[科普中国]-原子物理学

发展历史

·物理学发展到19世纪八十年代，积累了大量事实，归纳出好多原理和定饿建立了完整的三大理论体系：力学、热力学和电动力学。数学和化学也有了相当的积累，尤其是科学技术有了很大的发展。交通、运输、通讯便利起来，工业发达起来电力的应用，内燃机和蒸汽机被采用，冶金工业有了发展等等。生产的发展一方面提出了新的问题和挑战，同时也为科学工作和实验提供了更好的条件和物质保证。在此之后的一段时规物理学尤其是原子物理学得到了非常迅速的发展2。

1885年，瑞士人巴尔末发现氢光谱线系归纳出形式异常简单的经验公式，随后玻尔利用此规律很快找到氢原子跃迁规律。1887年赫兹发现光电效应，后被爱因斯坦利用光量子假说成功解释。1895年伦琴发现了x射线，后来人们由此得到原子内层电子之间的跃迁规律。1896年法国人贝克勒尔发现放射性。1897年汤姆逊证实了电子的存在。这两个发现彻底粉碎了原子不可分的理论。贝克勒尔是在偶然的情况下发现了放射性，当时他正致力于磷光性物质的研究，无意中发现放在抽屉里用纸密封好的底片居然感光了，形成放在其上面的一把钥匙清晰的像。光是从哪里来的?

通过细心的观察发现是磷光实验用的铀的化合物也偶然放在抽屉里的原因，在研究后发现这种化合物具有放射性，能从中发出放射线来。之后，居里夫妇从几十吨提过铀的废矿中提取出放射性更强的的钋和镭。由于放射现象的发现，知道一种放射性元素发出粒子后能够转变为其他新元素的原子，说明发出射线的原子就是有其内部的结构。与此发现相比，电子的发现却没有这么幸运，虽然汤姆逊由于确认电子的存在而被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

1890年休斯脱、1897年考夫曼也都作了类似的实验，发现了阴极射线3，测得了elm值。但都因没有勇气改变传统旧观念而放弃。这些都是恩格斯所描述的“当真理碰到鼻子尖的时候还是没有得到真理”的人。汤姆逊不仅证明了电子的存在，而且还发现很多材料里都能发出电子，说明电子是物质的组成部分。于是1898年，汤姆逊大胆地提出了原子的“枣糕模型”：原子的带正电部分是一个原子那么大的，具有弹性的冻胶状球体，正电荷均匀分布在这球内或球面上，有负电子镶嵌着，这些电子在其平衡位置上作简谐振动，原子发光频率即为电子振动频率。此模型能解释当时所有对原予的认识。随着新问题的提出，汤姆逊模型也作了相应的完善和改进，它于1903年、1907年都有所修正。

1903年勒纳特所作的电子在金属膜上的散射实验，显示了原子的“空虚”，使汤姆逊模型遇到困难他发现较高速度的电子很容易穿透原子，原子不象那样半径的实球体，于是汤姆逊就在他的原子模型中追加了“冻胶状”球体的描述。再如：为了解释元素周期表，汤姆逊还假设了电子按同心环分布，且指出每环中只能安置有限个电子等等。但随着1909年马斯顿和盖革两人作了著名的“Q粒子大角度散射实验”后，汤姆逊模型就真正遇NT难以克服的困难，这种模型根本无法解释．有1/8000几率的Q粒子被靶物质“反弹”的现象因而该模型被推翻。

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3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，和爱因斯坦于1905年提出的光子假说，提出了原子所具有的能量形成不连续的能级，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。

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。

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。

运用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子物理学问题，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。

教材基本情况书名:高等学校教材--原子物理学1

出版社:高等教育出版社

定价:16.9

条形码:9787040013122

ISBN:ISBN 7-04-001312-6

作者:褚圣麟

印刷日期:2005-5-1

出版日期:1979-6-1

精装平装_开本_页数:平装32开,419页

中图法:

中图法一级分类:

中图法二级分类:

简介本书内容以说明原子结构为中心．从光谱学、电磁学、x射线等方面的实验事实和总结出的规律，汇总到原子结构的全貌．书中有"量子力学初步"一章，介绍阐述有关问题所需要的量子力学基本概念．全书在环绕中心目标述及有关实验事实和规律时，也就便提到目前有些重要应用方面，如激光原理、顺磁共振、x射线的衍射等．本书最后两章分别对原子核和基本粒子作了简要的介绍．各章均附有习题，全书采用国际单位制。

本书可作为高等学校物理专业的试用教材，也可供其他专业的有关教师学生参考。

前 言

此书由编者授课的讲义整理而成．前八章以阐述原子结构为中心内容，书中以关于光谱、电磁现象、X射线等方面的实验事实和有关规律为依据，逐步揭示原子结构的情况．第九章简单论述了分子结构，通过这一章的介绍，希望能扩大读者对原子实际存在状况的了解。

第三章"量子力学初步"介绍这方面的基本概念，并以简例说明量子力学处理问题的方法．这样，在以后各章的论述中，可以引用这个理论的概念及其对一些具体问题的结论，使讨论更切合微观体系的规律．进一步学习量子力学需要有足够的有关原子和分子的知识。

最后两章扼要地介绍了原子核和基本粒子的知识．第十章内容大体是编者以前所编《原子核物理学导论》(高等教育出版社，1965年出版)一书内容的节要．第十一章搜集新近资料对基本粒子作了简略的介绍．为了不使这部分的篇幅过大，这两章没有包括实验方法的说明和数学推导，只用文字图表作介绍．增加这两章的用意是，此书如果用作教材，而"原子物理"课之后不拟另设"原子核物理"(包括一些基本粒子的知识)课程，这两章可以用作简略介绍这方面知识的参考资料，可供学生补充阅读之用．

此书用作教材时，可按照课程的要求，对内容加以选择．如果只要求一般理解的"原子物理" 内容，而且学时较紧， 可以用前九章或前八章的材料；或再斟酌精减去一些，例如第六和第八两章的内容可以选取一部分；第九章也可以不用．

承北京大学物理系曹昌祺教授阅读了本书第十一章的初稿并提出了宝贵意见．编者把此章初稿作了修改．特此对曹教授表示衷心的感谢．

北京大学物理系曾谨言同志提供了根据原子核中电荷分布半径的研究结论，他所建议对外斯塞格公式中库仑能一项进行修改的资料．编者已把这项修改写入书中．特此对曾同志表示谢忱．

许祖华等同志曾多次同编者一同担任原子物理学的教学工作，经常一同探讨有关教学上的问题．早年讲义的编写和修改，最后书稿的完成，都吸收了集体积累的教学经验．本书一至九章的习题是许祖华同志编写的，他还绘制了书中一些插图，对编写工作多方协助，特此致谢．

书稿曾经有关高等学校教师参加的审稿会议审查．在四川大学周仲璧同志主持下，承四川大学、复旦大学、中国科技大学、南京大学、南开大学、兰州大学、安徽大学、北京师范大学、北京师范学院、江苏师范学院、青海师范学院的各位教师审阅了书稿，进行了讨论，提出了宝贵的意见．编者参照这些意见，把书稿作了修改和补充，得以有所改进．特此对参加审稿会议的诸同志敬表谢意．

书中一定还有缺点和不妥之处，恳请读者提出宝贵意见和批评．

褚圣麟

1979年1月于北京大学

目录目录:前言 1

绪论 1

第一章 原子的基本状况 6

1．1 原子的质量和大小 6

1．2 原子的核式结构 8

1．3 同位素 19

第二章 原子的能级和辐射 22

2．1 光谱--研究原子结构的重要途径之一 22

2．2 氢原子的光谱和原子光谱的一般情况 24

2．3 玻尔的氢原子理论和关于原子的普遍规律 26

2．4 类氢离子的光谱 36

2．5 夫兰克-赫兹实验与原子能级 42

2．6 量子化通则 48

2．7 电子的椭圆轨道与氢原子能量的相对论效应 50

2．8 史特恩-盖拉赫实验与原子空间取向的量子化 55

2．9 原子的激发与辐射 激光原理 62

2．10 对应原理和玻尔理论的地位 70

第三章 量子力学初步 78

3．1 物质的二象性 78

3．2 测不准原理 82

3．3 波函数及其物理意义 86

3．4 薛定谔波动方程 89

3．5 量子力学问题的几个简例 93

3．6 量子力学对氢原子的描述 103

第四章 碱金属原子和电子自旋 115

4．1 碱金属原子的光谱 115

4．2 原子实的极化和轨道的贯穿 120

4．3 碱金属原子光谱的精细结构 124

4．4 电子自旋同轨道运动的相互作用 126

4．5 单电子辐射跃迁的选择定则 134

4．6 氢原子光谱的精细结构与蓝姆移动 135

第五章 多电子原子 145

5．1 氦及周期系第二族元素的光谱和能级 145

5．2 具有两个价电子的原子态 149

5．3 泡利原理与同科电子 159

5．4 复杂原子光谱的一般规律 161

5．5 辐射跃迁的普用选择定则 164

5．6 原子的激发和辐射跃迁的一个实例--氦氖激光器 165

第六章 在磁场中的原子 170

6．1 原子的磁矩 170

6．2 外磁场对原子的作用 174

6．3 史特恩-盖拉赫实验的结果 178

6．4 顺磁共振 180

6．5 塞曼效应 184

6．6 抗磁性、顺磁性和铁磁性 191

第七章 原子的壳层结构 199

7．1 元素性质的周期性变化 199

7．2 原子的电子壳层结构 202

7．3 原子基态的电子组态 205

第八章 X射线 219

8．1 X射线的产生及其波长和强度的测量 219

8．2 X射线的发射谱 224

8．3 同X射线有关的原子能级 229

8．4 X射线的吸收 233

8．5 康普顿效应 237

8．6 X射线在晶体中的衍射 242

习题 248

第九章 分子结构和分子光谱 250

9．1 分子的键联 250

9．2 分子光谱和分子能级 256

9．3 双原子分子的电子态 260

9．4 双原子分子的振动光谱 263

9．5 双原子分子光谱的转动结构和分子常数的测定 267

9．6 组合散射(拉曼效应) 275

9．7 多原子分子简述 279

第十章 原子核 285

10．1 原子核的基本性质 285

10．2 原子核的放射衰变 295

10．3 射线同实物的相互作用和放射性的应用 312

10．4 核力 323

10．5 原子核结构模型 326

10．6 原子核反应 341

10．7 原子核裂变和原子能 352

10．8 原子核的聚变和原子能利用的展望 359

第十一章 基本粒子 370

11．1 基本粒子和粒子的相互作用 370

11．2 粒子的观测 373

11．3 守恒定律和对称原理 382

11．4 共振态 388

11．5 强子分类和层子模型 394

11．6 关于电磁相互作用 400

11．7 弱相互作用 403

常用物理常数 411

参考书籍 412

外国人名表 413

索引 415

基本知识原子对撞近十多年来，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、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。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，从而成为原了物理学中另一个十分活跃的研究方向。

在抽成真空的放电管中充入少量气体（如氢气），通过高压放电，可观测到原子的发光现象。将碱金属化合物在火焰上加热，也会观测到碱金属的发光现象。

特殊原子极端物理条件(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。

原子量原子量有两种：原子原子量和元素原子量。原子原子量是原子以碳单位为质量单位(见“原子质量单位”)量度的原子质量，是一种相对质量。如12C原子的原子量为12.000000，13C原子的原子量为13.008665。而通常所说的化学元素的原子量是指该元素在自然界存在的同位素混合物的平均原子量，跟混合物中各成分的占有率直接有关4。

元素原子量的计算公式为：元素原子量，其中mi，λi分别为第i种同位素的原子量和它在混合物中的占有率，r为同位素的种数。如自然界的碳，是三种同位素12C、13C、14C的混合物，分别占98.892%，1.108%，12×10-10%，因此，碳元素的原子量是12×98.892%+13×1.108%=12.011，而不是整数12，这就是元素周期表中列出的碳原子量。若某元素没有天然同位素，则该元素原子量就是该原子的原子质量(以碳单位为质量单位)。如钠原子只有一种23Na，则钠元素的原子量就是钠原子的原子量22.98977。

1962年以前物理学中曾经用16O原子质量的1/16作为物理学中原子质量单位，这是物理学中的氧单位。而在化学中仍采用天然同位素混合物(由16O和微量的17O、18O组成)的平均质量的1/16为化学中原子质量单位，称为化学中的氧单位(即1.6734×10-27kg)，这是对原子质量的两种标度。按照物理标度，氧元素的原子量为整数16，而按照物理标度，则为16.004462。自然界中氧的同位素组成，在海水中与在空气和岩石中不一样，因此氧单位的化学标度不够严格。从1962年起物理学和化学统一用碳单位为原子质量单位，解决了物理学和化学中标度不一致的问题。采用碳单位还有其他好处，如可用质谱仪测量质量，准确度很高;碳能生成很多含碳原子的分子、离子，便于用质谱仪测量，将12C和很多元素的离子的质量进行精确比较，从而确定其原子量;用12C为标准，对原来的原子量的修正值也不大。

“原子量”现已更名为“相对原子质量”。

总结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。