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原子与光物理学分析与应用简介

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月13期作者：吕浩阳

[导读] 物理学是科技发展的基础，而原子与光物理学作为其中一较具有前沿性的领域，近年来也是快速发展。而原子与光物理学的本质是什么，原子物理学在能源科技等领域起到了怎样的作用，光物理学与光纤通信等技术的关系是什么，原子与光物理学又具有怎样的发展前景，这些问题都很值得去深究并找出答案。本文也围绕上述问题展开。

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摘要：物理学是科技发展的基础，而原子与光物理学作为其中一较具有前沿性的领域，近年来也是快速发展。而原子与光物理学的本质是什么，原子物理学在能源科技等领域起到了怎样的作用，光物理学与光纤通信等技术的关系是什么，原子与光物理学又具有怎样的发展前景，这些问题都很值得去深究并找出答案。本文也围绕上述问题展开。
关键词：原子与光物理学；应用；前景
        1引言
        随着天体物理的突破、人们视野的迅速提高、以及海量互联网数据的支撑等技术的实现，微观物理应用领域终于在21世纪的第二个十年里迎来了质的飞跃，从低端简单概念逐渐向高端研究应用领域发展，从以往自身闭环的发展应用中，纵身一跃，进入到了现今全面领域的发展。虽然新的技术的产生必将带来一定的问题，但依然无法掩盖它对世界带来的改变。因此，对原子与光物理的结合于实际应用具有一定实际意义。
        2原子与光物理学概述
        2.1物理学概述
        物理学，研究物质结构和可观测宇宙基本组成部分之间相互作用的科学。从最广泛的意义上讲，物理学（希腊物理学）涉及到宏观和亚微观两个层面的自然界的所有方面。它的研究范围不仅包括物体在给定力作用下的行为，还包括引力场、电磁力场和核力场的性质和起源。它的最终目标是制定一些综合性原则，将所有这些不同的现象结合起来加以解释[1]。物理学是基础物理科学。直到近代，物理学和自然哲学才被交替地用于以发现和阐述自然基本规律为目标的科学。随着现代科学的发展和专业化程度的提高，物理学逐渐成为天文学、化学、地质学和工程学之外的一部分物理科学。然而，物理学在所有的自然科学中都扮演着重要的角色，所有这些领域都有一些分支，其中物理定律和测量得到了特别的重视，这些分支的名称包括天体物理学、地球物理学、生物物理学，甚至是心理物理学。物理学基本上可以被定义为物质、运动和能量的科学。它的规律通常用数学语言来表达，既经济又精确。无论是在尽可能精确地控制的条件下观察现象的实验，还是形成统一概念框架的理论，都在物理学的发展中起着不可或缺的补充作用。物理实验结果与理论预测结果进行了比较。一种可靠地预测其适用的实验结果的理论被认为是物理定律的体现。然而，如果以后的实验需要的话，法律总是会被修改、替换或者限制在一个更有限的领域。物理学的最终目标是找到一套统一的规律，在小的（微观的）亚原子距离，在人类日常生活的（宏观的）尺度上，以及在最大的距离（例如，那些在河外尺度上）来控制物质、运动和能量[2]。这一宏伟目标已在相当程度上实现。虽然还没有一个完全统一的物理现象理论（可能永远也不会实现），但一组非常小的基本物理定律似乎能够解释所有已知的现象。物理学体发展到20世纪初，即经典物理学，主要可以解释宏观物体相对于光速缓慢运动的运动，以及热、声、电、磁、光等现象。相对论和量子力学的现代发展改变了这些定律，因为它们适用于更高的速度、非常大的物体以及物质的微小基本成分，如电子、质子和中子。
        2.2原子与光物理学概念和作用原理
        原子物理学是在原子的水平上探究物质的结构、运动规律以及相互作用。主要包括原子的位形，即卢瑟福模型；原子的量子态，即玻尔模型和量子力学导论；电子的自旋；多电子原子；X射线和核物理等方面。而原子物理学始于道尔顿，他在《原子论》中的观点形成了道尔顿原子模型，但是X射线和天然放射性元素又说明，道尔顿原子模型并不能很好地描述原子。随后，汤姆孙通过使阴极射线在电磁场中受力平衡，测出荷质比，从而推出了汤姆孙模型。随后卢瑟福团队通过对α粒子散射实验的结果量化，提出了卢瑟福模型。再然后，便是玻尔模型和量子力学模型[3]。
        原子物理学还可以为光物理学中的现象提供理论依据和解释，同时光物理学的发展进步又可以为原子物理学的研究提供可靠工具，比如激光和光谱技术。因此二者的交叉融合也是很有意义。在完全描述电子-光子相互作用的量子电动力学中，由于空间反转下量子电动力学作用的不变性，奇偶性得到了守恒。然而，在将电磁力和弱力视为统一的电弱相互作用的标准模型中，这导致了对W和Z玻色子的预测和随后的发现，违反了奇偶性。W和Z玻色子是所谓的弱轴向电流的载流子，它们负责奇偶性违反。在低能量物理现象中测试标准模型的问题是过去几十年积极研究的有趣课题之一。在原子核中测试了低能量极限下的SM，预测并证实了奇偶性非守恒(PNC)效应的显著多体增强。除了原子核中的PNC效应外，原子物理实验还为验证SM预测提供了很高的精度。
        光物理学是研究光的基本性质，光的产生、传输、接收、显示与物质相互作用的科学。传统的光物理学为光学与光谱学，但是随着近年来光物理学的快速发展。如激光物理、非线性光学、高分辨率光谱学和原子光学等正不断趋于成熟。光物理学中的种种新理论也促进了激光、光纤通信等重要领域的突破和发展。分子与光的相互作用可以导致多种过程。这些过程可以导致被定义为光化学的分子的化学修饰，或改变分子的能量学，而不改变被定义为光物理的分子的化学结构。分子吸收光的光子可以启动许多不同的原子运动。包含在紫外线和紫外线/可见光范围内吸收光的原子和/或官能团的特定排列的分子被称为色团。在与光相互作用之前，分子据说处于基态。也就是说，电子结构遵循量子力学计算，包括亨德规则、泡利不相容原理和奥夫鲍原理。在这种情况下，位于最高能级的价电子占据了一个称为HOMO或最高占据分子轨道的分子轨道。
        3原子与光物理学应用分析
        3.1原子与光物理学的共同作用
        20世纪的一个伟大成就是建立原子假说的有效性，这是古代首次提出的，物质由相对较少的小的、相同的部分即原子组成。然而，与Democritus和其他古人不可分割的原子不同，原子，正如今天所设想的那样，可以被分离成组成电子和原子核。原子结合形成分子，通过化学和物理化学研究分子的结构；它们还形成其他类型的化合物，如晶体，在凝聚态物理领域进行了研究。

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这些学科研究在正常经验中遇到的物质（不排除生物物质）的最重要属性，即几乎完全依赖原子电子结构外部部分的属性。只有原子核的质量及其电荷（等于中性原子中电子的总电荷）才影响物质的化学和物理性质。尽管太阳系和原子之间有一些相似之处，因为引力和静电的强度都随着距离的平方反比而下降，但当应用于微小、快速移动的原子成分时，经典的电磁和力学形式就失效了。
        在医学上，X射线技术已成为对疾病进行诊断和治疗的专门学科，在医疗中具有重要地位。X射线应用于治疗，主要依据其生物效应，使用不同能级的X射线对细胞组织进行照射，可有效地使被照射组织受到破坏或抑制，对于肿瘤治疗有重要意义[3]。
        3.2光物理学应用
        （1）高分辨率与超高分辨率光谱学—通过发展和探讨各种消多普勒加宽的光谱法，克服渡越时间加宽的技术以及克服二级多普勒加宽的禁锢原子光谱术。使光谱分辨率达到甚至超过自然线宽给出的极限。光谱分辨率是指传感器所能记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，波长范围值越宽，光谱分辨率越低[4]。
        （2）光纤。光纤在现实中的作用不言而喻，它是现代通信的关键。骨干传输网络（SDH/SONET），如各大城市之间、各大洋底的海底光缆等；以太网（GBE），包括现在的光纤到户（FTTH）、到楼(FTTB)、到社区等，主要是我们家庭、办公网络；数据网络（Fiber?channel），各种存储设备、数据库，包括正在发展的云计算服务系统；有线电视传输（PIN接收）；特种用途传输，如战机、舰船。以上均使用到光纤传输。
        （3）超短脉冲的获得与超快过程光谱学。目标是:发展多种压缩激光脉宽的方法，以获得皮秒级的超短微光脉冲:将超短脉冲技术与激光调谐技术相结合发展超快过程光谱学,进行物质中或化学反应过程中各所超快过程的研究.一般而言，在激光工作物质、激励方式以及光学共振腔等条件给定的情况下，输出激光的频率或波长是确定不变的。但在一定的条件下采用某些附加的专门技术，人们亦可在一定程度上或一定范围内控制激光器的输出波长，使其按照可控方式发生连续的变化。这一类专门技术，就称为激光调谐技术。
        3.3 原子物理学应用
       这个物理学分支研究原子核的结构和不稳定核的辐射。原子核的组成粒子，质子和中子，在核力的作用下相互吸引得如此强烈，以至于核能大约是一般原子能的1000000倍。理解核结构需要量子理论。像受激原子一样，不稳定的放射性核（自然产生的或人工产生的）也能发出电磁辐射。高能核光子被称为伽马射线。放射性核也发射其他粒子：负电子和正电子（β射线），伴随着中微子和氦核（α射线）。核物理的一个主要研究工具是利用粒子束（如质子或电子）作为射弹射向核目标。反冲粒子和由此产生的任何核碎片被探测到，它们的方向和能量被分析，以揭示核结构的细节，并进一步了解强大的力量。一种弱得多的核力，即所谓的弱相互作用，是产生β射线的原因。核碰撞实验使用高能粒子束，包括那些不稳定的粒子，称为介子工厂的加速器中初级核碰撞产生的介子。质子和中子之间的介子交换是产生这种强大作用力的直接原因。
       （1）我们在初中的时候便知道：如果能实现可控核聚变，人类将不会面临能源问题。由此可见核能所具备的能量之大及地位之重要，而目前核能发电利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机
        （2）对于物质的溯源追求—通过大型强子对撞机等高精尖设备，把质子加速到高能状态并进行对撞，由此发现了许多新元素，新粒子。尤其是对于希格斯玻色粒子的发现，使人类对于大爆炸后宇宙的形成有了更加深刻的认识。希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，不带电荷、色荷，极不稳定，生成后会立刻衰变。1964年，英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。而在希格斯机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。根据希格斯机制，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。假若希格斯玻色子被证实存在，则希格斯场应该也存在，而希格斯机制也可被确认为基本无误
        （3）计算机是人类目前高科技技术的基础，而随着AI等高级技术的发展，传统计算机的运行速度已经不足以满足要求。“量子计算机”这一概念也随之被提出，而马约拉纳费米子的发现使之有可能成为现实[5]。Majorana费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机。量子世界本质上是并行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。
        5总结与展望
        原子物理学与光物理学在日常生活中起到了十分重要的作用，在某些普通人看不见的领域更是熠熠生辉。这两门学科又是相互促进的，在光物理学和原子物理学的应用探究中，我们时常会发现同一应用却涉及到了两个学科的知识。同时它们都具有广阔的发展前景，在未来很可能带来许多颠覆性的科技成果
参考文献
[1]雷树人. 常用物理概念精析[M]. 科学出版社, 1994.
[2]徐行可, 荣健. 现代物理知识[M]. 西南交通大学出版社, 1999.
[3]波尔, 郁韬. 原子物理学和人类知识[M]. 商务出版社, 1978.
[4]李淳飞. 光纤通信光开关的物理基础[J]. 物理实验, 2003, 23(03):6-9.
[5]马新文, 朱小龙, 张少锋,等. 完全测量技术在原子、分子和光物理研究中的应用[C]// 全国原子与分子物理学术会议. 2009.