Vật Lý Lượng Tử: Nguyên Tử, Phân Tử, Chất Rắn, Hạt Nhân và Hạt - Robert Eisberg

Khám phá thế giới lượng tử của nguyên tử, phân tử, chất rắn, hạt nhân & hạt cơ bản. Phiên bản 2 cập nhật kiến thức chuyên sâu, phù hợp cho sinh viên & nhà nghiên cứu.

Chuyên ngành

Quantum Physics

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Textbook

1985

866
2
0

Phí lưu trữ

135 Point

Mục lục chi tiết

1. THERMAL RADIATION AND PLANCK'S POSTULATE

1.1. Introduction

1.2. Thermal Radiation

1.3. Classical Theory of Cavity Radiation

1.4. Planck's Theory of Cavity Radiation

1.5. The Use of Planck's Radiation Law in Thermometry

1.6. Planck's Postulate and Its Implications

1.7. A Bit of Quantum History

2. PHOTONS—PARTICLELIKE PROPERTIES OF RADIATION

2.1. Introduction

2.2. The Photoelectric Effect

2.3. Einstein's Quantum Theory of the Photoelectric Effect

2.4. The Compton Effect

2.5. The Dual Nature of Electromagnetic Radiation

2.6. Photons and X-Ray Production

2.7. Pair Production and Pair Annihilation

2.8. Cross Sections for Photon Absorption and Scattering

3. DE BROGLIE'S POSTULATE—WAVELIKE PROPERTIES OF PARTICLES

3.1. Matter Waves

3.2. The Wave-Particle Duality

3.3. The Uncertainty Principle

3.4. Properties of Matter Waves

3.5. Some Consequences of the Uncertainty Principle

3.6. The Philosophy of Quantum Theory

4. BOHR'S MODEL OF THE ATOM

4.1. Thomson's Model

4.2. Rutherford's Model

4.3. The Stability of the Nuclear Atom

4.4. Atomic Spectra

4.5. Bohr's Postulates

4.6. Bohr's Model

4.7. Correction for Finite Nuclear Mass

4.8. Atomic Energy States

4.9. Interpretation of the Quantization Rules

4.10. Sommerfeld's Model

4.11. The Correspondence Principle

4.12. A Critique of the Old Quantum Theory

5. SCHROEDINGER'S THEORY OF QUANTUM MECHANICS

5.1. Introduction

5.2. Plausibility Argument Leading to Schroedinger's Equation

5.3. Born's Interpretation of Wave Functions

5.4. Expectation Values

5.5. The Time-Independent Schroedinger Equation

5.6. Required Properties of Eigenfunctions

5.7. Energy Quantization in the Schroedinger Theory

5.8. Summary

6. SOLUTIONS OF TIME-INDEPENDENT SCHROEDINGER EQUATIONS

6.1. Introduction

6.2. The Zero Potential

6.3. The Step Potential (Energy Less Than Step Height)

6.4. The Step Potential (Energy Greater Than Step Height)

6.5. The Barrier Potential

6.6. Examples of Barrier Penetration by Particles

6.7. The Square Well Potential

6.8. The Infinite Square Well Potential

6.9. The Simple Harmonic Oscillator Potential

6.10. Summary

7. ONE-ELECTRON ATOMS

7.1. Introduction

7.2. Development of the Schroedinger Equation

7.3. Separation of the Time-Independent Equation

7.4. Solution of the Equations

7.5. Eigenvalues, Quantum Numbers, and Degeneracy

7.6. Eigenfunctions

7.7. Probability Densities

7.8. Orbital Angular Momentum

7.9. Eigenvalue Equations

8. MAGNETIC DIPOLE MOMENTS, SPIN, AND TRANSITION RATES

8.1. Introduction

8.2. Orbital Magnetic Dipole Moments

8.3. The Stern-Gerlach Experiment and Electron Spin

8.4. The Spin-Orbit Interaction

8.5. Total Angular Momentum

8.6. Spin-Orbit Interaction Energy and the Hydrogen Energy Levels

8.7. Transition Rates and Selection Rules

8.8. A Comparison of the Modern and Old Quantum Theories

9. MULTIELECTRON ATOMS—GROUND STATES AND X-RAY EXCITATIONS

9.1. Introduction

9.2. Identical Particles

9.3. The Exclusion Principle

9.4. Exchange Forces and the Helium Atom

9.5. The Hartree Theory

9.6. Results of the Hartree Theory

9.7. Ground States of Multielectron Atoms and the Periodic Table

9.8. X-Ray Line Spectra

10. MULTIELECTRON ATOMS—OPTICAL EXCITATIONS

10.1. Introduction

10.2. Alkali Atoms

10.3. Atoms with Several Optically Active Electrons

10.4. LS Coupling

10.5. Energy Levels of the Carbon Atom

10.6. The Zeeman Effect

10.7. Summary

11. QUANTUM STATISTICS

11.1. Introduction

11.2. Indistinguishability and Quantum Statistics

11.3. The Quantum Distribution Functions

11.4. Comparison of the Distribution Functions

11.5. The Specific Heat of a Crystalline Solid

11.6. The Boltzmann Distributions as an Approximation to Quantum Distributions

11.7. The Laser

11.8. The Photon Gas

11.9. The Phonon Gas

11.10. Bose Condensation and Liquid Helium

11.11. The Free Electron Gas

11.12. Contact Potential and Thermionic Emission

11.13. Classical and Quantum Descriptions of the State of a System

12. MOLECULES

12.1. Introduction

12.2. Ionic Bonds

12.3. Covalent Bonds

12.4. Molecular Spectra

12.5. Rotational Spectra

12.6. Vibration-Rotation Spectra

12.7. Electronic Spectra

12.8. The Raman Effect

12.9. Determination of Nuclear Spin and Symmetry Character

13. SOLIDS—CONDUCTORS AND SEMICONDUCTORS

13.1. Introduction

13.2. Types of Solids

13.3. Band Theory of Solids

13.4. Electrical Conduction in Metals

13.5. The Quantum Free-Electron Model

13.6. The Motion of Electrons in a Periodic Lattice

13.7. Effective Mass

13.8. Electron-Positron Annihilation in Solids

13.9. Semiconductors

13.10. Semiconductor Devices

14. SOLIDS—SUPERCONDUCTORS AND MAGNETIC PROPERTIES

14.1. Superconductivity

14.2. Magnetic Properties of Solids

14.3. Paramagnetism

14.4. Ferromagnetism

14.5. Antiferromagnetism and Ferrimagnetism

15. NUCLEAR MODELS

15.1. Introduction

15.2. A Survey of Some Nuclear Properties

15.3. Nuclear Sizes and Densities

15.4. Nuclear Masses and Abundances

15.5. The Liquid Drop Model

15.6. Magic Numbers

15.7. The Fermi Gas Model

15.8. The Shell Model

15.9. Predictions of the Shell Model

15.10. The Collective Model

15.11. Summary

16. NUCLEAR DECAY AND NUCLEAR REACTIONS

16.1. Introduction

16.2. Alpha Decay

16.3. Beta Decay

16.4. The Beta-Decay Interaction

16.5. Gamma Decay

16.6. The Mössbauer Effect

16.7. Nuclear Reactions

16.8. Excited States of Nuclei

16.9. Fission and Reactors

16.10. Fusion and the Origin of the Elements

17. INTRODUCTION TO ELEMENTARY PARTICLES

17.1. Introduction

17.2. Nucleon Forces

17.3. Isospin

17.4. Pions

17.5. Leptons

17.6. Strangeness

17.7. Families of Elementary Particles

17.8. Observed Interactions and Conservation Laws

18. MORE ELEMENTARY PARTICLES

18.1. Introduction

18.2. Evidence for Partons

18.3. Unitary Symmetry and Quarks

18.4. Extensions of SU(3)—More Quarks

18.5. Color and the Color Interaction

18.6. Introduct

Tóm tắt

I. Vật Lý Lượng Tử Khám Phá Cấu Trúc Nguyên Tử và Hạt Nhân

Vật lý lượng tử mở ra cánh cửa khám phá thế giới vi mô, nơi những quy luật cổ điển không còn đúng. Cơ học lượng tử giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nguyên tử, phân tử, chất rắnhạt nhân. Bài viết này sẽ đi sâu vào những khái niệm cơ bản, thách thức, và ứng dụng của lý thuyết lượng tử trong việc giải thích cấu trúc và tính chất của vật chất. Chúng ta sẽ bắt đầu với mô hình nguyên tử Bohrmô hình nguyên tử Rutherford, sau đó đi đến mô hình lượng tử hiện đại. Vật lý lượng tử không chỉ là lý thuyết suông; nó là nền tảng của nhiều công nghệ hiện đại, từ laser đến điện toán lượng tử. Nguyên lý bất định Heisenberghiệu ứng đường hầm lượng tử là những khái niệm then chốt.

1.1. Tổng quan về Vật Lý Lượng Tử và Cơ Học Lượng Tử

Vật lý lượng tử là một ngành khoa học nghiên cứu thế giới vi mô, bao gồm các hệ thống có kích thước nguyên tử và hạ nguyên tử. Cơ học lượng tử là bộ khung lý thuyết toán học mô tả hành vi của vật chất và năng lượng ở cấp độ này. Từ lượng tử hóa năng lượng đến hàm sóng, những khái niệm này thách thức trực giác cổ điển của chúng ta. Vật lý lượng tử giải thích nhiều hiện tượng mà vật lý cổ điển không thể, chẳng hạn như hiệu ứng đường hầm lượng tửvướng víu lượng tử. Các công trình của Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg và Schrödinger đã đặt nền móng cho ngành khoa học này. Nhiều người coi vật lý lượng tử là ngành khó hiểu nhất trong vật lý học.

1.2. Cấu trúc Nguyên Tử Từ Mô Hình Bohr Đến Orbital Nguyên Tử

Hiểu cấu trúc nguyên tử là chìa khóa để hiểu vật lý lượng tử. Mô hình nguyên tử Bohr, với các quỹ đạo lượng tử hóa, là một bước tiến quan trọng, nhưng nó vẫn còn nhiều hạn chế. Mô hình nguyên tử Rutherford đã cho thấy sự tồn tại của hạt nhân. Orbital nguyên tử là vùng không gian xung quanh hạt nhân nơi xác suất tìm thấy electron là cao nhất. Các số lượng tử xác định hình dạng và năng lượng của các orbital. Việc xác định cấu hình electron cho các nguyên tử là một bước quan trọng để hiểu tính chất hóa học của chúng. Việc nghiên cứu phổ nguyên tử giúp ta hiểu cấu trúc năng lượng của nguyên tử.

1.3. Cấu Tạo Hạt Nhân Proton Neutron và Năng Lượng Liên Kết

Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ protonneutron, được gọi chung là nucleon. Lực hạt nhân mạnh giữ các nucleon lại với nhau, bất chấp lực đẩy tĩnh điện giữa các proton. Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng cần thiết để tách một hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ. Phản ứng hạt nhân, bao gồm phân hạch hạt nhântổng hợp hạt nhân, giải phóng một lượng lớn năng lượng. Nghiên cứu về phóng xạ và các hạt như alpha, beta, gamma là rất quan trọng để hiểu về hạt nhân. Vật lý hạt nhân là một lĩnh vực quan trọng để tìm hiểu thế giới.

II. Phương Pháp Lượng Tử Hóa Cách Năng Lượng Trở Nên Gián Đoạn

Lượng tử hóa là một khái niệm then chốt trong vật lý lượng tử, cho thấy năng lượng không phải là một đại lượng liên tục mà chỉ có thể tồn tại ở các giá trị rời rạc nhất định. Planck's constant (h) là một hằng số tự nhiên liên kết năng lượng của một photon với tần số của nó. Điều này có ý nghĩa sâu sắc đối với cách chúng ta hiểu về trường lượng tửlý thuyết trường lượng tử. Ví dụ, một electron chỉ có thể chiếm các trạng thái năng lượng cụ thể trong một nguyên tử, được xác định bởi các số lượng tử.

2.1. Giải thích khái niệm Lượng Tử Hóa Năng Lượng và Ví Dụ

Trong vật lý cổ điển, năng lượng có thể thay đổi một cách liên tục, nhưng trong vật lý lượng tử, nó chỉ có thể thay đổi theo các bước nhảy có kích thước nhất định. Điều này được gọi là lượng tử hóa năng lượng. Photon, đơn vị năng lượng ánh sáng nhỏ nhất, là một ví dụ điển hình. Năng lượng của một photon tỷ lệ thuận với tần số của nó, với hằng số tỷ lệ là hằng số Planck. Một ví dụ khác là năng lượng của một electron trong một nguyên tử, chỉ có thể tồn tại ở các mức năng lượng cụ thể.

2.2. Vai trò của Hằng Số Planck h trong Lượng Tử Hóa

Hằng số Planck (h) là một hằng số tự nhiên quan trọng trong vật lý lượng tử. Nó liên kết năng lượng của một photon với tần số của nó, và nó cũng xác định kích thước của các 'bước nhảy' năng lượng cho các hệ lượng tử. Hằng số Planck xuất hiện trong nhiều công thức và phương trình quan trọng trong vật lý lượng tử, bao gồm cả nguyên lý bất định Heisenberg.

2.3. Ứng dụng của Lượng Tử Hóa trong Laser và Điốt Phát Sáng LED

Lượng tử hóa năng lượng là nguyên lý cơ bản đằng sau hoạt động của laserđiốt phát sáng (LED). Trong laser, các nguyên tử được kích thích để phát ra photon có cùng năng lượng và pha, tạo ra một chùm ánh sáng cường độ cao và đơn sắc. Trong LED, electron chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn, phát ra photon có năng lượng tương ứng. Hiệu quả và màu sắc của laser và LED phụ thuộc vào các mức năng lượng lượng tử hóa của vật liệu.

III. Hàm Sóng và Xác Suất Bí Quyết Hiểu Thế Giới Lượng Tử

Hàm sóng (wave function) là một công cụ toán học mô tả trạng thái của một hạt lượng tử. Bình phương của hàm sóng cho chúng ta biết xác suất tìm thấy hạt ở một vị trí nhất định. Nguyên lý bất định Heisenberg nói rằng chúng ta không thể đồng thời biết chính xác vị trí và động lượng của một hạt. Điều này có ý nghĩa sâu sắc đối với cách chúng ta hiểu về bản chất của thực tại. Các nhà khoa học vẫn đang tranh luận về ý nghĩa triết học của cơ học lượng tử.

3.1. Giải thích ý nghĩa của Hàm Sóng trong Cơ Học Lượng Tử

Hàm sóng là một hàm toán học mô tả trạng thái lượng tử của một hạt. Nó chứa tất cả thông tin có thể biết về hạt, bao gồm vị trí, động lượng và năng lượng. Hàm sóng tuân theo phương trình Schrödinger. Giải pháp của phương trình này cho chúng ta biết hàm sóng của hạt theo thời gian.

3.2. Liên hệ giữa Hàm Sóng và Xác Suất Tìm Thấy Hạt

Bình phương của hàm sóng cho chúng ta biết xác suất tìm thấy hạt ở một vị trí nhất định. Điều này có nghĩa là chúng ta không thể biết chắc chắn vị trí của một hạt, mà chỉ có thể tính toán xác suất tìm thấy nó ở một vị trí nào đó. Điều này trái ngược với vật lý cổ điển, nơi chúng ta có thể xác định chính xác vị trí và động lượng của một hạt.

3.3. Ứng dụng của Hàm Sóng trong tính toán các thuộc tính của hệ

Bằng cách sử dụng hàm sóng, chúng ta có thể tính toán nhiều thuộc tính quan trọng của một hệ lượng tử, bao gồm năng lượng, động lượng góc và mômen lưỡng cực điện. Các tính toán này là rất quan trọng cho việc hiểu và thiết kế các thiết bị lượng tử.

IV. Các Hạt Cơ Bản và Tương Tác Nền Tảng Của Vật Chất Và Năng Lượng

Vật chất được tạo thành từ các hạt cơ bản như quarklepton. Các hạt này tương tác với nhau thông qua các lực cơ bản, được truyền bởi các hạt truyền lực như photon, gluon, và boson W và Z. Mô hình chuẩn là lý thuyết hiện tại mô tả các hạt cơ bản và các tương tác của chúng. Tuy nhiên, mô hình chuẩn vẫn chưa hoàn thiện; nó không giải thích được khối lượng của neutrino, sự tồn tại của vật chất tối, hay lực hấp dẫn.

4.1. Quark Lepton và các Hạt Truyền Lực Định Nghĩa và Phân Loại

Quarklepton là các hạt cơ bản tạo nên vật chất. Quark kết hợp với nhau để tạo thành hadron, như proton và neutron. Lepton bao gồm electron, muon, tau và neutrino. Các hạt truyền lực mang các lực cơ bản: photon (lực điện từ), gluon (lực hạt nhân mạnh), boson W và Z (lực hạt nhân yếu).

4.2. Tương Tác Mạnh Yếu Điện Từ và Hấp Dẫn So Sánh và Ảnh Hưởng

Tương tác mạnh giữ các quark lại với nhau trong hadron và giữ các nucleon lại với nhau trong hạt nhân. Tương tác yếu chịu trách nhiệm cho sự phân rã phóng xạ. Tương tác điện từ hoạt động giữa các hạt mang điện và chịu trách nhiệm cho hóa học. Tương tác hấp dẫn hoạt động giữa tất cả các hạt có khối lượng, nhưng nó là lực yếu nhất trong bốn lực cơ bản. Bốn tương tác ảnh hưởng đến sự ổn định của vật chất.

4.3. Mô Hình Chuẩn Thành Công và Những Hạn Chế Hiện Tại

Mô hình chuẩn là một lý thuyết thành công mô tả các hạt cơ bản và các tương tác của chúng. Nó đã được xác nhận bởi nhiều thí nghiệm, nhưng nó vẫn chưa hoàn thiện. Nó không giải thích được khối lượng của neutrino, sự tồn tại của vật chất tối, hay lực hấp dẫn. Các nhà vật lý đang làm việc để xây dựng một lý thuyết thống nhất hơn có thể giải thích tất cả các hiện tượng này.

V. Ứng Dụng Vật Lý Lượng Tử Từ Điện Toán Đến Y Học Hiện Đại

Vật lý lượng tử không chỉ là một lý thuyết trừu tượng; nó có nhiều ứng dụng thực tế trong công nghệ. Điện toán lượng tử hứa hẹn sẽ cách mạng hóa khả năng tính toán của chúng ta. Cảm biến lượng tử có thể đo lường các đại lượng vật lý với độ chính xác chưa từng có. Vật liệu mới với các tính chất độc đáo đang được phát triển dựa trên các nguyên lý của vật lý lượng tử. Trong y học, vật lý lượng tử được sử dụng trong hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) và xạ trị.

5.1. Điện Toán Lượng Tử Tiềm Năng và Thách Thức Hiện Tại

Điện toán lượng tử sử dụng các qubit, cho phép thực hiện các phép tính song song mà máy tính cổ điển không thể làm được. Nó có tiềm năng giải quyết các vấn đề phức tạp như phá mã hóa, thiết kế thuốc và mô phỏng vật liệu. Tuy nhiên, việc xây dựng và duy trì máy tính lượng tử là một thách thức kỹ thuật lớn do yêu cầu về nhiệt độ cực thấp và sự nhạy cảm với nhiễu môi trường.

5.2. Cảm Biến Lượng Tử Độ Chính Xác Cao và Các Lĩnh Vực Ứng Dụng

Cảm biến lượng tử có thể đo lường các đại lượng vật lý như từ trường, trọng lực và thời gian với độ chính xác cao hơn nhiều so với cảm biến cổ điển. Chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y học, địa vật lý và an ninh quốc phòng. Ví dụ, cảm biến lượng tử có thể được sử dụng để phát hiện sớm bệnh Alzheimer, tìm kiếm khoáng sản và điều hướng tàu ngầm.

5.3. Vật Liệu Lượng Tử Siêu Dẫn Topological Insulators và Ứng Dụng

Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử trong đó vật liệu dẫn điện mà không có điện trở ở nhiệt độ cực thấp. Topological insulators là vật liệu dẫn điện trên bề mặt nhưng là chất cách điện ở bên trong. Các vật liệu này có tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong điện tử, năng lượng và y học.

VI. Tương Lai Vật Lý Lượng Tử Thống Nhất Các Lực và Giải Mã Vũ Trụ

Vật lý lượng tử tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động. Các nhà vật lý đang nỗ lực để thống nhất các lực cơ bản thành một lý thuyết duy nhất, được gọi là "lý thuyết của mọi thứ." Họ cũng đang sử dụng vật lý lượng tử để giải mã những bí ẩn của vũ trụ, chẳng hạn như bản chất của vật chất tối và năng lượng tối. Lý thuyết trường lượng tửmô hình lượng tử là những công cụ quan trọng trong cuộc tìm kiếm này.

6.1. Nỗ lực Thống Nhất Các Lực Cơ Bản trong Vật Lý

Một trong những mục tiêu lớn nhất của vật lý học là thống nhất bốn lực cơ bản thành một lý thuyết duy nhất. Lý thuyết trường lượng tử là một ứng cử viên cho lý thuyết này, nhưng nó vẫn chưa hoàn thiện. Thuyết siêu dâylý thuyết M là những hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn khác.

6.2. Giải mã Vật Chất Tối và Năng Lượng Tối với Vật Lý Lượng Tử

Vật chất tối và năng lượng tối chiếm phần lớn vũ trụ, nhưng chúng ta vẫn chưa biết chúng là gì. Vật lý lượng tử có thể cung cấp những manh mối về bản chất của chúng. Ví dụ, một số lý thuyết cho rằng vật chất tối được tạo thành từ các hạt lượng tử mới.

6.3. Vật Lý Lượng Tử và Những Câu Hỏi Triết Học Về Thực Tại

Vật lý lượng tử đặt ra những câu hỏi sâu sắc về bản chất của thực tại. Ví dụ, nguyên lý bất định Heisenberg cho thấy chúng ta không thể biết mọi thứ về một hệ lượng tử một cách chính xác. Điều này có nghĩa là thực tại có thể không hoàn toàn xác định cho đến khi chúng ta quan sát nó.

28/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

com Useful Constants and Conversion Factors Quoted to a useful number of significant figures. Speed of light in vacuum c = 2.998 x 108 m/sec Electron charge magnitude e = 1.602 x 1 0 = 19 coul Planck's constant h = 6.6582 x 10 -15 eV-sec Boltzmann's constant k = 1.617 x 10 -5 eV/ °K Avogadro's number No = 6.023 x 1023/mole Coulomb's law constant 1 /47rE0 = 8.988 x 109 nt - m2 /coul2 Electron rest mass me = 9.5110 MeV/c 2 Proton rest mass p = 1.3 MeV/c2 m Neutron rest mass m„ = 1.6 MeV/c 2 Atomic mass unit (C 12 = 12) -27 kg = 931.6x0 Bohr magneton ub = eh/2me = 9.27 x 10 -24 amp-m2 (or joule/tesla) Nuclear magneton µn = eh/2m, = 5.05 x 10 -27 amp-m2 (or joule /tesla) Bohr radius ao = 47c€0h2/mee2 = 5.529 A Bohr energy E1 = — mee 4/(4rcE0)22h2 = —2.6 eV Electron Compton wavelength Ac = h/mec = 2.0243 A Fine-structure constant a = e2 /4nE 0hc = 7.30 x 10 -3 1/137 kT at room temperature k300 °K = 0.0258 eV ^ 1/40 eV 1eV= 1.242 x 10 18 eV 1 A=10 -10 m 1F=10 -15 m l barn (bn)= 10-28m2 www.com QUANTUM PHYSICS www.com Assisted by yid O CaIgweal Univer^^#y^qf^#^rni^ ^^ arbara United'•°Stalês C^^t^^ ^,;^^ Odemy The figure on the cover is frori ; èction 9-4, where it is used to show the tendency „ for two identical spin 1/2 particles (such as electrons) to avoid each other if their spins are essentially parallel. This tendency, or its inverse for the antiparallel case, is one of the recurring themes in quantum physics explanations of the properties of atoms, molecules, solids, nuclei, and particles.com QUANTUM PHYSICS of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles Second Edition ROBERT EISBERG University of California, Santa Barbara JOHN WILEY & SONS New York Chichester Brisbane Toronto Singapore www.com Copyright © 1974, 1985, by John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.

Published simultaneously in Canada. Reproduction or translation of any part of this work beyond that permitted by Sections 107 and 108 of the 1976 United States Copyright Act without the permission of the copyright owner is unlawful. Requests for permission or further information should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons. Library of Congress Cataloging in Publication Data: Eisberg, Robert Martin.

Quantum physics of atoms, molecules, solids, nuclei, and particles. Resnick, Robert, 1923— II.1'2 84-10444 ISBN 0-471-87373-X Printed in the United States of America Printed an d bound by the Hamilton Printing Comp any.com PREFACE TO THE SECOND EDITION The many developments that have occurred in the physics of quantum systems since the publication of the first edition of this book—particularly in the field of elementary particles—have made apparent the need for a second edition. In preparing it, we solicited suggestions from the instructors that we knew to be using the book in their courses (and also from some that we knew were not, in order to determine their objections to the book). The wide acceptance of the first edition made it possible for us to obtain a broad sampling of thought concerning ways to make the second edition more useful.

We were not able to act on all the suggestions that were re- ceived, because some were in conflict with others or were impossible to carry out for technical reasons. But we certainly did respond to the general consensus of these suggestions. Many users of the first edition felt that new topics, typically more sophisticated aspects of quantum mechanics such as perturbation theory, should be added to the book. Yet others said that the level of the first edition was well suited to the course they teach and that it should not be changed.

We decided to try to satisfy both groups by adding material to the new edition in the form of new appendices, but to do it in such a way as to maintain the decoupling of the appendices and the text that characterized the original edition. The more advanced appendices are well inte- grated in the text but it is a one-way, not two-way, integration. A student reading one of these appendices will find numerous references to places in the text where the development is motivated and where its results are used. On the other hand, a student who does not read the appendix because he is in a lower level course will not be frustrated by many references in the text to material contained in an appendix he does not use.

Instead, he will find only one or two brief parenthetical statements in the text advising him of the existence of an optional appendix that has a bearing on the subject dealt with in the text. The appendices in the second edition that are new or are significantly changed are: Appendix A, The Special Theory of Relativity (a number of worked-out examples added and an important calculation simplified); Appendix D, Fourier Integral De- scription of a Wave Group (new); Appendix G, Numerical Solution of the Time- Independent Schroedinger Equation for a Square Well Potential (completely rewritten to include a universal program in BASIC for solving second-order differential equa- tions on microcomputers); Appendix J, Time-Independent Perturbation Theory (new); Appendix K, Time-Dependent Perturbation Theory (new); Appendix L, The Born Approximation (new); Appendix N, Series Solutions of the Angular and Radial Equations for a One-Electron Atom (new); Appendix Q, Crystallography (new); Appendix R, Gauge Invariance in Classical and Quantum Mechanical Electromag- netism (new). Problem sets have been added to the ends of many of the appendices, both old and new. In particular, Appendix A now contains a brief but comprehensive set of problems for use by instructors who begin their "modern physics" course with a treatment of relativity.com A large number of small changes and additions have been made to the text to improve and update it.

There are also several quite substantial pieces of new mate- PREFA CE TO THE S ECO ND EDITIO N rial, including: the new Section 13-8 on electron-positron annihilation in solids; the additions to Section 16-6 on the Mössbauer effect; the extensive modernization of the last half of the introduction to elementary particles in Chapter 17; and the en- tirely new Chapter 18 treating the developments that have occurred in particle phy- sics since the first edition was written. We were very fortunate to have secured the services of Professor David Caldwell of the University of California, Santa Barbara, to write the new material in Chapters 17 and 18, as well as Appendix R. Only a person who has been totally immersed in research in particle physics could have done what had to be done to produce a brief but understandable treatment of what has happened in that field in recent years. Furthermore, since Caldwell is a colleague of the senior author, it was easy to have the interaction required to be sure that this new material was closely integrated into the earlier parts of the book, both in style and in content.

Prepublication reviews have made it clear that Caldwell's material is a very strong addition to the book. Professor Richard Christman, of the U. Coast Guard Academy, wrote the new material in Section 13-8, Section 16-6, and Appendix Q, receiving significant input from the authors. We are very pleased with the results.

The answers to selected problems, found in Appendix S, were prepared by Profes- sor Edward Derringh, of the Wentworth Institute of Technology. He also edited the new additions to the problem sets and prepared a manual giving detailed solutions to most of the problems. The solutions manual is available to instructors from the publisher. It is a pleasure to express our deep appreciation to the people mentioned above.

We also thank Frank T. Avignone, III, University of South Carolina; Edward Cecil, Colorado School of Mines; L. Edward Millet, California State University, Chico; and James T. Tough, The Ohio State University, for their very useful prepublication reviews.

The following people offered suggestions or comments which helped in the develop- ment of the second edition: Alan H. Barrett, Massachusetts Institute of Technology; Richard H. Behrman, Swarthmore College; George F. Bertsch, Michigan State Uni- versity; Richard N.

Boyd, The Ohio State University; Philip A. Casabella, Rensselaer Polytechnic Institute; C. Dewey Cooper, University of Georgia; James E. Draper, University of California at Davis; Arnold Engler, Carnegie-Mellon University; A., Auburn University; Ross Garrett, University of Auckland; Russell Hobbie, University of Minnesota; Bei-Lok Hu, University of Maryland; Hillard Hun- tington, Rensselaer Polytechnic Institute; Mario Iona, University of Denver; Ronald G.

Johnson, Trent University; A. Laskar, Clemson University; Charles W. Leming, Henderson State University; Luc Leplae, University of Wisconsin-Milwaukee; Ralph D. Meeker, Illinois Benedictine College; Roger N.

Metz, Colby College; Ichiro Miya- gawa, University of Alabama; J. Moore, Brock University; John J. O'Dwyer, State University of New York at Oswego; Douglas M. Potter, Rutgers State University; Russell A.

Schaffer, Lehigh University; John W. Watson, Kent State University; and Robert White, University of Auckland. We appreciate their contribution. Santa Barbara, California Robert Eisberg Troy, New York Robert Resnick www.com PREFACE TO THE FIRST EDITION The basic purpose of this book is to present clear and valid treatments of the prop- erties of almost all of the important quantum systems from the point of view of elementary quantum mechanics.

Only as much quantum mechanics is developed as is required to accomplish the purpose. Thus we have chosen to emphasize the applica- tions of the theory more than the theory itself. In so doing we hope that the book will be well adapted to the attitudes of contemporary students in a terminal course on the phenomena of quantum physics. As students obtain an insight into the tre- mendous explanatory power of quantum mechanics, they should be motivated to learn more about the theory.

Hence we hope that the book will be equally well adapted to a course that is to be followed by a more advanced course in formal quantum mechanics. The book is intended primarily to be used in a one year course for students who have been through substantial treatments of elementary differential and integral cal- culus and of calculus level elementary classical physics. But it can also be used in shorter courses. Chapters 1 through 4 introduce the various phenomena of early quantum physics and develop the essential ideas of the old quantum theory.

These chapters can be gone through fairly rapidly, particularly for students who have had some prior exposure to quantum physics. The basic core of quantum mechanics, and its application to one- and two-electron atoms, is contained in Chapters 5 through 8 and the first four sections of Chapter 9. This core can be covered well in appre- ciably less than half a year. Thus the instructor can construct a variety of shorter courses by adding to the core material from the chapters covering the essentially independent topics: multielectron atoms and molecules, quantum statistics and solids, nuclei and particles.

Instructors who require a similar but more extensive and higher level treatment of quantum mechanics, and who can accept a much more restricted coverage of the applications of the theory, may want to use Fundamentals of Modern Physics by Robert Eisberg (John Wiley & Sons, 1961), instead of this book. For instructors requir- ing a more comprehensive treatment of special relativity than is given in Appendix A, but similar in level and pedagogic style to this book, we recommend using in addition Introduction to Special Relativity by Robert Resnick (John Wiley & Sons, 1968). Successive preliminary editions of this book were developed by us through a pro- cedure involving intensive classroom testing in our home institutions and four other schools. Robert Eisberg then completed the writing by significantly revising and extending the last preliminary edition.

He is consequently the senior author of this book.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ