原子物理学 籍远明 jymcumtb@163.com Atomic Physics

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。

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。

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* 褚圣麟

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

一、原子物理的研究对象、内容、研究方法 研究对象 研究内容 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。

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”。

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。

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。

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。

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

3.原子物理学在激光技术领域的应用

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

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

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...

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。

对大分子 DNA 的成千张的X射线衍射照片的分析，显

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。

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。

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。

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

六、成绩考核与作业要求 成绩＝平时＋考试 　作业：姓名、专业、学号

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）。