核能應用與發(fā)展.doc

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1、1.序言1.1經(jīng)典物理學和量子力學在這本書中介紹的原子和量子物理學，基本上是本世紀前第三的產(chǎn)物。經(jīng)典物理學的分支如力學、聲學、熱力學和光學必須擴大時，作為物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)知識增加的結(jié)果，原子和量子成為了物理學研究的對象。因此，在第二十世紀，經(jīng)典物理學已經(jīng)由原子物理和光或能量量子物理進行了補充。原子物理學的目標是對原子結(jié)構(gòu)及其相互作用的理解以及對電場與磁場的相互作用的理解。原子是由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子構(gòu)成的。這些粒子相互作用的電磁力在經(jīng)典物理學中是眾所周知的。單獨在這些相互作用力基礎下原子核的物理現(xiàn)象是不能夠解釋的。一個新的作用力——核強相互作用力——決定了核的結(jié)構(gòu)，并

2、且典型的結(jié)合能是大于那些原子中的電子的數(shù)量級的。因此原子核的研究，基本粒子的研究以及整個高能物理形成了它們自己的物理學分支。本書不會探討這些內(nèi)容。1.2簡史單詞原子出自于希臘語并且譯為“不可分割的物質(zhì)”，是物質(zhì)的最小組分，不可能再進一步分割。這個概念是在公元前5世紀和前4世紀中期被希臘自然哲學家引入的。最早的物質(zhì)結(jié)構(gòu)原子理論是由德謨克利特（公元前460~370年），柏拉圖（公元前429~348年）和亞里士多德（公元前384~322年）提出的。它經(jīng)歷了兩千多年才使這種推理的原子論演變成為現(xiàn)代意義上的精確的原子物理學。原子這個詞的含義如果翻譯成拉丁語的話就會產(chǎn)生更少的誤解：不可分割

3、的物質(zhì)是大型集合中的最小的單元，它擁有這個集合中所有的本質(zhì)特征。從這個意義上說，原子實際上就是不可分割的。誠然，有一種是可以的，把一個氫原子分離成一個質(zhì)子和一個電子，但是氫在分離的過程中就已經(jīng)被破壞了。例如沒有一個人能在氫原子光譜上觀察它的光譜線特征。原子論按照現(xiàn)代科學的理解首先被發(fā)現(xiàn)于物質(zhì)之中，然后是電子，最后是能量。物質(zhì)的原子論，有一個公認的事實那就是所有的化學成分室友原子組成的，這是根據(jù)化學研究推斷的。恒量定律和倍比定律分別是由J.L.普魯斯特和道爾頓約在1799年和1803年提出，這些定律可以很簡單地解釋原子假說。反應方程式14gN+16gO=30gNO14gN+32g

4、O=46gNO2意思就是氮和氧原子的重量是相關(guān)的14:16只有整個原子相互作用，第一個原子模型（W.普羅特1815）是假設除了氫原子之外的所有元素的原子是組成整體的。作為一個啟發(fā)性原理，這個假設最終基于化學性質(zhì)形成了有序元素的體系，L.邁耶和D.I.門捷列夫化學周期系。更多關(guān)于這個學科的內(nèi)容會在化學入門教材講到。幾乎在同一時間（1808年），蓋-呂薩克發(fā)現(xiàn)不僅是質(zhì)量而且氣態(tài)反應物的量都是以整數(shù)的定量發(fā)生的。在上面的例子1體積N+1體積O產(chǎn)生2體積NO1體積N+2體積O產(chǎn)生2體積NO2相似的觀察形成了阿伏伽德羅假設：同等體積的氣體在相似的狀態(tài)下（壓強，溫度）包含同等數(shù)量的分子。在

5、19世紀間對氣體的繼續(xù)研究調(diào)查引出了熱原子論，它對熱量在通常的情況下進行了解釋，尤其是在一系列的原子運動和原子間碰撞的熱力學定律。大約在1870年，這一首個理論包含了整個物理學分支，氣體分子運動論由物理學家克勞修斯和玻爾茲曼完成。電磁感應是在1833年被英國科學家邁克爾法拉第發(fā)現(xiàn)的，基于對電解液體非常仔細測量的定量計算，他用公式表達了他著名的定律：分解的元素的電量與電荷傳輸過程的電量成正比，不同的元素被相同電量的電荷分離成等效權(quán)重。由此法拉第總結(jié)出：原子的帶電成分是在它的質(zhì)量與電荷定義后70年，這個帶電物質(zhì)就是電子與物質(zhì)的原子相關(guān)。原子能的發(fā)現(xiàn)可以追溯到底：1900年十二月14

6、號，在那次柏林物理學會的演講中普朗克給出了黑體輻射規(guī)律的推導。為了推導出這些定律，他假定諧波振蕩器的能量只能采取離散的值――對于在經(jīng)典理論中能量值是連續(xù)的，這是相當矛盾的。這一天可以稱為量子理論的誕生日。原子與量子物理學的進一步發(fā)展是這本書的主題。我們對原子結(jié)構(gòu)的認識受到了光學譜研究的強烈影響。在1860年基爾霍夫和本生發(fā)現(xiàn)光學光譜所發(fā)射或吸收的光的元素的特征后，巴爾默在原子光譜中成功地找到一個有序原理，用公式8.1表示，這個公式是以他的名字命名并描述了氫原子的發(fā)射譜線?；诒R瑟福提出的原子模型，玻爾才能夠在1913年用公式表示原子中電子軌道的量子化的基本原則。這些量化的規(guī)則是

7、由索末菲大大推廣的。通過玻恩，海森伯，薛定諤，泡利，狄拉克和其他研究人員在1920年到1930年的十年之中取得了實際突破。當前研究關(guān)心的原子物理問題：——關(guān)于原子的電子殼層結(jié)構(gòu)及其激發(fā)的越來越詳細的描述——原子與輻射場的相互作用，以其在光泵浦（第二十一章）和激光物理（第二十二章）中的應用為例原子物理基礎研究原子數(shù)據(jù)的計算物理學應用科技固體物理學量子電子學測定單位理想與缺陷結(jié)構(gòu)激光器，頻率標準，航行，大地測量學基本常數(shù)化學物理學醫(yī)療技術(shù)空間研究分子形成輻射效應地球和行星大氣，氣象天體物理學通信