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1、专题 6 原子分子技术及其应用（王荣电话：军线 39205、35661手机 13607665612）第一章 原子分子技术理论基础知识一、原子物理学简介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。 经过相当长时期的探索，直到 20 世纪初，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，之后才逐步建立起近代的原子物理学。1897 年 JJ.汤姆逊在阴极射线管中发现了电子的存在。此后，科学家们逐渐确定了电子的各种基本特性，并确立了电子是各种原子的共同组成部分。通常，原子是电中性的，而既然一切原子
2、中都有带负电的电子，那么原子中就必然有带正电的物质。20 世纪初，对这一问题曾提出过两种不同的假设。1904 年，JJ.汤姆逊提出了原子的所谓“镶嵌模型”：认为原子中正电荷以均匀的体密度分布在一个大小等于整个原子的球体内，而带负电的电子则一粒粒地分布在球内的不同位置上，分别以某种频率振动着，从而发出电磁辐射。这个模型被形象的比喻为“果仁面包”模型，不过这个模型理论和实验结果相矛盾，很快就被放弃了。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
3、型导出的结论同实验结果符合的很好，很快就被公认了。根据经典的电磁理论，绕核作旋转运动的电子有加速度，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旋线逐渐接近原子核，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。1913 年，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福所提出的原子核模型的基础上，结合原子光谱的经验规律，应用
4、普朗克于 1900 年提出的量子假说，和爱因斯坦于 1905 年提出的光子假说，提出了原子所具有的能量形成不连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就发射出一定频率的光的假说。玻尔提出的假说：（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态） 。原子在这些状态时，不发射或吸收能量；各定态有一定的能量，共数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。（2）原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。如果用 和 代表有关二定态的能量的话，辐射频率 ，决定于如下关系：mEn vnmEhv式中，普朗克常数 JSh34106.玻尔的假设
5、能够说明氢原子光谱等某些原子现象，初次成功地建立了一种氢原子结构理论。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，因此只能把它视为是个近似理论。或称为半经典理论。1924 年，德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假设，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。
6、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
7、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
8、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、激光器和各类激光源、各种能谱仪和测谱设备，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
9、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。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
10、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。二、分子物理学简介分子物理学是研究分子的结构，分子的物理性质，分子间的相互作用；并以此为基础研究气体、液体、固体的物理性质，特别是与热现象有关的物理性质的一个物理学分支。分子物理学与物理学的其他分支如原子物理学、凝聚态物理学、物理力学，以及物理化学、化学动力学、量子化学等都有密切的联系。 分子结构涉及的不仅是组成它的各个原子(确切地说是原子核 )的平衡几何配置，更重要的是分子各组成部分的相互作用化学键合。分子的物理性质与分子的化学结构有关，因此研究分子的
11、性质可以确定其化学结构。量子力学是研究化学键本质、分子的物理性质，以及分子间相互作用的基本理论。1930 年以来，量子力学在这些问题的理论解释上有很大的进展。分子的量子力学量子化学，是近代理论化学活跃的前沿之一。应用量子化学原理并配合电子计算机技术，直接计算分子的能级、状态波函数以及其他物理性质，已取得了显著的成就。分子物理学从多方面研究分子的物理性质。它研究分子中原子的相对振动、分子的转动、分子中电子的运动，以及分子间力所产生的现象等。分子光谱是用来研究分子结构的一种重要手段，它提供了大量关于分子结构和分子动力学的知识，这些光谱及其量子力学解释之间的相符，是历史上证实量子理论的重要依据。射频
12、和微波波谱学、原子束和分子束和激光光谱学等技术，能高度精确地测量这类光谱的精细和超精细结构，从而可制定核自旋、核电四板矩以及原子核质量。对于分子的物理性质的研究还包括研究分子的电磁性质(分子在电场和磁场中的行为) ，即分子的极化率和磁化率，以及分子的热学性质等。用 X 射线衍射、中子衍射等技术可直接确定分子的结构。已经发展起来的光电子能谱等，也是研究分子物理性质的有力实验手段。分子物理学从研究物质的分子结构和分子问的相互作用出发，研究物质的热学性质和聚集状态。包括状态方程(体积、温度和压强之间的关系 )、各种热力学函数、液体和固体的表面层现象、表面吸附、相平衡和相变，以及扩散、热传导和粘滞性等
13、输运现象，等等。由于这些现象和性质与大量分子的整体运动状态有关，分子物理学中还广泛利用热力学的定律和统计物理学的理论。三、原子分子物理前沿课题一、 高激发态结构二、 碰撞的精密计算三、 原子分子的能壳分辨波函数 四、 团簇结构 五、 精密测量 六、 奇特原子分子 七、 强场效应八、 X 激光九、 单原子分子操纵和探测识别十、 玻色-爱因斯坦凝聚和原子激射器其他前沿问题： 1、等离子体中的原子分子物理过程:原子分子碰撞及分子反应动力学、外场中的原子动力学2、原子分子结构: 原子团簇及低维体系性质 原子团簇的研究是目前原子与分子物理学发展的一个前沿课题，而低维体系特别是纳米体系的性质的研究是原子分
14、子物理学与介观物理的交叉领域。纳米材料和分子器件展示出广泛的应用前景，对国民经济的发展将起重要的推动作用3、碰撞的精密计算: 激光与原子分子相互作用及光信息学研究 激光与原子分子相互作用可以用于高精度的测定原子、分子的各种数据，研究特殊条件下的原子分子以及控制原子分子的运动等，具有重大理论意义和广阔的实际应用前景,激光等离子体理论及强激光对晶体材料损伤机理的研究对激光淀积制备多层膜材料方面有重要的指导意义，特别是激光对导航窗口材料损伤阈值条件研究是国防军事上关注的重大问题之一4、原子, 分子,离子与固体和表面的相互作用5、原子分子碰撞原子分子与各种粒子(正负电子、离子等 )碰撞过程的研究不仅有
15、助于深入了解原子分子结构，揭示基本物理规律，而且能为许多相关学科和应用领域(如天体物理、等离子体物理、凝聚态物理、分子反应动力学及核聚变研究、X-射线激光研究等 )提供研究方法和基本数据。近年来本专业点就以下两个方面开展了深入系统的理论研究，形成了自己的特点并取得了一系列科研成果:(1)电子-原子、分子碰撞的光学势模型和可加性规则:提出了较完善的电子原子( 或分子)散射的光学势模型，建立了一套较完整的理论计算方法，从而将正电子、负电子被原子或分子散射的微分截面、弹性散射截面、非弹性散射截面以及相对论效应对散射截面的修正等计算纳入一个统一而简捷的理论框架之中，在约 1-5000eV 的中低能区对
16、大量原子、分子的散射截面进行了准确的计算，特别是对几种复杂分子散射截面的计算，为现有实验结果提供了不可多得的理论比较支持，得到了国内外同行(如中国科大原子碰撞实验组、德国 ULM 大学光谱与结构数据研究组等 )的重视。(2)电子-分子散射截面的准经验公式 :针对一些双原子分子、三原子分子等提出了与分子本身参数及入射电子能量有关的碰撞总截面准经验公式。公式相当简单，但较好地与实验相吻合，体现了物理规律简洁、定量、准确的特征，具有十分丰富的物理内涵，极具进一步研究的价值。(3)激光场中电子与原子的相互作用:以频率、极化方向和强度为特征的光子的参与，使得碰撞过程更为复杂，对其进行深入地研究，能够揭示出许多新的物理现象与效应，加深对相关粒子间相互作用及动力学过程的理解。激光辅助下电子被原子弹性散射的自由自由跃迁，是指在激光作用下靶原子保持在基态，而电子在被散射时吸收或发射光子，导致其能量发生数个光子变化的现象，这是激光与电子、原子相互作用的重要形式之一。(4)原子的光
