；掌握产生X射线的两种主要机制、X射线的能级图和吸收限，了解X射线的发射谱和吸收谱、光和物质的相互作用以及X射线的吸收、*同步辐射。

重点：双电子原子的能级和光谱、泡利不相容原理、多电子原子的电子组态；角动量耦合规则及原子态的形成；X射线的能级图。

难点：全同粒子与波函数的交换对称性；原子基态的确定；多电子原子光谱。

（七）第六章 原子核物理概论　　12 学时

主要内容：原子核的基本性质；原子核的稳定性和结合能；核力与核结构模型；原子核衰变及放射性；核反应；原子核的裂变和聚变。

教学要求：掌握原子核的组成、大小、核的自旋、电四极矩、宇称等基本性质；了解核磁矩和光谱的超精细结构；掌握核的结合能概念及相关计算；了解核素图和β稳定线；了解核力和主要的核结构模型；掌握放射性衰变的基本规律和、、衰变的规律；了解放射性的应用；掌握核反应中的守恒规律及反应能、阈能等有关的定量计算；了解反应截面；了解核的裂变和聚变及其应用。

重点：核的基本性质；放射性衰变的基本规律和、、衰变的规律；核结构、核反应、核能相关计算。

难点：电四极矩；核结构模型。

（八）第七章 粒子物理简介（选讲）

主要内容：粒子物理的基本特点；高能加速器和粒子探测器；粒子的基本性质和分类；相互作用；强子的夸克模型；相互作用与守恒定律；标准模型与新物理；粒子物理与宇宙学。

教学要求：学生自学。了解粒子物理的基本特点；了解加速器、探测器；了解基本粒子的性质、分类、相互作用和守恒定律；了解强子的夸克模型；了解标准模型；了解介绍宇宙微波背景及粒子宇宙学中的一些疑难问题。

重点：基本粒子的性质、分类、相互作用和守恒定律；强子的结构模型。

难点：标准模型。

（九）第八章 分子结构和双原子分子光谱（选讲）

主要内容：分子的化学键；分子能级；双原子分子的光谱；拉曼散射和拉曼光谱。

教学要求：学生自学。了解离子键、共价键；了解分子能级的组成，了解转动能级和光谱、振动能级和光谱、电子能级和光谱带；了解拉曼光谱和拉曼散射的量子解释；了解双原子分子气体的拉曼谱。

重点：分子能级的组成；转动能级和光谱；振动能级和光谱；电子能级和光谱带。

难点：转动能级和光谱；振动能级和光谱；电子能级和光谱带。

四、教材与学习资源

教材：杨福家．原子物理学(第四版)，高等教育出版社，2008．

参考书：

[1] 褚圣麟．原子物理学．北京：高等教育出版社，1995．

[2] 陈宏芳．原子物理学．北京：科学出版社，2006．

[3] 王正行．近代物理学．北京：北京大学出版社，1995．

[4] 史斌星．量子物理学．北京：清华大学出版社，1982．

[5] 赵凯华，罗蔚茵．量子物理．北京:高等教育出版社，2001．

[6] E.H.威切曼．量子物理学(伯克利物理学教程 第三卷)．北京：人民教育出版社，1982．

[7] M.Alonso, E.J.Finn． 梁宝洪，译．大学物理基础．第三卷．北京：人民教育出版社，1981．

五、教学策略与方法建议

量子物理学是上承经典物理学，下接量子力学的重要课程，与经典物理学课程相比有很大差别。首先，量子物理学课程不像经典物理学课程从基本物理概念和物理规律出发进行严密的理论运算推导得到更普遍的基础理论，而是遵循从实验出发―理论模型建立―实验检验的认识过程，其中应用更多的是总结、归纳的方法。因此本课程着重从物理实验规律出发，强调物理实验的分析、物理概念和物理图像的建立，引导学生逐步认识和建立微观世界的图像和规律。在教学中应尽可能激发学生的学习兴趣，引导学生把握课程主线，认识原子运动规律，形成新概念，进而培养学生自学能力、思维能力、研究能力等。

除课堂授课外，课后的答疑和讨论对本课程的学习非常重要。

六、考核方式

期末闭卷考试，期末考试成绩占综合成绩的60%；平时成绩(作业、平时测验、出勤、读书报告、问题讨论评价等)占综合成绩的40%。

【编写日期】：2014年11月