原子物理和核物理

由于认识上的局限性，加上研究原子核和基本粒子的 吸引，除一部分波谱学家对原子能级的精细结构与超精细 结构进行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理学 家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相当长 的一段时间里，对原子物理未能进行全面深入的研究，使 原子物理的发展受到了一定的影响。 20世纪50年代末期，由于空间技术和空间物理学的 发展，工程师和科学家们发现，只使用已有的原子物理学 知识来解决空间科学和空间技术问题已经是很不够了。过 去，人们已精确测定了很多谱线的波长，深入研究了原子 的能级，对谱线和能级的理论解释也比较准确。 但是，对谱线强度、跃迁几率、碰撞截面等这些空间 科学中非常重要的基本知识，则了解得很少，甚至对这些 物理量的某些参数只知道其量级。核试验中遇到的很多问 题也都与这些知识有关。因此还必须对原子物理进行新的 实验和理论探讨。
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。电子计算机的应用，加速了理论计算和实验数据的 处理。 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， 空间分辨率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，从而成为原了物理学 中另一个十分活跃的研究方向。 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。
1904年，汤姆逊提出原子中正电荷以均匀的体密度分 布在一个大小等于整个原子的球体内，而带负电的电子则 一粒粒地分布在球内的不同位置上，分别以某种频率振动 着，从而发出电磁辐射。这个模型被形象的比喻为“果仁 面包”模型，不过这个模型理论和实验结果相矛盾，很快 就被放弃了。
1911年卢瑟福在他所做的粒子散射实验的基础上， 提出原子的中心是一个重的带正电的核，与整个原子的大 小相比，核很小。电子围绕核转动，类似大行星绕太阳转 动。这种模型叫做原子的核模型，又称行星模型。从这个 模型导出的结论同实验结果符合的很好，很快就被公认 了。 绕核作旋转运动的电子有加速度，根据经典的电磁理 论，电子应当自动地辐射能量，使原子的能量逐渐减少、 辐射的频率逐渐改变，因而发射光谱应是连续光谱。电子 因能量的减少而循螺线逐渐接近原子核，最后落到原子核 上，所以原子应是一个不稳定的系统。 但事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱是线状的， 而不是连续的。这些事实表明：从研究宏观现象中确立的 经典电动力学，不适用于原子中的微观过程。这就需要进 一步分析原子现象，探索原子内部运动的规律性，并建立 适合于微观过程的原子理论。
1913年，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福所提出的核模型 的基础上，结合原子光谱的经验规律，应用普朗克于 1900年提出的量子假说以及爱因斯坦于1905年提出的光 子假说的基础上。玻尔提出了原子所具有的能量将形成不 连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就发射出一定频率 的光的假说。 玻尔的假设能够说明氢原子光谱等某些原子现象，初 次成功地建立了一种氢原子结构理论。建立玻尔理论是原 子结构和原子光谱理论的一个重大进展，但对原子问题作 进一步的研究时，却显示出这种理论的缺点，因此只能把 它视为很粗略的近似理论。
原子物理学和核物理学
工程技术学院 邹万全
原子物理学
原子物理学是研究原子的结构、运动规律Hale Waihona Puke Baidu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的碰撞过程和相互作用。 经过相当长时期的探索，直到20世纪初，人们对原 子本身的结构和内部运动规律才有了比较清楚的认识，之 后才逐步建立起近代的原子物理学。 1897年前后，科学家们逐渐确定了电子的各种基本 特性，并确立了电子是各种原子的共同组成部分。通常， 原子是电中性的，而既然一切原子中都有带负电的电子， 那么原子中就必然有带正电的物质。20世纪初，对这一 问题曾提出过两种不同的假设。
1924年，德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的 假设，以后的观察证明，微观粒子具有波的性质。1926 年薛定谔在此基础上建立了波动力学。同时，其他学者， 如海森伯、玻恩、狄拉克等人，从另外途径建立了等效的 理论，这种理论就是现在所说的量子力学，它能很好地解 释原子现象。
20世纪的前30年，原子物理学处于物理学的前沿， 发展很快，促进了量子力学的建立，开创了近代物理的新 时代。由于量子力学成功地解决了当时遇到的一些原子物 理问题，很多物理学家就认为原子运动的基本规律已清楚， 剩下来的只是一些细节问题了。
原子物理学的发展对激光技术的产生和发展，作出过 很大的贡献。激光出现以后，用激光技术来研究原了物理 学问题，实验精度有了很大提高，因此又发现了很多新现 象和新问题。射频和微波波谱学新实验方法的建立，也成 为研究原子光谱线的精细结构的有力工具，推动了对原子 能级精细结构的研究。因此，在20世纪50年代末以后， 原子物理学的研究又重新被重视起来，成为很活跃的领 域。 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。与原子碰撞的研究相应，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，以及电子探测器、 离子探测器、光电探测器和微弱信号检测方法，还广泛地
原子是从宏观到微观的第一个层次，是一个重要的中 间环节。物质世界中这些层次的结构和运动变化，是相互 联系、相互影响的，对它们的研究缺一不可，很多其他重 要的基础学科和技术科学的发展也都要以原子物理为基础， 例如化学、生物学、空间物理、天体物理、物理力学等。 激光技术、核聚变和空间技术的研究也需要原子物理提供 一些重要的数据，因此研究和发展原子物理这门学科有着 十分重要的理论和实际意义。