结构推理
核的有限大小的效应可能会提高基于点核理论所得到的电子能量。(1)证明若质子被看作一个均匀带电球壳(半径为b)时,由一阶微扰理论可以得到的电子基态能量相对氢原子基态能量改变了一个因子。(2)为什么能量的变化对一个绕铅核转动的介子要大得多?
【正确答案】解 (1)对点核理论来说,核外电子受到的Coulomb势为
而当核为一均匀带电球壳时,电子的Coulomb势为
所以微扰势为
由一阶微扰理论可知,基态的一级修正为
式中
这样,
(1)
因为,所以在积分区间指数可视为1,积分变为
(2)
因为点核理论的基态能量是
(3)
由式(1)、式(2)和式(3)可知
(4)
由于b值约为;Bohr半径。所以,在这种情况下能量的修正是可以忽略的。
(2)由Bohr理论可知质量为m绕电荷为Ze的核转动的电子,其轨道半径正比于。方程也给出同样的结果,所以在原子中,Bohr半径将被a替代,这里
式中,分别是电子与介子的质量,铅核Z等于82,,所以。核半径的大小约为,A为核的质量数,对铅是208,这样铅核的b约为氢的6倍。将这些因子代入式(4),发现对绕铅核转动的介子而言的数量级约为1。因为微扰理论只有在时,才是有效的;所以以上的数值计算是不成立的,它仅仅指出与是同数量级的,实验也证实了这一点,相应于绕铅核的介子的跃迁的能量被测量为6MeV,而点核理论的能量值为16MeV。
【答案解析】