原子物理學

·物理學發展到19世紀八十年代，積累了大量事實，歸納出好多原理和定論建立了完整的三大理論體系：力學、熱力學和電動力學。數學和化學也有了相當的積累，尤其是科學技術有了很大的發展。交通、運輸、通訊便利起來，工業發達起來電力的應用，內燃機和蒸汽機被採用，冶金工業有了發展等等。生產的發展一方面提出了新的問題和挑戰，同時也為科學工作和實驗提供了更好的條件和物質保證。在此之後的一段時規物理學尤其是原子物理學得到了非常迅速的發展 ^[2]  。

1885年，瑞士人巴爾末發現氫光譜線系歸納出形式異常簡單的經驗公式，隨後玻爾利用此規律很快找到氫原子躍遷規律。1887年赫茲發現光電效應，後被愛因斯坦利用光量子假説成功解釋。1895年倫琴發現了x射線，後來人們由此得到原子內層電子之間的躍遷規律。1896年法國人貝克勒爾發現放射性。1897年湯姆遜證實了電子的存在。這兩個發現徹底粉碎了原子不可分的理論。貝克勒爾是在偶然的情況下發現了放射性，當時他正致力於磷光性物質的研究，無意中發現放在抽屜裏用紙密封好的底片居然感光了，形成放在其上面的一把鑰匙清晰的像。光是從哪裏來的?

通過細心的觀察發現是磷光實驗用的鈾的化合物也偶然放在抽屜裏的原因，在研究後發現這種化合物具有放射性，能從中發出放射線來。之後，居里夫婦從幾十噸提過鈾的廢礦中提取出放射性更強的的釙和鐳。由於放射現象的發現，知道一種放射性元素髮出粒子後能夠轉變為其他新元素的原子，説明發出射線的原子就是有其內部的結構。與此發現相比，電子的發現卻沒有這麼幸運，雖然湯姆遜由於確認電子的存在而被譽為“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。

1890年休斯脱、1897年考夫曼也都作了類似的實驗，發現了陰極射線 ^[3]  ，測得了elm值。但都因沒有勇氣改變傳統舊觀念而放棄。這些都是恩格斯所描述的“當真理碰到鼻子尖的時候還是沒有得到真理”的人。湯姆遜不僅證明了電子的存在，而且還發現很多材料裏都能發出電子，説明電子是物質的組成部分。於是1898年，湯姆遜大膽地提出了原子的“棗糕模型”：原子的帶正電部分是一個原子那麼大的，具有彈性的凍膠狀球體，正電荷均勻分佈在這球內或球面上，有負電子鑲嵌着，這些電子在其平衡位置上作簡諧振動，原子發光頻率即為電子振動頻率。此模型能解釋當時所有對原予的認識。隨着新問題的提出，湯姆遜模型也作了相應的完善和改進，它於1903年、1907年都有所修正。

1903年勒納特所作的電子在金屬膜上的散射實驗，顯示了原子的“空虛”，使湯姆遜模型遇到困難他發現較高速度的電子很容易穿透原子，原子不象那樣半徑的實球體，於是湯姆遜就在他的原子模型中追加了“凍膠狀”球體的描述。再如：為了解釋元素週期表，湯姆遜還假設了電子按同心環分佈，且指出每環中只能安置有限個電子等等。但隨着1909年馬斯頓和蓋革兩人作了著名的“Q粒子大角度散射實驗”後，湯姆遜模型就真正遇NT難以克服的困難，這種模型根本無法解釋．有1/8000幾率的Q粒子被靶物質“反彈”的現象因而該模型被推翻。

1904年，湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分佈在一個大小等於整個原子的球體內，而帶負電的電子則一粒粒地分佈在球內的不同位置上，分別以某種頻率振動着，從而發出電磁輻射。這個模型被形象的比喻為“果仁麪包”模型，不過這個模型理論和實驗結果相矛盾，很快就被放棄了。

1911年盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎上，提出原子的中心是一個重的帶正電的核，與整個原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉動，類似大行星繞太陽轉動。這種模型叫做原子的核模型，又稱行星模型。從這個模型導出的結論同實驗結果符合的很好，很快就被公認了。

繞核作旋轉運動的電子有加速度，根據經典的電磁理論，電子應當自動地輻射能量，使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變，因而發射光譜應是連續光譜。電子因能量的減少而循螺線逐漸接近原子核，最後落到原子核上，所以原子應是一個不穩定的系統。

但事實上原子是穩定的，原子所發射的光譜是線狀的，而不是連續的。這些事實表明：從研究宏觀現象中確立的經典電動力學，不適用於原子中的微觀過程。這就需要進一步分析原子現象，探索原子內部運動的規律性，並建立適合於微觀過程的原子理論。

1913年，丹麥物理學家玻爾在盧瑟福 ^[3]  所提出的核模型的基礎上，結合原子光譜的經驗規律，應用普朗克於1900年提出的量子假説，和愛因斯坦於1905年提出的光子假説，提出了原子所具有的能量形成不連續的能級，當能級發生躍遷時，原子就發射出一定頻率的光的假説。

玻爾的假設能夠説明氫原子光譜等某些原子現象，初次成功地建立了一種氫原子結構理論。建立玻爾理論是原子結構和原子光譜理論的一個重大進展，但對原子問題作進一步的研究時，卻顯示出這種理論的缺點，因此只能把它視為很粗略的近似理論。

1924年，德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設，以後的觀察證明，微觀粒子具有波的性質。1926年薛定諤在此基礎上建立了波動力學。同時，其他學者，如海森伯、玻恩、狄拉克等人，從另外途徑建立了等效的理論，這種理論就是現在所説的量子力學，它能很好地解釋原子現象。

20世紀的前30年，原子物理學處於物理學的前沿，發展很快，促進了量子力學的建立，開創了近代物理的新時代。由於量子力學成功地解決了當時遇到的一些原子物理問題，很多物理學家就認為原子運動的基本規律已清楚，剩下來的只是一些細節問題了。

由於認識上的侷限性，加上研究原子核和基本粒子的吸引，除一部分波譜學家對原子能級的精細結構與超精細結構進行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理學家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相當長的一段時間裏，對原子物理未能進行全面深入的研究，使原子物理的發展受到了一定的影響。

20世紀50年代末期，由於空間技術和空間物理學的發展，工程師和科學家們發現，只使用已有的原子物理學知識來解決空間科學和空間技術問題已是很不夠了。過去，人們已精確測定了很多譜線的波長，深入研究了原子的能級，對譜線和能級的理論解釋也比較準確。

但是，對譜線強度、躍遷幾率、碰撞截面等這些空間科學中非常重要的基本知識，則瞭解得很少，甚至對這些物理量的某些參數只知道其量級。核試驗中遇到的很多問題也都與這些知識有關。因此還必須對原子物理進行新的實驗和理論探討。

原子物理學的發展對激光技術的產生和發展，作出過很大的貢獻。激光出現以後，用激光技術來研究原子物理學問題，實驗精度有了很大提高，因此又發現了很多新現象和新問題。射頻和微波波譜學新實驗方法的建立，也成為研究原子光譜線的精細結構的有力工具，推動了對原子能級精細結構的研究。因此，在20世紀50年代末以後，原子物理學的研究又重新被重視起來，成為很活躍的領域。

書名:高等學校教材--原子物理學 ^[1] 

出版社:高等教育出版社

定價:16.9

條形碼:9787040013122

ISBN:ISBN 7-04-001312-6

作者:褚聖麟

印刷日期:2005-5-1

出版日期:1979-6-1

精裝平裝_開本_頁數:平裝32開,419頁

中圖法:

中圖法一級分類:

中圖法二級分類:

本書內容以説明原子結構為中心．從光譜學、電磁學、x射線等方面的實驗事實和總結出的規律，彙總到原子結構的全貌．書中有"量子力學初步"一章，介紹闡述有關問題所需要的量子力學基本概念．全書在環繞中心目標述及有關實驗事實和規律時，也就便提到目前有些重要應用方面，如激光原理、順磁共振、x射線的衍射等．本書最後兩章分別對原子核和基本粒子作了簡要的介紹．各章均附有習題，全書採用國際單位制。

本書可作為高等學校物理專業的試用教材，也可供其他專業的有關教師學生參考。

前　言

此書由編者授課的講義整理而成．前八章以闡述原子結構為中心內容，書中以關於光譜、電磁現象、X射線等方面的實驗事實和有關規律為依據，逐步揭示原子結構的情況．第九章簡單論述了分子結構，通過這一章的介紹，希望能擴大讀者對原子實際存在狀況的瞭解。

第三章"量子力學初步"介紹這方面的基本概念，並以簡例説明量子力學處理問題的方法．這樣，在以後各章的論述中，可以引用這個理論的概念及其對一些具體問題的結論，使討論更切合微觀體系的規律．進一步學習量子力學需要有足夠的有關原子和分子的知識。

最後兩章扼要地介紹了原子核和基本粒子的知識．第十章內容大體是編者以前所編《原子核物理學導論》(高等教育出版社，1965年出版)一書內容的節要．第十一章蒐集新近資料對基本粒子作了簡略的介紹．為了不使這部分的篇幅過大，這兩章沒有包括實驗方法的説明和數學推導，只用文字圖表作介紹．增加這兩章的用意是，此書如果用作教材，而"原子物理"課之後不擬另設"原子核物理"(包括一些基本粒子的知識)課程，這兩章可以用作簡略介紹這方面知識的參考資料，可供學生補充閲讀之用．

此書用作教材時，可按照課程的要求，對內容加以選擇．如果只要求一般理解的"原子物理" 內容，而且學時較緊， 可以用前九章或前八章的材料；或再斟酌精減去一些，例如第六和第八兩章的內容可以選取一部分；第九章也可以不用．

承北京大學物理系曹昌祺教授閲讀了本書第十一章的初稿並提出了寶貴意見．編者把此章初稿作了修改．特此對曹教授表示衷心的感謝．

北京大學物理系曾謹言同志提供了根據原子核中電荷分佈半徑的研究結論，他所建議對外斯塞格公式中庫侖能一項進行修改的資料．編者已把這項修改寫入書中．特此對曾同志表示謝忱．

許祖華等同志曾多次同編者一同擔任原子物理學的教學工作，經常一同探討有關教學上的問題．早年講義的編寫和修改，最後書稿的完成，都吸收了集體積累的教學經驗．本書一至九章的習題是許祖華同志編寫的，他還繪製了書中一些插圖，對編寫工作多方協助，特此致謝．

書稿曾經有關高等學校教師參加的審稿會議審查．在四川大學周仲璧同志主持下，承四川大學、復旦大學、中國科技大學、南京大學、南開大學、蘭州大學、安徽大學、北京師範大學、北京師範學院、江蘇師範學院、青海師範學院的各位教師審閲了書稿，進行了討論，提出了寶貴的意見．編者參照這些意見，把書稿作了修改和補充，得以有所改進．特此對參加審稿會議的諸同志敬表謝意．

書中一定還有缺點和不妥之處，懇請讀者提出寶貴意見和批評．

褚聖麟

1979年1月於北京大學

目錄:前言 1

緒論 1

第一章 原子的基本狀況 6

1．1 原子的質量和大小 6

1．2 原子的核式結構 8

1．3 同位素 19

第二章 原子的能級和輻射 22

2．1 光譜--研究原子結構的重要途徑之一 22

2．2 氫原子的光譜和原子光譜的一般情況 24

2．3 玻爾的氫原子理論和關於原子的普遍規律 26

2．4 類氫離子的光譜 36

2．5 夫蘭克-赫茲實驗與原子能級 42

2．6 量子化通則 48

2．7 電子的橢圓軌道與氫原子能量的相對論效應 50

2．8 史特恩-蓋拉赫實驗與原子空間取向的量子化 55

2．9 原子的激發與輻射 激光原理 62

2．10 對應原理和玻爾理論的地位 70

第三章 量子力學初步 78

3．1 物質的二象性 78

3．2 測不準原理 82

3．3 波函數及其物理意義 86

3．4 薛定諤波動方程 89

3．5 量子力學問題的幾個簡例 93

3．6 量子力學對氫原子的描述 103

第四章 鹼金屬原子和電子自旋 115

4．1 鹼金屬原子的光譜 115

4．2 原子實的極化和軌道的貫穿 120

4．3 鹼金屬原子光譜的精細結構 124

4．4 電子自旋同軌道運動的相互作用 126

4．5 單電子輻射躍遷的選擇定則 134

4．6 氫原子光譜的精細結構與藍姆移動 135

第五章 多電子原子 145

5．1 氦及週期系第二族元素的光譜和能級 145

5．2 具有兩個價電子的原子態 149

5．3 泡利原理與同科電子 159

5．4 複雜原子光譜的一般規律 161

5．5 輻射躍遷的普用選擇定則 164

5．6 原子的激發和輻射躍遷的一個實例--氦氖激光器 165

第六章 在磁場中的原子 170

6．1 原子的磁矩 170

6．2 外磁場對原子的作用 174

6．3 史特恩-蓋拉赫實驗的結果 178

6．4 順磁共振 180

6．5 塞曼效應 184

6．6 抗磁性、順磁性和鐵磁性 191

第七章 原子的殼層結構 199

7．1 元素性質的週期性變化 199

7．2 原子的電子殼層結構 202

7．3 原子基態的電子組態 205

第八章 X射線 219

8．1 X射線的產生及其波長和強度的測量 219

8．2 X射線的發射譜 224

8．3 同X射線有關的原子能級 229

8．4 X射線的吸收 233

8．5 康普頓效應 237

8．6 X射線在晶體中的衍射 242

習題 248

第九章 分子結構和分子光譜 250

9．1 分子的鍵聯 250

9．2 分子光譜和分子能級 256

9．3 雙原子分子的電子態 260

9．4 雙原子分子的振動光譜 263

9．5 雙原子分子光譜的轉動結構和分子常數的測定 267

9．6 組合散射(拉曼效應) 275

9．7 多原子分子簡述 279

第十章 原子核 285

10．1 原子核的基本性質 285

10．2 原子核的放射衰變 295

10．3 射線同實物的相互作用和放射性的應用 312

10．4 核力 323

10．5 原子核結構模型 326

10．6 原子核反應 341

10．7 原子核裂變和原子能 352

10．8 原子核的聚變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 粒子的觀測 373

11．3 守恆定律和對稱原理 382

11．4 共振態 388

11．5 強子分類和層子模型 394

11．6 關於電磁相互作用 400

11．7 弱相互作用 403

常用物理常數 411

參考書籍 412

外國人名錶 413

索引 415

近十多年來，對原子碰撞的研究工作進展很快，已成為原子物理學的一個主要發展方向。目前原子碰撞研究的課題非常廣泛，涉及光子、電子、離子、中性原子等與原子和分子碰撞的物理過程。與原子碰撞的研究相應，發展了電子束、離子束、粒子加速器、同步輻射加速器、激光器等激光源、各種能譜儀等測譜設備，以及電子、離子探測器、光電探測器和微弱信號檢測方法，還廣泛地應用了核物理技術和光譜技術，也發展了新的理論和計算方法。電子計算機的應用，加速了理論計算和實驗數據的處理。

原子光譜與激光技術的結合，使光譜分辨率達到了百萬分之一赫茲以下，時間分辨率接近萬億分之一秒量級，空間分辨達到光譜波長的數量級，實現了光譜在時間、空間上的高分辨。由於激光的功率密度已達到一千萬瓦每平方釐米以上，光波電場場強已經超過原子的內場場強，強激光與原子相互作用產生了飽和吸收和雙光子、多光子吸收等現象，發展了非線性光譜學，從而成為原了物理學中另一個十分活躍的研究方向。

在抽成真空的放電管中充入少量氣體（如氫氣），通過高壓放電，可觀測到原子的發光現象。將鹼金屬化合物在火焰上加熱，也會觀測到鹼金屬的發光現象。

極端物理條件(高温、低温、高壓、強場等)下和特殊條件(高激發態、高離化態)下原子的結構和物性的研究，也已成為原子物理研究中的重要領域。

原子量有兩種：原子原子量和元素原子量。原子原子量是原子以碳單位為質量單位(見“原子質量單位”)量度的原子質量，是一種相對質量。如12C原子的原子量為12.000000，13C原子的原子量為13.008665。而通常所説的化學元素的原子量是指該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佔有率直接有關 ^[4]  。

元素原子量的計算公式為：元素原子量，其中mi，λi分別為第i種同位素的原子量和它在混合物中的佔有率，r為同位素的種數。如自然界的碳，是三種同位素12C、13C、14C的混合物，分別佔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，而不是整數12，這就是元素週期表中列出的碳原子量。若某元素沒有天然同位素，則該元素原子量就是該原子的原子質量(以碳單位為質量單位)。如鈉原子只有一種23Na，則鈉元素的原子量就是鈉原子的原子量22.98977。

1962年以前物理學中曾經用16O原子質量的1/16作為物理學中原子質量單位，這是物理學中的氧單位。而在化學中仍採用天然同位素混合物(由16O和微量的17O、18O組成)的平均質量的1/16為化學中原子質量單位，稱為化學中的氧單位(即1.6734×10-27kg)，這是對原子質量的兩種標度。按照物理標度，氧元素的原子量為整數16，而按照物理標度，則為16.004462。自然界中氧的同位素組成，在海水中與在空氣和岩石中不一樣，因此氧單位的化學標度不夠嚴格。從1962年起物理學和化學統一用碳單位為原子質量單位，解決了物理學和化學中標度不一致的問題。採用碳單位還有其他好處，如可用質譜儀測量質量，準確度很高;碳能生成很多含碳原子的分子、離子，便於用質譜儀測量，將12C和很多元素的離子的質量進行精確比較，從而確定其原子量;用12C為標準，對原來的原子量的修正值也不大。

“原子量”現已更名為“相對原子質量”。

原子是從宏觀到微觀的第一個層次，是一個重要的中間環節。物質世界這些層次的結構和運動變化，是相互聯繫、相互影響的，對它們的研究缺一不可，很多其他重要的基礎學科和技術科學的發展也都要以原子物理為基礎，例如化學、生物學、空間物理、天體物理、物理力學等。激光技術、核聚變和空間技術的研究也要原子物理提供一些重要的數據，因此研究和發展原子物理這門學科有着十分重要的理論和實際意義。