【资料】原子物理学发展史

原子 atom
　构成化学元素的基本单元和化学变化中的最小微粒，即不能用化学变化再分的微粒。原子由带正电的原子核和带负电的核外电子组成，原子核非常小，它的体积约为整个原子体积的10-15，但原子质量的 99.95％以上都集中在原子核内。质量很小的电 子在原 子核 外的空间绕核作有规 律的高速运动，原子核和核外电子相互吸引，组成中性的原子。在科学昌盛的20世纪，科学家已经能够利用场发射显微镜直接观察到原子图像，这是证明原子存在的最有力的证据。
　　近代原子概念是在1803年由英国J.道尔顿提出的，主要内容有 3点：① 一切化学元素都是由不能再分割、不能毁灭的微粒组成的，这种微粒称为原子。②同一种元素的原子的性质和质量都相同 ， 不同元素的原子的性质和质 量都不同。③两种不同元素的化合作用是一种元素的一定数目的原子与另一种元素的一定数目的原子结合而形成化合物的各个分子。自从放射性元素发现以后，原子是可以蜕变和分裂的，因此，道尔顿关于原子不可分割的说法应该加以修正，只能说在普通的化学反应中，原子不可分。同位素的发现也改变了同一种元素的原子的性质和重量都相同的说法，因为同一种元素的各种同位素的质量是不同的。1913 年英国 H.G.J. 莫塞莱提出原子序数概念，指出同一种元素的各原子的质量可能不等（ 即各同位素的质量可以不等 ，但它们的核电荷一定相等），由此可见，一种元素所有的原子的基本特征仍是原子序数。
原子，是化学元素最小组成单元，是组成分子和物质的基本单元，它具有该元素的化学性质。原子由带正电荷的原子核和在原子核的库仑场中运动的带负电的电子组成。核电荷数或原子序数Z，是组成原子核的质子数。原子是非常微小的粒子。假设原子是球体的话，典型原子的直径大约是10-8厘米， 质量大约是10-23克。
原子的概念最初是由英国化学家约翰·道尔顿提出的。1803年他发表“原子说”，提出所有物质都是由原子构成。
原子的构成
原子的中心是一個微小的由核子(質子和中子)組成的原子核，占据了整个原子的绝大部分质量。原子核中的質子和中子緊密地堆在一起，因此原子核的密度很大。質子和中子的質量大至相等，中子略高一些。質子帶正电荷，中子不带电荷，是电中性的。所以整个原子核是帶正电荷的。原子核即使和原子相比，还是非常細小的——比原子要小100,000倍。原子的大小主要是由最外電子层的大小所決定的。如有原子是一個足球場，那原子核就是場中央的一顆綠豆。所以原子几乎是空的，被电子佔据著。
电子是帶負電荷的。它們遠比質子和中子輕，質量只有質子的约1/1836。它們高速地圍著原子核運轉。电子圍繞原子核的軌道並不都一樣。它們在一些叫電子层的區域內圍著原子核轉，那些最接近原子核的在一层，遠一些的又在另外一层。每一层都有一個數字。最內层的是层1，外一层的是层2，如此類推。每一层都可以容納一个最高限量數的电子數目，层1可容納兩个，层2八个，层3十八个，层4三十二个，越往外层可容納的电子就越多。若设层数为n，则第n层可容纳电子数为2n2个。最外层电子不大于8个，最接近最外层的电子层不大于十八个，但也有特例。
在一顆电中性的原子中，質子和電子的數目是一样的。另一方面，中子的數目不一定等於質子的數目。帶电荷的原子叫離子。電子數目比質子小的原子帶正电荷，叫陽離子。相反的原子帶負電荷，叫陰離子。金属元素最外层电子一般小于四个，在反应中易失去电子，趋向达到稳定的结构，成为阳离子。非金属元素最外层电子一般多于四个，在化学反应中易得到电子，趋向达到稳定的结构，成为阴离子。
原子序決定了該原子是那个族或那類元素。例如，碳原子是那些有6顆質子的原子。所有相同原子序的原子在很多物理性質都是一樣的，所显示的化學反應都一樣。質子和中子數目的總和叫質量數。中子的數目對該原子的元素並沒有任何影响 —— 在同一元素中，有不同的成員，每个的原子序是一样的，但質量數都不同。這些成員叫同位素。元素的名字是用它的元素名稱緊隨著質量數來表示，如碳14(每个原子中含有6个質子和8个中子)
只有94种原子是天然存在的(其餘的都是在實驗室中人工制造的) 每种原子都有一个名稱，每个名稱都有一個縮寫。俄国化学家门捷列夫根据不同原子的化学性质将它们排列在一张表中，这就是元素周期表。为纪念门捷列夫，第101号元素被命名為钔。
首11种原子（或元素）依次為氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖 和 鈉。它們的簡寫是H、He、Li、Be、B、C、N、O、F、Ne、Na。
原子結構發展史
前400年，希臘哲學家德謨克列特提出原子的概念。
1803年，英国物理学家约翰·道尔顿提出原子說。
1833年，英国物理学家法拉第提出法拉第電解定律，表明原子帶電，且電可能以不連續的粒子存在。
1874年，司通內建議電解過程被交換的粒子叫做電子。
1879年，克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發現陰極射線。
1886年，哥德斯坦從放電管中發現陽極射線。
1897年，英国物理学家汤姆生證實陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,並測量出電子的荷質比。e/m=1.7588×108 庫侖/克
1909年，美国物理学家密立根的油滴實驗測出電子之帶電量,並強化了「電子是粒子」的概念。
1911年，英国物理学家卢瑟福的α粒子散射實驗，發現原子有核，且原子核帶正電、質量極大、體積很小。其條利用(粒子(即氦核)來撞擊金箔，發現大部分(99.9％)粒子直穿金箔，其中少數成大角度偏折，甚至極少數被反向折回(十萬分之一)。
1913年，英国物理学家莫塞莱分析了元素的X射線标识谱，建立原子序数的概念。
1913年，汤姆生之質譜儀測量質量數 , 並發現同位素。
1919年，拉塞褔發現質子。其利用α粒子撞擊氮原子核與發現質子，接著又用α粒子撞擊棚 (B) 、氟 (F) 、鋁 (A1) 、磷 (P) 核等也都能產生質子,故推論「質子」為元素之原子核共有成分。
1932年，英国物理学家查德威克利用α粒子撞擊鈹原子核，發現了中子。
1935年，日本物理学家湯川秀樹建立了介子理論。

原子光谱 atomic spectrum
　原子的电子运动状态发生变化时发射或吸收的有特定频率的电磁频谱。原子光谱是一些线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，吸收谱是一些暗线。原子的发射谱线与吸收谱线位置精确重合。不同原子的光谱各不相同，氢原子光谱最为简单，其他原子光谱较为复杂 ，最 复杂的是铁 原子光谱。用色散率和分辨率较大的摄谱仪拍摄的原子光谱还显示光谱线有精细结构和超精细结构，所有这些原子光谱的特征，反映了原子内部电子运动的规律性。阐明原子光谱的基本理论是量子力学。原子按其内部运动状态的不同，可以处于不同的定态。每一定态具有一定的能量，它主要包括原子体系内部运动的动能、核与电子间的相互作用能以及电子间的相互作用能。能量最低的态叫做基态 ，能量高于基态的叫做激发态 ，它们构成原子的各能级（见原子能级）。高能量激发态可以跃迁到较低能态而发射光子，反之，较低能态可以吸收光子跃迁到较高激发态，发射或吸收光子的各频率构成发射谱或吸收谱。量子力学理论可以计算出原子能级跃迁时发射或吸收的光谱线位置和光谱线的强度。

　　原子光谱提供了原子内部结构的丰富信息。事实上研究原子结构的原子物理学和量子力学就是在研究分析阐明原子光谱的过程中建立和发展起来的。原子是组成物质的基本单元。原子光谱的研究对于分子结构、固体结构也有重要意义。原子光谱的研究对激发器的诞生和发展起着重要作用，对原子光谱的深入研究将进一步促进激光技术的发展；反过来激光技术也为光谱学研究提供了极为有效的手段。原子光谱技术还广泛地用于化学、天体物理、等离子体物理等和一些应用技术学科之中。

激光 laser-light amplification by stimulated emission of radiation
　　受激发射产生的光。利用受激发射实现光波放大或振荡的器件，称为激光器。自从氨分子微波激射器和红宝石微波量子放大器研制成功后，形成了一门新的学科──量子电子学。量子电子学在微波段获得成功,促使美国C.H.汤斯和A.L.肖洛、苏联Н.Г.巴索夫和А.М.普罗霍洛夫等提出在光波段也可构成类似器件的设想。1960年，美国T.H.梅曼制成第一台红宝石激光器。它标志着激光技术的诞生。从此，激光技术的发展十分迅速，已用几百种激光工作物质实现了光放大，或制成了光振荡器，获得了红外（包括远、中、近红外辐射）、可见光、紫外（近、真空）和可调谐激光（见气体激光器、固体激光器、自由电子激光器、可调谐激光器）。
　　激光产生 　若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1,E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2＜N1，所以受激吸收跃迁占优势，光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2＞N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下,受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后,光强增大eGl倍。G为正比于(N2-N1)的系数，称为增益系数,其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。

　如果，把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜（其中至少有一个是部分透射的）构成的光学谐振腔中,处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外;轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时，光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ(G0是小信号增益系数),则可产生自激振荡。此时从部分透射镜输出一束受激发射光──激光。
　　激光器由激光工作物质、激励系统、光学谐振腔组成

激光模式 　在光谐振腔内存在的满足边界条件的电磁场，其本征态称为激光模式。不同模式具有不同的频率和不同的场分布。光腔模式可以分解为纵模和横模，分别对应于光腔模的纵向（腔轴 z方向）光场分布和横向（x、y方向）光场分布。通常用TEM来标志模式,m、n、q为正整数。横模指数m和n分别表示在x和 y方向上（轴对称情况）光场为零的次数（图3）；纵模指数q 表示驻波场在z 方向上的波腹数。振荡纵模数目决定于腔长、激光工作物质的自发发射谱线宽度、激励强弱、损耗大小和谱线加宽机制。在适当的条件下可获得单纵模振荡。振荡横模数目决定于谐振腔结构、激励强弱和损耗大小等。在适当的条件下可以获得m＝n＝0振荡。基模TEM00q的频率ν=qc/2ηl,式中c为光速，η为激光工作物质的折射率，l为腔长。

激光特性 　普通光源发出的自发发射光具有较宽的谱线宽度。在普通光源中，单色性最好的氪灯，在低温条件下谱线宽度墹λ为0.0047埃。由于谐振腔的频率选择作用，激光具有很好的单色性。例如，单模稳频的氦氖激光器所发射的6328埃激光，其谱线宽度墹λ可小于10-7埃。

　　普通光源所发射的光射向四面八方。而在激光器中，由于谐振腔的作用，只有轴向传播的光能在腔内往返传播形成激光，因而激光具有很好的方向性。激光所能具有的最小发散角θ受衍射极限的限制，θ≈λ/2ɑ，式中λ为激光波长，ɑ为谐振模的腰部直径。

　　普通光源所发出的自发发射光是非相干的。激光是在同一相干辐射场感生下产生的受激发射光，所以激光的相干性很好。例如，单模稳频氦氖激光器所发射的激光，具有数百米的相干长度，而且光束截面上任何两点的光场也是完全相干的。

　　若在光学谐振腔内放置一个用以调制谐振腔Q 值的快速光开关，并使光开关在开始激励后的一段时间内处于关闭状态，这样就不能形成振荡，激光跃迁的上能级会积累大量粒子。当粒子数反转程度达到最大时，光开关迅速打开，可得到持续时间很短(10-7～10-9秒)、峰值功率很高(大于兆瓦)的脉冲激光。采用锁模技术，使光束中不同振荡纵模具有确定的相位关系(相位锁定)，从而使各个纵模相干叠加,可得到峰值功率为1012～1013瓦、脉宽为10-11～10-13秒的超短脉冲激光。激光能量在空间上和时间上的高度集中，使激光具有普通光所达不到的高亮度。
　　激光应用 　激光在材料加工、焊接、精密计量、全息技术、准直、印刷、集成电路微加工、激光传感和医疗等方面都获得了广泛的应用。在与传统电子技术密切相关的光电子技术领域中的重要应用有:光纤通信、激光测距、激光雷达、激光制导、激光录像、激光存储、激光显示和激光计算机等。激光在同位素分离、激光化学、光武器等方面也具有广阔的应用前景。激光引发核聚变是实现受控热核反应的重要途径之一。激光在科学研究上的广泛应用，促进了物理学、化学和生物学等学科的发展。

激光　laser light
　　基于受激辐射光放大原理产生的相干辐射。激光具有如下特点：①定向性好。激光的发散立体角极小，一般在10-5～10-8 球面度范围内 。激光的高度定向性意味着激光能量集中在很窄的光束中。②亮度高。普通光源的亮度很低，太阳的亮度约为103 瓦／（厘米2·球面度），而大功率激光器的亮度高达1010～1017瓦／（厘米2·球面度 ）。③单色性好。激光的单色性通常用v／Δv 来表征，v 为激光谱线中心的频率，Δv为谱线频宽，较好的激光器 v／Δv可达1010～1013。单色性好亦即时间相干性好。④空间相干性好。普通光源的空间相干性很差，光程差为波长的数千倍时，已不出现干涉现象；而激光几乎整个波场空间都是相干的。
利用激光的定向性好和高亮度，在测距、雷达、光纤通信、医学、机械加工（焊接、切割、钻孔等）、导弹制导和核聚变试验等方面广泛应用。激光的高强度使光谱学取得了突破性进展，开拓了新的研究领域；激光引起的非线性效应开创了非线性光学这一新领域。激光的极好的单色性为精密测量长度提供了十分有利的光源。可利用单色性好发展了光波的拍频技术，可测量极缓慢的速度（约 1微米／ 秒）和角速度（约10-1弧度 ／秒）。具有良好相干性的激光出现后 ，全息术得以进入实用阶段并迅速应用于各个领域。在相干光信息处理领域，激光器已成为必不可少的光源。
分类
根据产生激光的媒质，可以把激光器分为液體激光器、气体激光器和固体激光器等。而現在最常見的半導體激光器算是固体激光器的一種。
构成
激光器大多由激励系统、激光物质和光学谐振腔三部分组成。激励系统就是产生光能、电能或化学能的装置。目前使用的激励手段，主要有光照、通电或化学反应等。激光物质是能够产生激光的物质，如红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等。光学谐振控的作用，是用来加强输出激光的亮度，调节和选定激光的波长和方向等。
应用
激光应用很广泛，主要有 fiber communication, 激光测距、激光切割、激光武器、激光唱片等等。
历史
1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发现了重要论文。
肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。
1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。
前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。

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