歐內(nèi)斯特?盧瑟福通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)奠定了現(xiàn)代原子物理學(xué)的基礎(chǔ)。借助 α 粒子，他通過(guò)在熒光屏上直觀地觀察結(jié)果來(lái)檢測(cè)原子組成的變化。他將 α 粒子作為拋射體轟擊各種目標(biāo)。通過(guò)對(duì)散射粒子分布的分析，他證明了原子與 α 粒子的相互作用遵循庫(kù)侖平方反比定律，長(zhǎng)度可達(dá) 100 飛米(飛米)。

一、原子物理學(xué)的演變

盧瑟福的實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的圖像是一個(gè)由大量集中的帶正電的核心組成的物體。帶負(fù)電的氣體包圍著致密的核心。以前的原子模型存在一些明顯的缺陷。J.J. 湯姆孫的原子模型缺乏對(duì)正負(fù)實(shí)體的可靠解釋。詹姆斯?查德威克發(fā)現(xiàn)中子解決了同位素組成的問題。它還闡明了核自旋與原子量之間的聯(lián)系。隨著中子和質(zhì)子等原子組成部分的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代原子物理學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

1913 年，尼爾斯?玻爾提出了他的原子模型，其中電子在量子化的行星軌道上圍繞致密的原子核旋轉(zhuǎn)。維爾納?海森堡和埃爾溫?薛定諤等物理學(xué)家對(duì)亞原子相互作用的研究導(dǎo)致了量子力學(xué)的形成。不確定性原理和薛定諤方程從根本上定義了亞原子粒子和相互作用的特性。

湯川秀樹提出存在一種獨(dú)特的中間基本粒子，作為一種媒介將質(zhì)子和中子在原子核中粘合在一起。1938 年，塞斯?內(nèi)德邁耶和卡爾?安德森發(fā)現(xiàn)了一種可能的粒子，它似乎與原子核沒有強(qiáng)烈的相互作用。這個(gè)問題由塞西爾?鮑威爾解決，他發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)粒子，π 介子和 μ 介子。π 介子是假設(shè)的湯川粒子。μ 子或 μ 介子也被稱為安德森 - 內(nèi)德邁耶粒子。這些發(fā)現(xiàn)鞏固了推測(cè)性理論歸納的相關(guān)性。它有助于完成核結(jié)構(gòu)微觀表示的第一階段。隨后，大量的基本粒子被發(fā)現(xiàn)。每一個(gè)在量子世界中都有其獨(dú)特的作用。

奧托?哈恩和弗里茨?斯特拉斯曼對(duì)裂變過(guò)程的發(fā)現(xiàn)為制造原子彈和用于發(fā)電的裂變反應(yīng)堆鋪平了道路。核聚變反應(yīng)是恒星產(chǎn)生能量的過(guò)程。這是 20 世紀(jì) 50 年代設(shè)計(jì)氫彈的主要靈感來(lái)源。在隨后的幾十年里，人們進(jìn)行了大量的研究，以開發(fā)熱核聚變作為一種可消耗的能源。從那以后，發(fā)現(xiàn)了許多新的穩(wěn)定同位素和放射性同位素。同位素識(shí)別技術(shù)和核磁共振技術(shù)就是從這一科學(xué)中發(fā)展而來(lái)的。這些對(duì)于考古和地質(zhì)年代測(cè)定、行星歷史、大氣流動(dòng)模式、水的追蹤、醫(yī)學(xué)診斷以及許多其他應(yīng)用都非常有幫助。

二、現(xiàn)代原子物理學(xué)

最近，強(qiáng)功率激光極大地重振了原子物理學(xué)領(lǐng)域。激光極大地提高了原子特征波長(zhǎng)測(cè)量的精度?，F(xiàn)代頻率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)基于原子銫鐘中的躍遷頻率計(jì)算。單位 “米” 的定義通過(guò)光速與頻率的測(cè)量相聯(lián)系。除了這些例子，激光還被用于分離單個(gè)原子并將其冷卻到接近絕對(duì)零度的技術(shù)中。當(dāng)原子被置于電磁陷阱中靜止時(shí)，它們可以進(jìn)行量子力學(xué)相變，形成一種獨(dú)特的超流體，稱為玻色 - 愛因斯坦凝聚態(tài)，同時(shí)仍然保持稀薄氣體的形式。

在這種物質(zhì)狀態(tài)下，每個(gè)原子都處于相同的相干量子態(tài)。結(jié)果，原子失去了它們的個(gè)體特性。量子力學(xué)波的特性變得更加突出。然后，整個(gè)凝聚體作為一個(gè)單獨(dú)的相干實(shí)體而不是一組單個(gè)原子對(duì)外界影響作出反應(yīng)。最近的研究表明，可以從陷阱中取出一束相干的原子，以制造一種 “原子激光”，類似于傳統(tǒng)激光中的相干光子束。這種形式的激光仍在開發(fā)中。它在開發(fā)用于制造微電子和納米級(jí)設(shè)備的尖端技術(shù)方面具有巨大的潛力。

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