卡内基梅隆大学原子物理学课程辅导

欧内斯特・卢瑟福通过一系列实验奠定了现代原子物理学的基础。借助 α 粒子，他通过在荧光屏上直观地观察结果来检测原子组成的变化。他将 α 粒子作为抛射体轰击各种目标。通过对散射粒子分布的分析，他证明了原子与 α 粒子的相互作用遵循库仑平方反比定律，长度可达 100 飞米(飞米)。

一、原子物理学的演变

卢瑟福的实验所产生的图像是一个由大量集中的带正电的核心组成的物体。带负电的气体包围着致密的核心。以前的原子模型存在一些明显的缺陷。J.J. 汤姆孙的原子模型缺乏对正负实体的可靠解释。詹姆斯・查德威克发现中子解决了同位素组成的问题。它还阐明了核自旋与原子量之间的联系。随着中子和质子等原子组成部分的发现，现代原子物理学应运而生。

1913 年，尼尔斯・玻尔提出了他的原子模型，其中电子在量子化的行星轨道上围绕致密的原子核旋转。维尔纳・海森堡和埃尔温・薛定谔等物理学家对亚原子相互作用的研究导致了量子力学的形成。不确定性原理和薛定谔方程从根本上定义了亚原子粒子和相互作用的特性。

汤川秀树提出存在一种独特的中间基本粒子，作为一种媒介将质子和中子在原子核中粘合在一起。1938 年，塞斯・内德迈耶和卡尔・安德森发现了一种可能的粒子，它似乎与原子核没有强烈的相互作用。这个问题由塞西尔・鲍威尔解决，他发现了两个粒子，π 介子和 μ 介子。π 介子是假设的汤川粒子。μ 子或 μ 介子也被称为安德森 - 内德迈耶粒子。这些发现巩固了推测性理论归纳的相关性。它有助于完成核结构微观表示的第一阶段。随后，大量的基本粒子被发现。每一个在量子世界中都有其独特的作用。

奥托・哈恩和弗里茨・斯特拉斯曼对裂变过程的发现为制造原子弹和用于发电的裂变反应堆铺平了道路。核聚变反应是恒星产生能量的过程。这是 20 世纪 50 年代设计氢弹的主要灵感来源。在随后的几十年里，人们进行了大量的研究，以开发热核聚变作为一种可消耗的能源。从那以后，发现了许多新的稳定同位素和放射性同位素。同位素识别技术和核磁共振技术就是从这一科学中发展而来的。这些对于考古和地质年代测定、行星历史、大气流动模式、水的追踪、医学诊断以及许多其他应用都非常有帮助。

二、现代原子物理学

最近，强功率激光极大地重振了原子物理学领域。激光极大地提高了原子特征波长测量的精度。现代频率和时间标准基于原子铯钟中的跃迁频率计算。单位 “米” 的定义通过光速与频率的测量相联系。除了这些例子，激光还被用于分离单个原子并将其冷却到接近绝对零度的技术中。当原子被置于电磁陷阱中静止时，它们可以进行量子力学相变，形成一种独特的超流体，称为玻色 - 爱因斯坦凝聚态，同时仍然保持稀薄气体的形式。

在这种物质状态下，每个原子都处于相同的相干量子态。结果，原子失去了它们的个体特性。量子力学波的特性变得更加突出。然后，整个凝聚体作为一个单独的相干实体而不是一组单个原子对外界影响作出反应。最近的研究表明，可以从陷阱中取出一束相干的原子，以制造一种 “原子激光”，类似于传统激光中的相干光子束。这种形式的激光仍在开发中。它在开发用于制造微电子和纳米级设备的尖端技术方面具有巨大的潜力。

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