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原子物理学 籍远明 [email protected] Atomic Physics 1 前 言 原子物理学是应用物理学专业的一门重要基础课程。 它上承经典物理，下接量子力学，属于近代物理的范畴。 在内容体系的描述上，原子物理学采用了普通物理的描述 风格，讲述量子物理的基本概念和物理图象，以及支配物 质运动和变化的基本相互作用，并在此基础上，利用量子 力学的思想和结论，讨论物质结构在原子、原子核以及基 本粒子等结构层次的性质、特点和运动规律。 2 该课程分为三个层次：第一是成熟、已有定论的 基本内容，要求学生掌握并能运用；第二是目前已取 得最新研究成果，要求学生掌握其物理概念和物理图 象；第三对于前沿研究课题内容，要求学生了解其研 究方向。 内容上，它由原子和原子核两部分组成。 3 褚圣麟 目录 第一章 原子的基本状况 第二章 原子的能级和辐射 第三章 量子力学初步 第四章 碱金属原子和电子自旋 第五章 多电子原子 第六章 磁场中的原子 第七章 原子的壳层结构 第八章 X射线 第九章 分子结构和分子光谱* 第十章 原子核 第十一章 基本粒子* 4 绪 论 一、原子物理学的研究对象、内容和研究方法 二、 原子物理学的发展历史 三 、原子物理学的地位和作用 5 一、原子物理的研究对象、内容、研究方法 研究对象 原子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物 理学分支。它主要研究：原子的电子结构、原子光谱、原子之 间或与其它物质碰撞过程和相互作用。 研究内容 由原子物理和原子核两部分组成。原子物理部分从原子光 谱入手，研究价电子的运动规律；从元素周期律和X射线入手， 研究内层电子的运动规律和排布。原子核部分主要研究核的整 体性质、核力、核模型、核衰变、核反应、核能的开发和利用、 以及基本粒子的相关知识。 6 研究方法 从光谱及实验资料入手，提出假设，建立模型，然后再进行 实验验证，最后形成理论。正如恩格斯所说：“只要自然科学在 思维着，它的发展形式就是假说。” 二、原子物理学的发展历史 1.古代的原子论： 中国古代的原子论：战国时期《墨经》“端：体之无序最前 者也”；“其小无内，谓之小一”；《中庸》“语小，天下莫能 破焉”。 战国时期的公孙龙，主张物质可以无限分割：“一尺之锤， 日取其半，万世不竭”。 7 古希腊的原子论： 公元前4世纪，古希腊哲学家德谟克利特最早 提出“原子”这一概念。 2. 近代原子说 17世纪气体分子运动论的萌芽是现代原子学说 的发源；1666年，牛顿发现光谱；1808年道尔顿阐 明定比定律和倍比定律；1811年提出阿伏伽德罗定 律；1827年发现布朗运动；1833年法拉第电解定律 的提出显示了电的基本单元的存在；1869年门捷列 夫提出元素周期律。 8 3.19世纪末—20世纪初(黄金时期)的原子物理学 1885年，巴尔末发现氢光谱线系规律；1887年， 赫兹发现光电效应；1895年伦琴发现X射线；1896年， 贝克勒尔发现放射性；1897年，汤姆逊证实电子存在； 1900年普朗克提出量子论；1911年卢瑟福证实了原子 核式结构。 9 4.原子物理学和量子力学 在此基础上，1913年玻尔理论发表，原子物 理开始了新的篇章； 1925年，关于微观体系的新理论－量子力学 建立； 原子物理的发展导致了量子理论的发展和量 子力学的诞生，而原子物理学又在量子力学基础 上日益完善。 10 11 三 、原子物理学的地位和作用 1.原子物理学在材料科学中的应用 2.原子物理学在天文学领域中的应用 12 3.原子物理学在激光技术领域的应用 13 一、激光的发明 •1916年，爱因斯坦提出受激辐射概念 •1946年，布洛赫提出粒子数反转概念 •1947年，兰姆和雷瑟福指出通过粒子数反转可以实 现受激辐射 •1948年，柏塞尔发现粒子数反转现象，提出负温度 的概念，1952年，与布洛赫获得诺贝尔奖 •1949年，卡斯特勒发明光泵，1971年获得诺贝尔奖 •1951年，核自旋能级反转 •1952年，韦伯提出微波激射器原理 14 •1954年，汤斯、肖洛和普洛霍洛夫、巴索夫发明氨 Maser(微波激射放大器) •1957年，汤斯和肖洛最先发表激光器的详细方案，引 人激光的概念 •l958年l 2月，肖洛和汤斯在《物理评论》上发表《红 外区和光学激射器》，论证将微波激射技术扩展到红 外区和可见光区的可能性。这是激光上有重要意义的 历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理奖 •1960年，梅曼发明第一台激光器——红宝石激光器 15 60~70年代 激光器及其应用高速发展，月球上设置 激光反射器 1982年 激光全息术 80~90年代 激光外科手术，通讯，光盘，激光武器... 16 4.原子物理学在生命科学领域中的应用 1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利 用X射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖 核酸（DNA)的双螺旋结构，荣获了1962年度诺 贝尔生物和医学奖。 17 对大分子 DNA 的成千张的X射线衍射照片的分析，显 示出DNA分子的双螺旋结构. DNA X衍射照片 DNA 分子的双螺旋结构 18 四、原子物理学前沿 近十多年来，对原子碰撞的研究工作进展很快，已成为 原子物理学的一个主要发展方向。目前原子碰撞研究的 课题非常广泛，涉及光子、电子、离子、中性原子等与 原子和分子碰撞的物理过程。与原子碰撞的研究发展了 电子束、离子束、粒子加速器、同步辐射加速器、激光 器等激光源、各种能谱仪等测谱设备，以及电子、离子 探测器、光电探测器和微弱信号检测方法，还广泛地应 用了核物理技术和光谱技术，也发展了新的理论和计算 方法。 19 原子光谱与激光技术的结合，使光谱分辨率达到 了百万分之一赫兹以下，时间分辨率接近万亿分 之一秒量级，空间分辨达到光谱波长的数量级， 实现了光谱在时间、空间上的高分辨。由于激光 的功率密度已达到一千万瓦每平方厘米以上，光 波电场场强已经超过原子的内场场强，强激光与 原子相互作用产生了饱和吸收和双光子、多光子 吸收等现象，发展了非线性光谱学，从而成为原 子物理学中另一个十分活跃的研究方向。 20 极端物理条件 ( 高温、低温、高压、强场等 ) 下 和特殊条件 ( 高激发态、高离化态 ) 下原子的结 构和物性的研究，也已成为原子物理研究中的重 要领域。 21 五、学习原子物理学应注意的问题 1.实践是检验真理的标准 2.科学是逐步地不断地发展的 3.对微观体系不能要求都按宏观规律来描述 22 六、成绩考核与作业要求 成绩＝平时＋考试 作业：姓名、专业、学号 23 参考文献 （1）潘永祥编《自然科学概述》（北京大学出版社）第九章：19世 纪末—20书记初的物理学革命。 （2）杨福家《原子物理学》（第三版）（高等教育出版社）。 （3）赵凯华编《定性与半定量物理学》（高等教育出版社）第三 章数量级估计：物理世界的层次和基本物理常数。 （4）W．C．丹皮尔著《科学史（及其与科学和宗教的关系）》绪 论、第十章物理学的革命部分。 （5）苟清泉编《原子物理学》（高等教育出版社）。 24 25