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1、 原子物理学的发展杨君岗（天水师范范学院 物理理与信息息科学学学院 甘肃 天水 74110000）摘要： 本本文较详详实地介介绍了原原子物理理学的发发展历程程。从最最早的“原子”概念出出发，“不可分分割”与“可分割割”的争论论，到119世纪纪后开始始的黄金金发展阶阶段，最最后确定定了原子子的基本本组成和和运动规规律。引引出了原原子核物物理的具具体发展展历程，每每个时段段都有独独特的、有有进步意意义的新新理论提提出或对对旧理论论的完善善，体现现着人类类探索物物质内部部结构的的艰难。关键词： 原子;原子核核;分割割;发展展 The DDeveeloppmennt oof AAtommic Phys
2、sicssYang Junngangg(Schhooll off Phhysiics andd Innforrmattionn scciennce, Tiiansshuii Noormaal UUnivverssityy， 77410000 Chiina)Abstrractt :Thiis ppapeer ggavee a dettailled andd acccurratee acccouunt of thee deevellopmmentt cooursse oof aatommic phyysiccs. Froom tthe earrlieest connceppt oof atoomi
3、cc. thhe cconttrovverssy of iindiivissiblle andd ddiviisibbiliity ,to thee gooldeen ddeveeloppmennt sstagge bbegaan of thee 199th cennturry, andd fiinallly to dettermminee thhe aatommic commpossitiion andd moovemmentt off thhe bbasiic. Nuccleaar pphyssicss leed tto tthe speeciffic couursee off deeve
4、llopmmentt, eeachh haas aa unniquue ttimee, aa prrogrresssivee orr a neww thheorry pput forrwarrd tto iimprrovee onn thhe oold theeoryy, wwhicch eemboodiees tthe intternnal strructturee off thhe hhumaan eexplloraatioon oof ddiffficuult matteriial. Keey wwordds: atoom, atoomicc nuucleeus, paartiitioo
5、n, devveloopmeent引言原子物理学学是研究究原子的的结构、运运动规律律及相互互作用的的物理学学分支。它它主要研研究：原原子的电电子结构构；原子子光谱；原子之之间或与与其他物物质的碰碰撞过程程和相互互作用。 原子子物理学学的发展展正像其其他学科科的发展展一样，经经历了一一个漫长长的不均均匀的发展过过程。真真正的大大发展是是在199世纪后后半叶到到20世世纪前半半叶，人人们对原原子本身身的结构构和内部部运动规规律才有有了比较较清楚的的认识，我们称之这一阶段是原子物理学发展的黄金时段。之后才逐步建立起近代的原子物理学。下面介绍原子物理学的发展过程。1 原子物物理学的的发展过过程1.1远
6、古古时代的的原子学学说万物由什么么组成？物质可可以被无无休止地地分割为为愈来愈愈小的物物质单元元还是存存在构成成世界的的“砖块”？这是是古代哲哲人们就就开始思思索的问问题。公公元前44世纪的的古希腊腊哲学家家留基伯伯在致力力于思考考分割物物质问题题后得出出一个结结论：分分割过程程不能永永远继续续下去，物物质的碎碎片迟早早会达到到不可能能分得更更小的地地步。他他的学生生德漠克克里特接接受了这这种物质质碎片会会小到不不可再分分的观念念并称这这种物质质的最小小组成单单位为“原子”。由留留基伯与与德漠克克里特提提出的留留基伯原原子论哲哲学作为为“最系统统、最始始终一贯贯。并且且可以应应用于一一切物体体
7、的学说说”是对早早期希腊腊各派自自然哲学学的大综综合，并并将早期期希腊的的自然哲哲学推上上一个光光辉的顶顶峰。在在他们的的观点中中，原子子是最微微小的、不不可再分分割的物物质微粒粒，是坚坚实的、内内部绝对对充满而而没有空空隙的东东西。原原子数目目有无限限多，它它们彼此此间性质质相同。其其差别只只表现在在形状、大大小和排排列上。原原子在虚虚空中不不停地运运动，运运动中原原子间会会发生碰碰撞，有有时会粘粘着并组组合在一一起。于于是一组组原子组组合成一一种东西西，而另另一组原原子组合合成另外外的东西西等等。这这样万物物就由作作为实在在的建筑筑石料的的原子和和虚空构构成了。其其后，哲哲学家伊伊壁鸿鲁鲁
8、、卢克克莱修先先后接受受了这种种原子学学说，后后者在其其著名诗诗作物物性论中中以动人人的笔触触全面介介绍了原原子学说说，使之之成为古古代原子子学说理理论知识识的最主主要来源源。接着着古代原原子学说说又经历历了一个个漫长的的黑暗的的停滞时时期，在整个个封建时时代，物理学学、化学学等学科科为了适适应封建建主的需需求，一是为为了寻求求延年益益寿，长生不不老的秘秘方，陷入了了炼丹术术的泥坑坑。二是是为了得得到更多多的财富富，寻求点点石成金金的办法法。与此此同时，封建神神学思想想统治了了社会，愚弄世世人，对“圣圣典”条条文的研研究代替替了对自自然真理理的发掘掘。人类类从物质质结构的的争论转转到了关关于鬼
9、神神的争辩辩。在长长达十多多个世纪纪的时间间里，对物质质结构的的研究和和探索被被人们所所遗忘！在中世纪，一一些阿拉拉伯的思思想家接接受了原原子论。而而西方的的经院神神学家们们却因它它与宗教教学说教教义相冲冲突而激激烈反对对这种观观点。文文艺复兴兴时期与与原子论论相关的的思想出出现在布布鲁诺、伽伽利略、弗弗朗西斯斯、培根根等人的的著作中中，在此此之后，法法国哲学学家伽桑桑狄(115922一16655年年)接受受了原子子学说，他他的有说说服力的的著作，使使人们对对原子学学说的关关注得以以复苏，并并引发了了科学家家的兴趣趣，从而而将原子子论引入入到现代代科学中中。原子子学说在在17世世纪得以以复活。
10、更更重要的的是，哲哲学家的的思想火火炬开始始传递到到科学家家手中。1.2古典典的原子子学说直到16世世纪之后后，物质质的原子子观才被被世人所所逐步接接受，著著名学者者伽利略略，笛卡卡儿都重重新提及及过原子子论。117世纪纪形成的的气体分分子运动动论的萌萌芽可以以说是现现代原子子学说的的发源。在这期间值得一提的是，1666 年牛顿发现了光谱，从此人们研究光谱、分析光谱，并积累了大量的光谱资料，得到了一些经验公式，后来因此产生了很多的新理论，致使光谱成为研究原子内部结构的重要途径之一。1801年，英国化学家道尔顿提出了新的原子学说。他认为物质是由许多种类不同的元素所组成，元素又由非常微小的，不可再
11、分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。同种元素的原子大小、性质等都相同，异种元素的原子是不相同的。道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律、定比定律和倍比定律等。道尔顿的原子学说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原子学说更进一步。 分子运动论论在199世纪有有了很多多的发展展，18811年年意大利利的阿伏伏伽得罗罗提出的的阿伏伽伽得罗假假说，即即同体积积气体在在温度下下含有同同数目的的分子。118277年英国国的布郎郎观察到到液体中中的悬浮浮花粉微微粒作无无规则的的起伏运运动即布布郎运动动，他的的发现是是分子运运动论的的有力证据，118333年法拉拉第电解解定律的的
12、提出显显示了电电的基本本单元的的存在，并并把化学学亲和力力归之为为电力。118699年，俄俄国人门门捷列夫夫发表的的元素周周期率，实实际上是是向原子子不可分分割论提提出了质质疑，他他的出现现预示着着不同原原子之间间有着一一定的共共性，必必然存在在着一定定的联系系，不是是各自独独立的对对这周期期性的研研究，必必然导致致原子内内部结构构的发现现从而否否定了原原子不可可分割的的理论。1.3原子子物理学学的黄金金时段物理学发展展到199世纪880年代代积累了了大量的的事实，归归纳出了了好多原原理和定定理，建建立了完完整的三三大理论论体系；力学，热热力学，和和电动力力学。数数学和化化学也有有了相当当的积
13、累累，尤其其是科学学技术有有了很大大的发展展。交通通，运输输，通讯讯的便利利起来，工工业发达达起来，电电力的应应用，内内燃机和和蒸汽机机被采用用，冶金金工业有有了新的的发展等等等，生生产力的的发展一一方面提提出了新新的问题题和挑战战，同时时也为科科学工作作和实验验提供了了更好的的物质和和保证。在在此之后后的一段段时间，物物理学，尤尤其是原原子物理理学得到到迅速的的发展。1885年年，瑞士士人巴尔尔末发现现氢光谱谱线系的的规律，归归纳出形形式异常常简单的的经验公公式，随随后玻尔尔利用此此规律很很快找到到氢原子子跃迁规规律。118877年赫兹兹发现光光电效应应，后被被爱因斯斯坦利用用光量子子假说成
14、成功解释释。18895年年伦琴发发现了射射线，后后来人们们得到原原子内层层之间的的跃迁规规律。118966年法国国人贝克克莱尔发发现放射射性。118977年汤姆姆逊发现现了电子子，并证证明了电电子是各各种元素素的基本本组成部部分。这两个个发现彻彻底粉碎碎了原子子不可分分的理论论。之后后贝克莱尔是在在偶然的的情况下下发现了了放射性性，当时他他正致力力于磷光光性物质质的研究究，无意中中发现放放在抽屉屉里用纸纸密封好好的底片片居然感感光了，形成放放在其上上面的一一把钥匙匙清晰的的像。光光是从哪哪里来的的？通过过细心的的观察发发现是磷磷光实验验用的铀铀的化合合物也偶偶然放在在抽屉里里的原因因，在研究究
15、后发现现这种化化合物具具有放射射性，能从中中发出放放射线来来。之后后，居里夫夫妇从几几十吨提提过铀的的废矿中中提取出出放射性性更强的的的钋和和镭。由由于放射射现象的的发现，知道一一种放射射性元素素发出粒粒子后能能够转变变为其他他新元素素的原子子，说明发发出射线线的原子子就是有有其内部部的结构构。与此此发现相相比，电子的的发现却却没有这这么幸运运，虽然汤汤姆逊由由于确认认电子的的存在而而被誉为为“一位位最先打打开通向向基本粒粒子物理理学大门门的伟人人”，但他不不是最早早发现电电子的，在他之之前赫兹兹就作过过相同的的阴极射射线的实实验，终因真真空度不不够而没没能发现现。18897 年考夫夫曼也都都
16、作了类类似的实实验，发现了了阴极射射线,测测得了值值。但都都因没有有勇气改改变传统统旧观念念而放弃弃。这些些都是恩恩格斯所所描述的的“当真理理碰到鼻鼻子尖的的时候还还是没有有得到真真理”的人。汤汤姆逊不不仅证明明了电子子的存在在，而且还还发现很很多材料料里都能能发出电电子，说明电电子是物物质的组组成部分分。于是是 18898 年，汤姆逊逊大胆地地提出了了原子的的“枣糕模模型”： 原原子的带带正电部部分是原原子那么么大的，具具有弹性性的冻胶胶状球体体，正电电荷均匀匀分布在在球内和和球面上上。有负电电子镶嵌嵌着，这这些电子子在其平平衡位置置上作简简谐振动动，原子子发光频频率即为为电子震震动频率率。
17、他还还计算了了在正电电球库仑仑力以及及电子相相互间库库仑力的的作用下下，使这这种原子子结构保保持稳定定状态的的条件。在在计算中中汤姆逊逊发现，为为了不使使电子都都集中到到球心，电电子必需需分布在在几个同同心圆环环上，如如果尽量量减少圆圆环数，对对应正电电球里各各种数目目电子的的稳定分分布就出出现了周周期性。汤汤姆逊的的模型后后来被证证明是错错误的，但但他的这这些研究究为后人人建立原原子模型型提供了了不少启启示。1911年年卢瑟福福在他所所做的粒粒子散射射实验基基础上，提提出原子子的中心心是一个个重的带带正电的的核，与与整个原原子的大大小相比比，核很很小。电电子围绕绕核转动动，类似似大行星星绕太
18、阳阳转动。这这种模型型叫做原原子的核核模型，又又称行星星模型。从从这个模模型导出出的结论论同实验验结果符符合的很很好，很很快就被被公认了了。绕核作作旋转运运动的电电子具有加速速度，根根据经典典的电磁磁理论，电电子应当当自动地地辐射能能量，使使原子的的能量逐逐渐减少少、辐射射的频率率逐渐改改变，因因而发射射光谱应应是连续续光谱。电电子因能能量的减减少而循循螺线逐逐渐接近近原子核核，最后后落到原原子核上上，所以以原子应应是一个个不稳定定的系统统。但事实上原原子是稳稳定的，原原子所发发射的光光谱是线线状的，而而不是连连续的。这这些事实实表明：从研究究宏观现现象中确确立的经经典电动动力学，不不适用于于
19、原子中中的微观观过程。这这就需要要进一步步分析原原子现象象，探索索原子内内部运动动的规律律性，并并建立适适合于微微观过程程的原子子理论。卢瑟福的理理论吸引引了一位位来自丹丹麦的年年轻人，他他的名字字叫卓尼尼玻尔(NieelsBBohrr,1888519662)，在在卢瑟福福模型的的基础上上，他提提出了电电子在核核外的量量子化轨轨道，解解决了原原子结构构的稳定定性问题题，描绘绘出了完完整而令令人信服服的原子子结构学学说玻尔尔的原子子理论，指电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量。
20、只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量。而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量变化之间关系由给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。初次成功地建立了一种氢原子结构理论玻尔理论。运用卢瑟福的原子模型建立了原子的量子论，提出了一个动态的原子结构轮廓，指出经典物理规律不能完全适用于原子内部，必须遵循原子系统特有的量子规律，对近代物理学的发展有极其深刻的影响。1920年提出的“对应原理”，玻尔指出物理领域中的变化将更深刻地影响了人们科学观的基本观点。在1936一1939年间玻尔又提出和改进了原子结构液滴模型。由这些观点玻尔成功地解释了氢原子光谱规律，解开
21、了“巴尔末公式之迷”。玻尔成功地解释了类氢离子光谱，利用里德伯常数随原子核质量的变化证实了氖的存在，很好地说明了特征光谱，第一次用物理的观念说明了元素的周期性。玻尔突破前人的思想大胆地提出“电子不会辐射”，解脱了核式模型的困难使得原子能稳定存在，他关于量子化定态概念及与定态之间的跃迁相对应的辐射频率法则的基本思想至今仍然是正确的。玻尔凭借神奇的直观，提出了并协性原理。但是玻尔理论也不可避免的存在着它的局限性，它把微观粒子如电子、原子等看作是经典力学的质点强行加入量子化条件，而不能给予其物理解释使理论本身缺乏逻辑的一贯性，而只是一种调和的理论。玻尔理论主要用对应原理与经典情况相比较，但对于不同的
22、问题，对应原理的运用又没有统一的规则。不能理解氢原子中核与电子之间的静电相互作用的有效性，而加速电子在定态时辐射电磁波的能力又消失了，概念本身难以理解。对定态之间跃迁过程中发射和吸收辐射的原因描述不清；电子从一个能态跳到另一个能态怎样选择它所需要的光子，跃迁的概念不能解释电子从离开某个能级尚未到达另一个能级时处于什么状态。实践中对氢原子给出了与实验符合的结果，但对比氢原子稍复杂的原子都没有成功的给出结果。虽然玻尔理论未能反映出微观世界的本质并忽略了微观粒子的波粒二象性，不受不确定关系和薛定谔方程的限制，但可以说玻尔理论为量子力学的建立拉开了序幕。直到1924年德布罗意揭示出微观粒子具有根本不同
23、于宏观质点的性质波粒二象性后，一个完整的描述微观粒子运动规律的理论量子力学才逐步建立起来。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。.玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1916年，爱因斯坦(Albert Einstein)从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，导出了普朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就，把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。 同年，玻尔理论后经索末菲等人的改进。索末菲从实验事实出发，将电子绕核轨道从
24、单一的圆轨道，推广到椭圆轨道。并且他还发现轨道在空间的取向也是量子化的，从而引入了主量子数、角量子数和磁量子数的概念。索末菲的理论成功地解释了在强电场下，氢原子光谱出现分裂的斯塔克效应和处在强磁场中的光源发射的谱线，会分裂的塞曼效应。 1920年索末菲又引入了第四个量子数。这第四个量子数直到1925年才被科学家弄清楚，原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。1925年年泡利在在研究四四个量子子数跟原原子核外外电子排排布的关关系时，发发现了泡泡利不相相容原理理：在同同一原子子内，具具有完全全相同的的四个量量子数的的电子只只能有一一个。利利用玻尔尔、索末末菲理论论加上泡泡利不相相容原理理可以成成功地解解
25、释核外外电子的的排布。至至此经典典的原子子物理学学完全建建立了起起来。1924年年，德布布罗意提提出微观观粒子具具有波粒粒二象性性的假设设，以后后的观察察证明，微微观粒子子具有波波的性质质。19926年年薛定谔谔在此基基础上建建立了波波动力学学。同时时，其他他学者，如如海森伯伯、玻恩恩、狄喇喇克等人人，从另另外途径径建立了了等效的的理论，这这种理论论就是现现在所说说的量子子力学，它它能很好好地解释释原子现现象。20世世纪的前前30年年，原子子物理学学处于物物理学的的前沿，发发展很快快，促进进了量子子力学的的建立，开开创了近近代物理理的新时时代。由由于量子子力学成成功地解解决了当当时遇到到的一些
26、些原子物物理问题题，很多多物理学学家就认认为原子子运动的的基本规规律已清清楚，剩剩下来的的只是一一些细节节问题了了。由于认认识上的的局限性性，加上上研究原原子核和和基本粒粒子的吸吸引，除除一部分分波谱学学家对原原子能级级的精细细结构与与超精细细结构进进行了深深入的研研究，取取得了一一些成就就外，很很多物理理学家都都把注意意力集中中到研究究原子核核和基本本粒子上上，在相相当长的的一段时时间里，对对原子物物理未能能进行全全面深入入的研究究，使原原子物理理的发展展受到了了一定的的影响。20世世纪500年代末末期，由由于空间间技术和和空间物物理学的的发展，工工程师和和科学家家们发现现，只使使用已有有的
27、原子子物理学学知识来来解决空空间科学学和空间间技术问问题已是是很不够够了。过过去，人人们已精精确测定定了很多多谱线的的波长，深深入研究究了原子子的能级级，对谱谱线和能能级的理理论解释释也比较较准确。但是，对对谱线强强度、跃跃迁几率率、碰撞撞截面等等这些空空间科学学中非常常重要的的基本知知识，则则了解得得很少，甚甚至对这这些物理理量的某某些参数数只知道道其量级级。核试试验中遇遇到的很很多问题题也都与与这些知知识有关关。因此此还必须须对原子子物理进进行新的的实验和和理论探探讨。原子物物理学的的发展对对激光技技术的产产生和发发展，作作出过很很大的贡贡献。激激光出现现以后，用用激光技技术来研研究原了了
28、物理学学问题，实实验精度度有了很很大提高高，因此此又发现现了很多多新现象象和新问问题。射射频和微微波波谱谱学新实实验方法法的建立立，也成成为研究究原子光光谱线的的精细结结构的有有力工具具，推动动了对原原子能级级精细结结构的研研究。因因此，在在20世世纪500年代末末以后，原原子物理理学的研研究又重重新被重重视起来来，成为为很活跃跃的领域域。近十多多年来，对对原子碰碰撞的研研究工作作进展很很快，已已成为原原子物理理学的一一个主要要发展方方向。目目前原子子碰撞研研究的课课题非常常广泛，涉涉及光子子、电子子、离子子、中性性原子等等与原子子和分子子碰撞的的物理过过程。与与原子碰碰撞的研研究相应应，发展
29、展了电子子束、离离子束、粒粒子加速速器、同同步辐射射加速器器、激光光器等激激光源、各各种能谱谱仪等测测谱设备备，以及及电子、离离子探测测器、光光电探测测器和微微弱信号号检测方方法，还还广泛地地应用了了核物理理技术和和光谱技技术，也也发展了了新的理理论和计计算方法法。电子子计算机机的应用用，加速速了理论论计算和和实验数数据的处处理。原子光光谱与激激光技术术的结合合，使光光谱分辨辨率达到到了百万万分之一一赫兹以以下，时时间分辨辨率接近近万亿分分之一秒秒量级，空空间分辨辨达到光光谱波长长的数量量级，实实现了光光谱在时时间、空空间上的的高分辨辨。由于于激光的的功率密密度已达达到一千千万瓦每每平方厘厘米
30、以上上，光波波电场场场强已经经超过原原子的内内场场强强，强激激光与原原子相互互作用产产生了饱饱和吸收收和双光光子、多多光子吸吸收等现现象，发发展了非非线性光光谱学，从从而成为为原了物物理学中中另一个个十分活活跃的研研究方向向。2 小结原子是从宏宏观到微微观的第第一个层层次，是是一个重重要的中中间环节节。物质质世界这这些层次次的结构构和运动动变化，是是相互联联系、相相互影响响的，对对它们的的研究缺缺一不可可，很多多其他重重要的基基础学科科和技术术科学的的发展也也都要以以原子物物理为基基础，例例如化学学、生物物学、空空间物理理、天体体物理、物物理力学学等。激激光技术术、核聚聚变和空空间技术术的研究
31、究也要原原子物理理提供一一些重要要的数据据，因此此研究和和发展原原子物理理这门学学科有着着十分重重要的理理论和实实际意义义。参考文献 1N玻玻尔.原原子物理理学和人人类知识识论文续续编MM.北北京:商商务印馆馆,19978.2褚圣圣麟.原子物物理学M.北京:高等教教育出版版社,119799. 3VF韦韦斯科夫夫.二十世世纪物理理学MM.北北京:科学出出版社,19779. 4 杨杨福家.原子物物理学M.上海:上海科科学技术术出版社社,19985.5 王王印磊, 李卫卫平. 原子物物理学发发展中的的一座里里程碑玻尔尔理论J. 湖南南科技学学院学报报 , 20005,(11) .6 但但汉久, 佘庆
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