原子与原子物理

曹则贤 2025 12 31中国科学院物理研究所 量子力学(2019.12.30)规范场论学(2021.12.31)热力学(2023.12.31) 实验物理,数学物理,后物理学(形而上学),统计物理,固体物理,光学,等离子体物理,物理学家，…给你我微不足道所有的所有—毛不易《给你给我》 物理们 生命之美好在于两件事情：做[数学们]和教[数学们]。 男爵 La vien’estbonnequ’àdeux choses: àfaire desmathématiqueset àlesprofesser.~BaronSiméonDenis Poisson 对个人跨年科学演讲的反响 对我的演讲褒贬不一，但这两条让我感受到了鼓励1.这老头子，自己搞个春晚，讲了3个多小时。2.每年4小时物理军训。 因为满是数学，所以容易明白！ 如果你不努力，会有人教你努力,你缺的只是一顿社会的毒打! 如果你不明白，会有人教你明白,你缺的只是一场头脑风暴! 相信许多人已经习惯了我的科学演讲PPT满页跑洋文 1.强调知识的原始表达，提倡正确引用，避免误解；2.方便深入学习者获取原始文献；3.表明我努力研究过原始文献，不是凭空瞎说；4.我就是显摆，同时掩饰不懂物理的尴尬。 如果从其它语言的角度看我们的母语，或许能更深刻地领会我们的母语的美妙。这是一种哲学。 本次跨年演讲一如既往充满洋文，但这不妨碍理解。洋文也会缩小到不碍眼的地步，仅供有意者参考。 本人本次跨年演讲的源文件 220页ppt 将由中国科学院物理研究所公众号整理发布 若内容尚有可取之处，请随意采用 学物理、研究物理、教物理，物理所是认真的 本报告使用的一些图片和视频未征得原作者同意，万分抱歉。恳请原作者谅解为盼！ 原子(概念、物理)很重要 问题：如果在一场灾难中所有的科学知识都将被摧毁，只能给后代留一句话，那么只用几个字却包含最多信息的陈述是什么？ 孤立概念不包含信息 If,insomecataclysm,allscientificknowledgeweretobedestroyed,andonlyonesentencepassedontothenextgenerationofcreatures,whatstatementwouldcontainthemostinformationinthefewestwords? RichardFeynman:Ibelieveitistheatomichypothesis(oratomicfact,orwhateveryouwishtocallit)thatallthingsaremadeofatoms,littleparticlesthatmovearoundinperpetualmotion,attractingeachotherwhentheyarealittledistanceapart,butrepellinguponbeingsqueezedintooneanother.Inthatonesentence,youwillsee,thereisanenormousamountofinformationabouttheworld,ifjustalittleimaginationandthinkingareapplied. 一些物理学科的特性TheNature of some physics branches 原理性、构造性理论—爱因斯坦1934 经典力学：摸索→原理性学问→原初学问相对论：摸索→原理性学问规范场论：摸索→原理性学问热力学：原理性学问电磁学/电动力学：构造性学问量子力学：构造性学问原子物理：构造性学问(悠久，其间经历量子力学构造) 原子物理关键人物 10J. J. Thomson, 1856-1940Joseph Larmor, 1857-1942Ernest Rutherford, 1871-1937Niels Bohr, 1885-1962James Frank-Gustav HertzWilliam Wilson, 1875-1965Otto Stern-Walther GerlachJohannes Stark, 1874-1957Paul Epstein, 1883-1966Pieter Zeeman 1865-1943Hendrik Lorentz, 1853-1928Arnold Sommerfeld, 1868-1951Max Born,1882-1970AlfredLandé, 1888 1976Werner Heisenberg, 1901-1976Irvine Langmuir, 1881-1957Edmund C. Stoner, 1899-1968Wolfgang Pauli, 1900-1958RalphKronig, 1904-1995GeorgeUhlenbeck, 1900-1988SamuelGoudsmit, 1902-1978Erwin Schrödinger, 1887-1961Friedrich Hund, 1896-1997【多有遗漏】 汤姆孙拉莫卢瑟福玻尔弗兰克-赫兹威尔逊斯特恩-盖拉赫斯塔克爱泼斯坦塞曼洛伦兹索末菲玻恩朗德海森堡朗缪尔斯通纳泡利克罗尼希乌伦贝克古德施密特薛定谔洪特 Kanada,6世纪BCLeucippus,5世纪BCDemocritus, c.460-c.370BCPlato,c.428(3)-c.348(7)BCAristotle,384-322BCEpicurus,341-270BCLucretius,公元前c.99-55BCWilliam Gilbert，1544?-1603Robert Boyle,1627-1691Михаил Васильевич Ломонoсов,1711-1765Henry Cavendish，1731-1810Antoine-Laurent deLavosier,1743-1794Joseph Proust,1754-1826John Dalton,1766-1844Amedeo Avogadro,1776-1856William Prout,1785-1850Michael Faraday,1791-1867Hermann von Helmholtz,1821-1894Дми́трийИва́новичМенделе́ев,1834-1907Julius Plücker，1801-1868Wilhelm ConradRöntgen，1845-1923Philipp Lenard,1862-1947 迦那陀留基伯德谟克里特柏拉图亚里斯多德伊比鸠鲁卢克莱修吉尔伯特波义耳罗蒙诺索夫卡文迪许拉瓦锡普鲁斯特道尔顿阿伏伽德罗普罗特法拉第亥尔姆霍兹门捷列夫普吕克伦琴伦纳德 原子物理创造者专著 1913Rutherford,Radioactive Substances and their Radiations/放射性物质及其辐射1919Sommerfeld,AtombauundSpektrallinien/原子构造与谱线1929AtombauundSpektrallinien：WellenmechanischerErgänzungsband/原子构造与谱线波力学增补卷1923Born,The constitution of matter, modern atomic and electron theories 1925Born,VorlesungenüberAtommechanik/原子力学讲义1926Born,Problems of Atomic Dynamics/原子动力学问题1930Born/ Jordan,ElementareQuantenmechanik/基础量子力学1935Born,Atomic Physics/原子物理索末菲和玻恩的书都有英文版。索末菲著作国内已引进 一页纸的原子物理Atomic Physics on One Page 1.初，人以为物质由简单的几样元素构成；物质可分，分到不可分(ατομος)为止，莫破尘；2.给不可分(原子)安上不同性质(比如钩子)以解释物质变化；3.化学家发现真正的元素物质很多，至55种时瞥见元素周期性,编元素周期表；4.由化学反应认识到原子的对应价(值)不同；相同体积内分子数相同，等等；5.气体放电发现电子，原子概念失效。发现电的原子性。原子有结构，拉莫、伦纳德、汤姆孙原子模型；6.放射性被发现，质能关系；α-粒子散射，发现原子有核(hú)，卢瑟福原子模型；7.光谱研究；放电带来X-射线；发现氢原子光谱公式；玻尔圆轨道模型解释氢光谱，电子第一个量子数；8.威尔逊-索末菲椭圆轨道，第二量子数；索末菲空间量子化，第三个量子数;9.反常塞曼效应，1925年自旋概念提出,电子集齐四量子数;10.1924年，玻恩提出原子/量子力学；1925年，玻恩-约当，玻恩-海森堡-约当发展出矩阵力学;11.1926年薛定谔方程，1927年泡利方程，可以用量子力学描述原子中电子的行为；12.构造原理，即原子外层的电子排布原则。知道元素周期表为啥长那样了；13.α-粒子散射，质子、中子(1932年)被发现；14.1930年代，原子图像建立：原子核(质子、中子)和核外电子(处于四量子数标记的量子态)。加上数学就好懂了真会量子力学就好懂了 对原子物理课我有特别的感触 我学原子物理时，获得的印象是原子物理书里的那些内容，比如什么L-S耦合，什么选择定则(ℓ→ℓ±𝟏;𝒎→𝒎,𝒎±𝟏),出现在量子力学之前，却不知道有些是量子力学带来的或者精确化了的知识。 关键是它不告诉我这玩意儿哪来的。 更要命的是它不告诉我这玩意儿有相当的复杂性和有限的正确性。 对原子物理课我有特别的感触 描述原子中电子的量子数：𝑛,ℓ,𝑚;𝑚𝑠其中，𝑛为整数，ℓ=0,…,𝑛−1;𝑚=−ℓ,−ℓ+1…,0,…,ℓ−1,ℓ;𝑚𝑠=±12.从只有一个量子数的量子化条件׬p𝑑𝑞=𝑛ℎ到这套四个指标的标记，中间经历了什么思想过程(gedankengang)？׬p𝑑𝑞和正则变换、接触变换是什么关系？ 𝑚=−ℓ,−ℓ+1…, 0,…, ℓ−1, ℓ是啥意思？当我有一天认识到它来自−𝟏=±𝒊时，我真是无语。我觉得它应该是n,ℓ,±𝒎;𝒎𝒔，其中𝑚=0,…,ℓ−1,ℓ。我们的原子物理书竟然有“五量子数”的说法，显然不明白量子数的来路与意义。 对原子物理我有特别的感触 或者我为什么没学会原子物理？ 原子物理中有个洪特定则(1927) 1984年初冬，中国科学技术大学，我死记硬背洪特定则。 1997年4月1日在德国Kaiserslautern大学我看到了一则讣告，Prof. Friedrich Hund(1896.02.04-1997.03.31)昨日辞世，享年101岁。我一时恍惚、惊讶：洪特一直是一个鲜活的存在？如果我们学习的是李老伯原理、孙二娘方程、王大爷符号，那数学、物理一定会显得vellivelliyizi.说不定我们能早一点明白“我要当科学家”到底是什么意思。 讲座正式开始 各位请把自己的心态调到“蒙童”状态！ 我们听说的所有概念都需要有人从头为其赋予内容！ 元素说/theory of elements 世间万物，纷繁杂乱。有圣人出，曰：“世界应该是简单的！” 米勒都的Thales(公元前626-548)：这个宇宙的主元素是“水”！米勒都的Anaximenes (公元前586-526)：这个宇宙的主元素是“气”！ Anaximenes of Miletus: Air is the arche, or the basic element of the universe. 元素说/theory of the four classical elements 元素，στοιχεῖον，Stoiche