原子物理學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)介

原子物理學(xué)原子物理學(xué)是研究原子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相互作用的物理學(xué)分支。它主要研究：原子的電子結(jié)構(gòu)；原子光譜；原子之間或與其他物質(zhì)的碰撞過(guò)程和相互作用。經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的探索，直到20世紀(jì)初，人們對(duì)原子本身的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律才有了比較清楚的認(rèn)識(shí)，之后才逐步建立起近代的原子物理學(xué)。1897年前后，科學(xué)家們逐漸確定了電子的各種基本特性，并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(fù)電的電子，那么原子中就必然有帶正電的物質(zhì)。20世紀(jì)初，對(duì)這一問(wèn)題曾提出過(guò)兩種不同的假設(shè)。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(gè)大小等于整個(gè)原子的球體內(nèi)，而帶負(fù)電的電子則一粒粒地分布在球內(nèi)的不同位置上，分別以某種頻率振動(dòng)著，從而發(fā)出電磁輻射。這個(gè)模型被形象的比喻為“果仁面包”模型，不過(guò)這個(gè)模型理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出原子的中心是一個(gè)重的帶正電的核，與整個(gè)原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉(zhuǎn)動(dòng)，類(lèi)似大行星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種模型叫做原子的核模型，又稱(chēng)行星模型。從這個(gè)模型導(dǎo)出的結(jié)論同實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好，很快就被公認(rèn)了。繞核作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子有加速度，根據(jù)經(jīng)典的電磁理論，電子應(yīng)當(dāng)自動(dòng)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(fā)射光譜應(yīng)是連續(xù)光譜。電子因能量的減少而循螺線(xiàn)逐漸接近原子核，最后落到原子核上，所以原子應(yīng)是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)。但事實(shí)上原子是穩(wěn)定的，原子所發(fā)射的光譜是線(xiàn)狀的，而不是連續(xù)的。這些事實(shí)表明：從研究宏觀現(xiàn)象中確立的經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，不適用于原子中的微觀過(guò)程。這就需要進(jìn)一步分析原子現(xiàn)象，探索原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，并建立適合于微觀過(guò)程的原子理論。1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合原子光譜的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，應(yīng)用普朗克于1900年提出的量子假說(shuō)，和愛(ài)因斯坦于1905年提出的光子假說(shuō)，提出了原子所具有的能量形成不連續(xù)的能級(jí)，當(dāng)能級(jí)發(fā)生躍遷時(shí)，原子就發(fā)射出一定頻率的光的假說(shuō)。玻爾的假設(shè)能夠說(shuō)明氫原子光譜等某些原子現(xiàn)象，初次成功地建立了一種氫原子結(jié)構(gòu)理論。建立玻爾理論是原子結(jié)構(gòu)和原子光譜理論的一個(gè)重大進(jìn)展，但對(duì)原子問(wèn)題作進(jìn)一步的研究時(shí)，卻顯示出這種理論的缺點(diǎn)，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(shè)，以后的觀察證明，微觀粒子具有波的性質(zhì)。1926年薛定諤在此基礎(chǔ)上建立了波動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，其他學(xué)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(xiàn)在所說(shuō)的量子力學(xué)，它能很好地解釋原子現(xiàn)象。20世紀(jì)的前30年，原子物理學(xué)處于物理學(xué)的前沿，發(fā)展很快，促進(jìn)了量子力學(xué)的建立，開(kāi)創(chuàng)了近代物理的新時(shí)代。由于量子力學(xué)成功地解決了當(dāng)時(shí)遇到的一些原子物理問(wèn)題，很多物理學(xué)家就認(rèn)為原子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律已清楚，剩下來(lái)的只是一些細(xì)節(jié)問(wèn)題了。由于認(rèn)識(shí)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(xué)家對(duì)原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與超精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理學(xué)家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，對(duì)原子物理未能進(jìn)行全面深入的研究，使原子物理的發(fā)展受到了一定的影響。20世紀(jì)50年代末期，由于空間技術(shù)和空間物理學(xué)的發(fā)展，工程師和科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，只使用已有的原子物理學(xué)知識(shí)來(lái)解決空間科學(xué)和空間技術(shù)問(wèn)題已是很不夠了。過(guò)去，人們已精確測(cè)定了很多譜線(xiàn)的波長(zhǎng)，深入研究了原子的能級(jí)，對(duì)譜線(xiàn)和能級(jí)的理論解釋也比較準(zhǔn)確。但是，對(duì)譜線(xiàn)強(qiáng)度、躍遷幾率、碰撞截面等這些空間科學(xué)中非常重要的基本知識(shí)，則了解得很少，甚至對(duì)這些物理量的某些參數(shù)只知道其量級(jí)。核試驗(yàn)中遇到的很多問(wèn)題也都與這些知識(shí)有關(guān)。因此還必須對(duì)原子物理進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)和理論探討。原子物理學(xué)的發(fā)展對(duì)激光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，作出過(guò)很大的貢獻(xiàn)。激光出現(xiàn)以后，用激光技術(shù)來(lái)研究原了物理學(xué)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)精度有了很大提高，因此又發(fā)現(xiàn)了很多新現(xiàn)象和新問(wèn)題。射頻和微波波譜學(xué)新實(shí)驗(yàn)方法的建立，也成為研究原子光譜線(xiàn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)的有力工具，推動(dòng)了對(duì)原子能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究。因此，在20世紀(jì)50年代末以后，原子物理學(xué)的研究又重新被重視起來(lái)，成為很活躍的領(lǐng)域。近十多年來(lái)，對(duì)原子碰撞的研究工作進(jìn)展很快，已成為原子物理學(xué)的一個(gè)主要發(fā)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(guò)程。與原子碰撞的研究相應(yīng)，發(fā)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(cè)譜設(shè)備，以及電子、離子探測(cè)器、光電探測(cè)器和微弱信號(hào)檢測(cè)方法，還廣泛地應(yīng)用了核物理技術(shù)和光譜技術(shù)，也發(fā)展了新的理論和計(jì)算方法。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，加速了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。原子光譜與激光技術(shù)的結(jié)合，使光譜分辨率達(dá)到了百萬(wàn)分之一赫茲以下，時(shí)間分辨率接近萬(wàn)億分之一秒量級(jí)，空間分辨達(dá)到光譜波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了光譜在時(shí)間、空間上的高分辨。由于激光的功率密度已達(dá)到一千萬(wàn)瓦每平方厘米以上，光波電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)超過(guò)原子的內(nèi)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，強(qiáng)激光與原子相互作用產(chǎn)生了飽和吸收和雙光子、多光子吸收等現(xiàn)象，發(fā)展了非線(xiàn)性光譜學(xué)，從而成為原了物理學(xué)中另一個(gè)十分活躍的研究方向。極端物理?xiàng)l件（高溫、低溫、高壓、強(qiáng)場(chǎng)等）下和特殊條件（高激發(fā)態(tài)、高離化態(tài)）下原子的結(jié)構(gòu)和物性的研究，也已成為原子物理研究中的重要領(lǐng)域。原子是從宏觀到微觀的第一個(gè)層次，是一個(gè)重要的中間環(huán)節(jié)。物質(zhì)世界這些層次的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化，是相互聯(lián)系、相互影響的，對(duì)它們的研究缺一不可