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原子物理

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中文名稱；原子物理 提供院校；華東師範大學 類別；慕課 授課老師；陳麗清

《原子物理》是華東師範大學提供的慕課課程，是授課老師是陳麗清。

基本介紹

原子物理學是研究原子的結構、運動規律及相互作用的物理學分支。它主要研究：原子的電子結構；原子光譜；原子之間或與其他物質的碰撞過程和相互作用。

經過相當長時期的探索，直到20世紀初，人們對原子本身的結構和內部運動規律才有了比較清楚的認識，之後才逐步建立起近代的原子物理學。

1897年前後，科學家們逐漸確定了電子的各種基本特性，並確立了電子是各種原子的共同組成部分。通常，原子是電中性的，而既然一切原子中都有帶負電的電子，那麼原子中就必然有帶正電的物質。20世紀初，對這一問題曾提出過兩種不同的假設。

1904年，湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分布在一個大小等於整個原子的球體內，而帶負電的電子則一粒粒地分布在球內的不同位置上，分別以某種頻率振動着，從而發出電磁輻射。這個模型被形象的比喻為「果仁麵包」模型，不過這個模型理論和實驗結果相矛盾，很快就被放棄了。

1911年盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎上，提出原子的中心是一個重的帶正電的核，與整個原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉動，類似大行星繞太陽轉動。這種模型叫做原子的核模型，又稱行星模型。從這個模型導出的結論同實驗結果符合的很好，很快就被公認了。

繞核作旋轉運動的電子有加速度，根據經典的電磁理論，電子應當自動地輻射能量，使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變，因而發射光譜應是連續光譜。電子因能量的減少而循螺線逐漸接近原子核，最後落到原子核上，所以原子應是一個不穩定的系統。

但事實上原子是穩定的，原子所發射的光譜是線狀的，而不是連續的。這些事實表明：從研究宏觀現象中確立的經典電動力學，不適用於原子中的微觀過程。這就需要進一步分析原子現象，探索原子內部運動的規律性，並建立適合於微觀過程的原子理論。

1913年，丹麥物理學家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎上，結合原子光譜的經驗規律，應用普朗克於1900年提出的量子假說，和愛因斯坦於1905年提出的光子假說，提出了原子所具有的能量形成不連續的能級，當能級發生躍遷時，原子就發射出一定頻率的光的假說。

玻爾的假設

能夠說明氫原子光譜等某些原子現象，初次成功地建立了一種氫原子結構理論。建立玻爾理論是原子結構和原子光譜理論的一個重大進展，但對原子問題作進一步的研究時，卻顯示出這種理論的缺點，因此只能把它視為很粗略的近似理論。

1924年，德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設，以後的觀察證明，微觀粒子具有波的性質。1926年薛定諤在此基礎上建立了波動力學。同時，其他學者，如海森伯、玻恩、狄喇克等人，從另外途徑建立了等效的理論，這種理論就是現在所說的量子力學，它能很好地解釋原子現象。

20世紀的前30年，原子物理學處於物理學的前沿，發展很快，促進了量子力學的建立，開創了近代物理的新時代。由於量子力學成功地解決了當時遇到的一些原子物理問題，很多物理學家就認為原子運動的基本規律已清楚，剩下來的只是一些細節問題了。

由於認識上的局限性，加上研究原子核和基本粒子的吸引，除一部分波譜學家對原子能級的精細結構與超精細結構進行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理學家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相當長的一段時間裡，對原子物理未能進行全面深入的研究，使原子物理的發展受到了一定的影響。

20世紀50年代末期，由於空間技術和空間物理學的發展，工程師和科學家們發現，只使用已有的原子物理學知識來解決空間科學和空間技術問題已是很不夠了。過去，人們已精確測定了很多譜線的波長，深入研究了原子的能級，對譜線和能級的理論解釋也比較準確。

但是，對譜線強度、躍遷幾率、碰撞截面等這些空間科學中非常重要的基本知識，則了解得很少，甚至對這些物理量的某些參數只知道其量級。核試驗中遇到的很多問題也都與這些知識有關。因此還必須對原子物理進行新的實驗和理論探討。

發展

對激光技術的產生和發展，作出過很大的貢獻。激光出現以後，用激光技術來研究原了物理學問題，實驗精度有了很大提高，因此又發現了很多新現象和新問題。射頻和微波波譜學新實驗方法的建立，也成為研究原子光譜線的精細結構的有力工具，推動了對原子能級精細結構的研究。因此，在20世紀50年代末以後，原子物理學的研究又重新被重視起來，成為很活躍的領域。

近十多年來，對原子碰撞的研究工作進展很快，已成為原子物理學的一個主要發展方向。目前原子碰撞研究的課題非常廣泛，涉及光子、電子、離子、中性原子等與原子和分子碰撞的物理過程。與原子碰撞的研究相應，發展了電子束、離子束、粒子加速器、同步輻射加速器、激光器等激光源、各種能譜儀等測譜設備，以及電子、離子探測器、光電探測器和微弱信號檢測方法，還廣泛地應用了核物理技術和光譜技術，也發展了新的理論和計算方法。電子計算機的應用，加速了理論計算和實驗數據的處理。

原子光譜與激光技術的結合，使光譜分辨率達到了百萬分之一赫茲以下，時間分辨率接近萬億分之一秒量級，空間分辨達到光譜波長的數量級，實現了光譜在時間、空間上的高分辨。由於激光的功率密度已達到一千萬瓦每平方厘米以上，光波電場場強已經超過原子的內場場強，強激光與原子相互作用產生了飽和吸收和雙光子、多光子吸收等現象，發展了非線性光譜學，從而成為原了物理學中另一個十分活躍的研究方向。

極端物理條件(高溫、低溫、高壓、強場等)下和特殊條件(高激發態、高離化態)下原子的結構和物性的研究，也已成為原子物理研究中的重要領域。

原子是從宏觀到微觀的第一個層次，是一個重要的中間環節。物質世界這些層次的結構和運動變化，是相互聯繫、相互影響的，對它們的研究缺一不可，很多其他重要的基礎學科和技術科學的發展也都要以原子物理為基礎，例如化學、生物學、空間物理、天體物理、物理力學等。激光技術、核聚變和空間技術的研究也要原子物理提供一些重要的數據，因此研究和發展原子物理這門學科有着十分重要的理論和實際意義。

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