1、 原子物理学的发展杨君岗（天水师范学院 物理与信息科学学院 甘肃 天水 741000）摘要： 本文较详实地介绍了原子物理学的发展历程。从最早的“原子”概念出发，“不可分割”与“可分割”的争论，到19世纪后开始的黄金发展阶段，最后确定了原子的基本组成和运动规律。引出了原子核物理的具体发展历程，每个时段都有独特的、有进步意义的新理论提出或对旧理论的完善，体现着人类探索物质内部结构的艰难。关键词： 原子;原子核;分割;发展 The Development of Atomic PhysicsYang Jungang(School of Physics and Information science,
2、Tianshui Normal University， 741000 China)Abstract :This paper gave a detailed and accurate account of the development course of atomic physics. From the earliest concept of atomic. the controversy of indivisible and divisibility ,to the golden development stage began of the 19th century, and finally
3、 to determine the atomic composition and movement of the basic. Nuclear physics led to the specific course of development, each has a unique time, a progressive or a new theory put forward to improve on the old theory, which embodies the internal structure of the human exploration of difficult mater
4、ial. Key words: atom, atomic nucleus, partition, development引言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；原子之间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。 原子物理学的发展正像其他学科的发展一样，经历了一个漫长的不均匀的发展过程。真正的大发展是在19世纪后半叶到20世纪前半叶，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，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 原子物理学的发展过程1.1远古时代的原子学说
5、万物由什么组成？物质可以被无休止地分割为愈来愈小的物质单元还是存在构成世界的“砖块”？这是古代哲人们就开始思索的问题。公元前4世纪的古希腊哲学家留基伯在致力于思考分割物质问题后得出一个结论：分割过程不能永远继续下去，物质的碎片迟早会达到不可能分得更小的地步。他的学生德漠克里特接受了这种物质碎片会小到不可再分的观念并称这种物质的最小组成单位为“原子”。由留基伯与德漠克里特提出的留基伯原子论哲学作为“最系统、最始终一贯。并且可以应用于一切物体的学说”是对早期希腊各派自然哲学的大综合，并将早期希腊的自然哲学推上一个光辉的顶峰。在他们的观点中，原子是最微小的、不可再分割的物质微粒，是坚实的、内部绝对充
6、满而没有空隙的东西。原子数目有无限多，它们彼此间性质相同。其差别只表现在形状、大小和排列上。原子在虚空中不停地运动，运动中原子间会发生碰撞，有时会粘着并组合在一起。于是一组原子组合成一种东西，而另一组原子组合成另外的东西等等。这样万物就由作为实在的建筑石料的原子和虚空构成了。其后，哲学家伊壁鸿鲁、卢克莱修先后接受了这种原子学说，后者在其著名诗作物性论中以动人的笔触全面介绍了原子学说，使之成为古代原子学说理论知识的最主要来源。接着古代原子学说又经历了一个漫长的黑暗的停滞时期，在整个封建时代，物理学、化学等学科为了适应封建主的需求，一是为了寻求延年益寿，长生不老的秘方，陷入了炼丹术的泥坑。二是为了
7、得到更多的财富，寻求点石成金的办法。与此同时，封建神学思想统治了社会，愚弄世人，对“圣典”条文的研究代替了对自然真理的发掘。人类从物质结构的争论转到了关于鬼神的争辩。在长达十多个世纪的时间里，对物质结构的研究和探索被人们所遗忘！在中世纪，一些阿拉伯的思想家接受了原子论。而西方的经院神学家们却因它与宗教学说教义相冲突而激烈反对这种观点。文艺复兴时期与原子论相关的思想出现在布鲁诺、伽利略、弗朗西斯、培根等人的著作中，在此之后，法国哲学家伽桑狄(1592一1655年)接受了原子学说，他的有说服力的著作，使人们对原子学说的关注得以复苏，并引发了科学家的兴趣，从而将原子论引入到现代科学中。原子学说在17
8、世纪得以复活。更重要的是，哲学家的思想火炬开始传递到科学家手中。1.2古典的原子学说直到16世纪之后，物质的原子观才被世人所逐步接受，著名学者伽利略，笛卡儿都重新提及过原子论。17世纪形成的气体分子运动论的萌芽可以说是现代原子学说的发源。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
9、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。 分子运动论在19世纪有了很多的发展，1811年意大利的阿伏伽得罗提出的阿伏伽得罗假说，即同体积气体在温度下含有同数目的分子。1827年英国的布郎观察到液体中的悬浮花粉微粒作无规则的起伏运动即布郎运动，他的发现是分子运动论的有力证据，1833年法拉第电解定律的提出显示了电的基本单元的存在，并把化学亲和力归之为电力。1869年，俄国人门捷列夫发表的元素周期率，实际上是向原子不可分割论提出了质疑，
10、他的出现预示着不同原子之间有着一定的共性，必然存在着一定的联系，不是各自独立的对这周期性的研究，必然导致原子内部结构的发现从而否定了原子不可分割的理论。1.3原子物理学的黄金时段物理学发展到19世纪80年代积累了大量的事实，归纳出了好多原理和定理，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，通讯的便利起来，工业发达起来，电力的应用，内燃机和蒸汽机被采用，冶金工业有了新的发展等等，生产力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物质和保证。在此之后的一段时间，物理学，尤其是原子物理学得到迅速的
11、发展。1885年，瑞士人巴尔末发现氢光谱线系的规律，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年伦琴发现了射线，后来人们得到原子内层之间的跃迁规律。1896年法国人贝克莱尔发现放射性。1897年汤姆逊发现了电子，并证明了电子是各种元素的基本组成部分。这两个发现彻底粉碎了原子不可分的理论。之后贝克莱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
12、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”，但他不是最早发现电子的，在他之前赫兹就作过相同的阴极射线的实验，终因真空度不够而没能发现。1897 年考夫曼也都作了类似的实验，发现了阴极射线,测得了值。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
13、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原子那么大的，具有弹性的冻胶状球体，正电荷均匀分布在球内和球面上。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震动频率。他还计算了在正电球库仑力以及电子相互间库仑力的作用下，使这种原子结构保持稳定状态的条件。在计算中汤姆逊发现，为了不使电子都集中到球心，电子必需分布在几个同心圆环上，如果尽量减少圆环数，对应正电球里各种数目电子的稳定分布就出现了周期性。汤姆逊的模型
14、后来被证明是错误的，但他的这些研究为后人建立原子模型提供了不少启示。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具有加速度，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
15、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。卢瑟福的理论吸引了一位来自丹麦的年轻人，他的名字叫卓尼玻尔(NielsBohr,18851962)，在卢瑟福模型的基础上，他提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说玻尔的原子理论，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。只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨
16、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，解开了“巴尔末公式之迷”。玻尔成功地解
17、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，但对于不同的问题，对应原理的运用又没有统一的规
18、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于宏观质点的性质波粒二象性后，一个
19、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，将电子绕核轨道从单一的圆轨道，推广到椭圆轨道。并且
20、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年泡利在研究四个量子数跟原子核外电子排布的关系时，发现了泡利不相容原理：在同一原子内，具有完全相同的四个量子数的电子只能有一个。利用玻尔、索末菲理论加上泡利不相容原理可以成功地解释核外电子的排布。至此经典的原子物理学完全建立了起来。1924年，德布罗意提出微观粒子具有波粒
21、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、狄喇克等人，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
22、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。原子物理学的发展对激光
23、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
24、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。2 小结原子是从宏观到微观的第一个层次，是一个重要的中
25、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。参考文献 1N玻尔.原子物理学和人类知识论文续编M.北京:商务印馆,1978.2褚圣麟.原子物理学M.北京:高等教育出版社,1979. 3VF韦斯科夫.二十世纪物理学M.北京:科学出版社,1979. 4 杨福家.原子物理学M.上海:上海科学技术出版社,1985.5 王印磊,
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