原子物理学

原子物理学（英语：atomic physics）是研究原子的结构和性质及原子与电磁辐射和其它原子相互作用的科学。

背景

原子的起源

对原子概念的记述可以上溯到古印度和古希腊。有人将印度的耆那教^[1]^[2]的原子论认定为开创者大雄在公元前6世纪提出，并将与其同时代的彼浮陀伽旃延和顺世派先驱阿夷陀翅舍钦婆罗的元素思想也称为原子论^[3]。正理派和胜论派后来发展出了原子如何组合成更复杂物体的理论^[4]。在西方，对原子的记述出现在公元前5世纪留基伯和德谟克利特的著作中^[5]。对于印度文化影响希腊还是反之，亦或二者独立演化是存在争议的。^[6]

对于光谱的研究

光谱是研究原子物理学的重要途径之一。不同元素原子光谱中谱线的发现和深入研究标志着原子物理学的开端。谱线是指光谱中细锐的峰，出现于受激发的原子（辐射或热激发的离子（参见火焰））或发光自由原子（自由原子是指气体或蒸汽状态下存在的原子，与其他原子距离足够远，相互作用可以忽略）。

在对于谱线的研究基础上，产生了玻尔模型，直至现今描述原子中电子壳层结构的原子轨道模型，该模型是今天我们对于化学的所有认识的基础。这些结论并不是显而易见的，而是人们经过了一个世纪的探索，最终成功地为化学建立起坚实的基础，同时，原子物理学也在其他许多方面有着广泛的应用。

近代物理中的原子

1911年物理学家欧内斯特·卢瑟福实验用α粒子穿过金箔产生的散射现象，证明原子含有直径约10费米质量与电荷中心，完整的原子尺寸约0.1奈米。他设想原子中心为带正电的核，核周围有带负电的电子做轨道运动。但根据经典力学原理，这样的原子会因为电子发射电磁波而不稳定。而且，所发射出来的电磁波波谱不符合所观测到的原子光谱。

这些问题在1913年被丹麦物理学家玻尔改进的原子模型所解决，在玻尔模型中位于特殊轨道的电子具有取决于轨道半径才拥有特定的能量（这个能量值后来被称作能级）。因为仅允许有特定轨道，所以电子只具有特定能量，产生特定允许能级图。电子在允许轨道上部发射电磁能，但电子从一个轨道跃迁到另一个轨道上时，发射或吸收的能量为两轨道允许能量的差值，而这正与所观察到的原子光谱一致。

虽然玻尔模型提供了一种有用的形象化模型，但近代原子理论还是采用量子力学而向前发展。电子具有波动性，因此玻尔轨道模型可以解释为一种要求，以适合绕核电子波的总波数。原子中的电子较好地被表示为标以特定量子数组合的电荷分布，而不是在圆轨道上的点状粒子。量子数的每种可能的组合对应到一个阶级，虽然不完全能被立即占据。玻尔的理论能部分地解释原子光谱，而现代量子理论则能明确地详细计算光谱。

基态原子的电子的量子数，严格地确定了原子在周期表上的位置；而电子结构则确定与其它原子形成化学键的类型。氢原子的特性可以非常精确的计算，但对于较复杂的原子，预期特性的问题就变的非常困难。光谱学与原子间的碰撞被用于检测对能级何其他特性所做的预测。原子物理的直接技术应用包括激光和原子钟。

与核物理学的区别和联系

由于“原子”（atomic）和“核”（nuclear）在英语中常常作为同义词使用，很多人把“原子物理学”这一概念和核能或者核武器联系在一起。然而，物理学家将原子物理学同研究原子核内的核子相互作用，以及研究改变、融合、分拆核子的核反应的核物理学区别开来：原子物理学主要研究原子中电子云的行为，以及其在核子的总自旋，电荷作用下产生的效应。

研究论题

一些前沿的研究论题为：^[7]^:vii

使用激光光谱学的技术来测量μ-氢原子的兰姆位移，物理学者发现，质子的尺寸小于先前测量结果，这个质子半径之谜（英语：proton radius puzzle）意味着，超精准的量子电动力学是否可能有瑕疵。
在未来对于反氢原子进行精密光谱学测量时，是否能够探测到物质与反物质的微小差别？
应用原子钟的精准计时能力，物理学者正在做实验测量基础常数是否会缓慢地改变。

参考文献

^ Gangopadhyaya, Mrinalkanti. Indian Atomism: History and Sources. Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press. 1981. ISBN 0-391-02177-X. OCLC 10916778.
^ Iannone, A. Pablo. Dictionary of World Philosophy. Routledge. 2001: 83,356 [2012-10-09]. ISBN 0415179955. OCLC 44541769. （原始内容存档于2020-07-26）.
^ Thomas McEvilley, The Shape of Ancient Thought: Comparative Studies in Greek and Indian Philosophies ISBN 978-1-58115-203-6, Allwarth Press, 2002, p. 317-321.
^ Richard King, Indian philosophy: an introduction to Hindu and Buddhist thought, , Edinburgh University Press, 1999, ISBN 978-0-7486-0954-3, pp. 105-107.
^ The atomists, Leucippus and Democritus: fragments, a text and translation with a commentary by C.C.W. Taylor, University of Toronto Press Incorporated 1999, ISBN 978-0-8020-4390-0, pp. 157-158.
^ Teresi, Dick. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science. Simon & Schuster. 2003: 213–214. ISBN 074324379X.
^ Massimo Inguscio; Leonardo Fallani. Atomic Physics: Precise Measurements and Ultracold Matter. OUP Oxford. 19 September 2013. ISBN 978-0-19-852584-4.

外部链接

（英文）因特网上的原子物理学

参见

原子钟：原子物理学的典型应用
量子光学：和原子物理学有很多重叠的领域
塞曼效应、斯塔克效应：早期原子物理学的重要的基本结果
激光冷却、低温物理学、玻色-爱因斯坦凝聚、简并费米气体：现代原子物理学新发展

[1] Gangopadhyaya, Mrinalkanti. Indian Atomism: History and Sources. Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press. 1981. ISBN 0-391-02177-X. OCLC 10916778.

[2] Iannone, A. Pablo. Dictionary of World Philosophy. Routledge. 2001: 83,356 [2012-10-09]. ISBN 0415179955. OCLC 44541769. （原始内容存档于2020-07-26）.

[3] Thomas McEvilley, The Shape of Ancient Thought: Comparative Studies in Greek and Indian Philosophies ISBN 978-1-58115-203-6, Allwarth Press, 2002, p. 317-321.

[4] Richard King, Indian philosophy: an introduction to Hindu and Buddhist thought, , Edinburgh University Press, 1999, ISBN 978-0-7486-0954-3, pp. 105-107.

[5] The atomists, Leucippus and Democritus: fragments, a text and translation with a commentary by C.C.W. Taylor, University of Toronto Press Incorporated 1999, ISBN 978-0-8020-4390-0, pp. 157-158.

[6] Teresi, Dick. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science. Simon & Schuster. 2003: 213–214. ISBN 074324379X.

[InguscioFallani2013-7] Massimo Inguscio; Leonardo Fallani. Atomic Physics: Precise Measurements and Ultracold Matter. OUP Oxford. 19 September 2013. ISBN 978-0-19-852584-4.

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