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原子物理学
籍远明
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Atomic Physics
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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。
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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。
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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*
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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
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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。
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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”。
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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。
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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。
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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。
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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
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3.原子物理学在激光技术领域的应用
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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
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•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
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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...
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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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
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六、成绩考核与作业要求
成绩=平时+考试
作业:姓名、专业、学号
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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)。
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