原子物理学简史原子物理学就是研究原子得结构、运动规律及相互作用得物理学分支。
它主要研究:原子得电子结构;原子光谱;原子之间或与其她物质得碰撞过程与相互作用。
经过相当长时期得探索,直到20世纪初,人们对原子本身得结构与内部运动规律才有了比较清楚得认识,之后才逐步建立起近代得原子物理学。
1897年前后,科学家们逐渐确定了电子得各种基本特性,并确立了电子就是各种原子得共同组成部分。
通常,原子就是电中性得,而既然一切原子中都有带负电得电子,那么原子中就必然有带正电得物质。
20世纪初,对这一问题曾提出过两种不同得假设。
1904年,汤姆逊提出原子中正电荷以均匀得体密度分布在一个大小等于整个原子得球体内,而带负电得电子则一粒粒地分布在球内得不同位置上,分别以某种频率振动着,从而发出电磁辐射。
这个模型被形象得比喻为“果仁面包”模型,不过这个模型理论与实验结果相矛盾,很快就被放弃了。
1911年卢瑟福在她所做得粒子散射实验基础上,提出原子得中心就是一个重得带正电得核,与整个原子得大小相比,核很小。
电子围绕核转动,类似大行星绕太阳转动。
这种模型叫做原子得核模型,又称行星模型。
从这个模型导出得结论同实验结果符合得很好,很快就被公认了。
绕核作旋转运动得电子有加速度,根据经典得电磁理论,电子应当自动地辐射能量,使原子得能量逐渐减少、辐射得频率逐渐改变,因而发射光谱应就是连续光谱。
电子因能量得减少而循螺线逐渐接近原子核,最后落到原子核上,所以原子应就是一个不稳定得系统。
但事实上原子就是稳定得,原子所发射得光谱就是线状得,而不就是连续得。
这些事实表明:从研究宏观现象中确立得经典电动力学,不适用于原子中得微观过程。
这就需要进一步分析原子现象,探索原子内部运动得规律性,并建立适合于微观过程得原子理论。
1913年,丹麦物理学家玻尔在卢瑟福所提出得核模型得基础上,结合原子光谱得经验规律,应用普朗克于1900年提出得量子假说,与爱因斯坦于1905年提出得光子假说,提出了原子所具有得能量形成不连续得能级,当能级发生跃迁时,原子就发射出一定频率得光得假说。
玻尔得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。
建立玻尔理论就是原子结构与原子光谱理论得一个重大进展,但对原子问题作进一步得研究时,却显示出这种理论得缺点,因此只能把它视为很粗略得近似理论。
1924年,德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性得假设,以后得观察证明,微观粒子具有波得性质。
1926年薛定谔在此基础上建立了波动力学。
同时,其她学者,如海森伯、玻恩、狄喇克等人,从另外途径建立了等效得理论,这种理论就就是现在所说得量子力学,它能很好地解释原子现象20世纪得前30年,原子物理学处于物理学得前沿,发展很快,促进了量子力学得建立,开创了近代物理得新时代。
由于量子力学成功地解决了当时遇到得一些原子物理问题,很多物理学家就认为原子运动得基本规律已清楚,剩下来得只就是一些细节问题了。
由于认识上得局限性,加上研究原子核与基本粒子得吸引,除一部分波谱学家对原子能级得精细结构与超精细结构进行了深入得研究,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与基本粒子上,在相当长得一段时间里,对原子物理未能进行全面深入得研究,使原子物理得发展受到了一定得影响。
20世纪50年代末期,由于空间技术与空间物理学得发展,工程师与科学家们发现,只使用已有得原子物理学知识来解决空间科学与空间技术问题已就是很不够了。
过去,人们已精确测定了很多谱线得波长,深入研究了原子得能级,对谱线与能级得理论解释也比较准确。
但就是,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得基本知识,则了解得很少,甚至对这些物理量得某些参数只知道其量级。
核试验中遇到得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得实验与理论探讨。
原子物理学得发展对激光技术得产生与发展,作出过很大得贡献。
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与新问题。
射频与微波波谱学新实验方法得建立,也成为研究原子光谱线得精细结构得有力工具,推动了对原子能级精细结构得研究。
因此,在20世纪50年代末以后,原子物理学得研究又重新被重视起来,成为很活跃得领域。
近十多年来,对原子碰撞得研究工作进展很快,已成为原子物理学得一个主要发展方向。
目前原子碰撞研究得课题非常广泛,涉及光子、电子、离子、中性原子等与原子与分子碰撞得物理过程。
与原子碰撞得研究相应,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、光电探测器与微弱信号检测方法,还广泛地应用了核物理技术与光谱技术,也发展了新得理论与计算方法。
电子计算机得应用,加速了理论计算与实验数据得处理。
原子光谱与激光技术得结合,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得数量级,实现了光谱在时间、空间上得高分辨。
由于激光得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得内场场强,强激光与原子相互作用产生了饱与吸收与双光子、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得研究方向。
极端物理条件(高温、低温、高压、强场等)下与特殊条件(高激发态、高离化态)下原子得结构与物性得研究,也已成为原子物理研究中得重要领域。
原子就是从宏观到微观得第一个层次,就是一个重要得中间环节。
物质世界这些层次得结构与运动变化,就是相互联系、相互影响得,对它们得研究缺一不可,很多其她重要得基础学科与技术科学得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、核聚变与空间技术得研究也要原子物理提供一些重要得数据,因此研究与发展原子物理这门学科有着十分重要得理论与实际意义。
原子物理学大事年表公元前384～322年古希腊哲学家亚里士多德提出“四元素说”。
公元前384～322年古希腊哲学家亚里士多德提出“四元素说”。
公元前500～400年古希腊人留基伯及其学生德谟克利特等古希腊哲学家首先提出“原子说”。
公元1661年英国化学家波义耳首先提出了化学元素得概念。
公元1687年英国物理学家牛顿在其著作《自然哲学得数学原理》中奠定了经典力学基础,引入超距作用概念。
公元1774年法国化学家拉瓦锡提出质量守恒原理。
公元1789年德国化学家克拉普罗特首先发现了自然界中最重得元素——铀。
公元1808年英国化学家道尔顿在她得著名著作《化学哲学新系统》中,提出了用来解释物质结构得“原子分子学说”。
公元1811年意大利化学家阿伏加德罗提出了理想气体分子得假设,得出了著名得阿伏加德罗常数,并在1865首次实验测定。
公元1820年瑞典化学家白则里提出了化学原子价概念,并在1828年发表了原子量表。
公元1832年英国物理学家法拉第提出了电解定律。
公元1854年德国得吹玻璃工匠兼发明家盖斯勒用“盖斯勒管”进行了低气压放电实验。
公元1858年德国物理学家普吕克尔在研究低气压放电管时发现面对阴极出现绿色辉光。
公元1864年德国物理学家汗道夫发现阴极射线。
公元1869年俄国化学家门捷列夫与德国化学家迈耶按照原子量得顺序将元素排成了“元素周期表”,又在1871年写成了《化学原理》一书。
公元1876年德国物理学家戈德斯坦断定低气压放电管中得绿色辉光就是由阴极射线产生得。
公元1884年瑞典化学家阿仑尼乌斯首先提出了电离学说,认为离子就就是带有电荷得原子。
公元1885年英国物理学家克鲁克斯用实验证明阴极射线就是一种具有质量带有电花得粒子流,而不就是没有质量得光束。
公元1891年爱尔兰物理学家斯托尼首先提出把电解时所假想得电单元叫做“电子”。
公元前500～400年古希腊人留基伯及其学生德谟克利特等古希腊哲学家首先提出“原子说”。
公元1661年英国化学家波义耳首先提出了化学元素得概念。
公元1687年英国物理学家牛顿在其著作《自然哲学得数学原理》中奠定了经典力学基础,引入超距作用概念。
公元1774年法国化学家拉瓦锡提出质量守恒原理。
公元1789年德国化学家克拉普罗特首先发现了自然界中最重得元素——铀。
公元1808年英国化学家道尔顿在她得著名著作《化学哲学新系统》中,提出了用来解释物质结构得“原子分子学说”。
公元1811年意大利化学家阿伏加德罗提出了理想气体分子得假设,得出了著名得阿伏加德罗常数,并在1865首次实验测定。
公元1820年瑞典化学家白则里提出了化学原子价概念,并在1828年发表了原子量表。
公元1832年英国物理学家法拉第提出了电解定律。
公元1854年德国得吹玻璃工匠兼发明家盖斯勒用“盖斯勒管”进行了低气压放电实验。
公元1858年德国物理学家普吕克尔在研究低气压放电管时发现面对阴极出现绿色辉光。
公元1864年德国物理学家汗道夫发现阴极射线。
公元1869年俄国化学家门捷列夫与德国化学家迈耶按照原子量得顺序将元素排成了“元素周期表”,又在1871年写成了《化学原理》一书。
公元1876年德国物理学家戈德斯坦断定低气压放电管中得绿色辉光就是由阴极射线产生得。
公元1884年瑞典化学家阿仑尼乌斯首先提出了电离学说,认为离子就就是带有电荷得原子。
公元1885年英国物理学家克鲁克斯用实验证明阴极射线就是一种具有质量带有电花得粒子流,而不就是没有质量得光束。
公元1891年爱尔兰物理学家斯托尼首先提出把电解时所假想得电单元叫做“电子”。
公元1895年德国物理学家伦琴在12月28日宣布发现了x射线(又称伦琴射线)。
为此她获得了1901年度首届诺贝尔物理学奖。
法国物理学家佩兰断定阴极射线确就是带负电荷得微粒流,她曾因研究物质得间断结构与测量原子体积而获得了1926年度诺贝尔物理学奖。
荷兰物理学家洛伦茨首先提出了经典电子论,她还确定了电子在电磁场中所受得力,即洛伦茨力,并预言了正常得塞曼效应。
公元1896年法国物理学家贝克勒尔在3月1日用铀盐样品进行实验时发现了天然放射性,她也就是第一个使用乳胶照相探测射线得科学家,为此同居里夫妇一起获得1903年度诺贝尔物理学奖。
荷兰物理学家塞曼在研究外磁场作用下得光发射时发现塞曼效应,这也就是磁场对原子辐射现象得影响,为此她获得了1902年度诺贝尔物理学奖。
公元1897年英国物理学家汤姆逊在4月30日从阴极射线得研究中证实了电子得存在。
由于她在研究电在气体中得传导所作得得重大贡献而获得1906年度诺贝尔物理学奖。
1897～1914年,美国物理学家米利肯等先后多次精确测量电子得质量与电荷,1899年又测定了电子得荷质比。
米利肯因对电子电荷得测定与光电效应得研究获得1923年度诺贝尔物理学奖。