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原子物理学

基本情况

中文名: 原子物理学
外文名: Atomic physics
教材: 原子物理学-褚圣麟
定义: 研究原子结构、运动规律
所属大学科: 理学
一级学科：0702 物理学
二级学科：070203 原子与分子物理

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。国内教材以褚圣麟教授的原子物理学为主。词条详细介绍了原子物理学的发展历史、运用、基本知识以及教材等内容。

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。

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。

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。