淺述原子與分子物理學(xué)科現(xiàn)狀

祁鳴書+張麗

摘 要：原子與分子物理學(xué)是研究原子分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及周圍環(huán)境對(duì)其影響的一門科學(xué)。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)原子與分子物理學(xué)科主要研究單位的研究方向、研究隊(duì)伍等情況的調(diào)研，從原子與分子物理學(xué)科特點(diǎn)、發(fā)展及現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了該學(xué)科研究所面臨的問題，并針對(duì)這些問題闡述了可采取的措施。

關(guān)鍵詞：原子與分子；物理研究；現(xiàn)狀調(diào)研

原子與分子物理學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，在物理學(xué)中占有重要的地位，對(duì)人類認(rèn)識(shí)微觀物質(zhì)世界及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律起著重要作用。原子與分子物理也是一門滲透面廣的學(xué)科，在促進(jìn)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加強(qiáng)國(guó)防、保障人們健康等方面起著不可忽視的作用。

一、原子與分子物理學(xué)科的重要性及特點(diǎn)

原子與分子物理學(xué)是研究原子分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及周圍環(huán)境對(duì)其影響的一門科學(xué)。原子與分子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基本層次，原子與分子物理學(xué)是物質(zhì)科學(xué)的組成部分。原子與分子物理的發(fā)展，對(duì)電子學(xué)和電子產(chǎn)業(yè)、光電子學(xué)和激光產(chǎn)業(yè)等新興學(xué)科和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的誕生和發(fā)展起到了重要作用。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新儀器設(shè)備相繼誕生，使人們認(rèn)識(shí)微觀物質(zhì)世界的能力得到空前的提高。隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，對(duì)原子、離子、分子的囚禁與冷卻的實(shí)現(xiàn)，使玻色-愛因斯坦凝聚（BEC），單原子、離子的操控，高精度原子頻標(biāo)、原子激光及量子信息等方面的研究成為原子分子物理學(xué)科研究中的重要研究領(lǐng)域。原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡的發(fā)明使人們的空間分辨水平提高到原子量級(jí)，將人們帶人了奇妙的原子分子水平的物質(zhì)世界。隨著超短激光技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了高精度時(shí)間分辨，可以進(jìn)行分子內(nèi)部原子甚至電子運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性研究，許多以前觀測(cè)不到的現(xiàn)象現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)人人們的視野。另外，原子與分子物理學(xué)還在化學(xué)、材料、信息、環(huán)境和生命等學(xué)科中扮演重要角色。在原子與分子的層次上研究物質(zhì)的性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)過程、新材料的制備及表征、量子信息技術(shù)、生命活動(dòng)已成為研究熱點(diǎn)領(lǐng)域?；瘜W(xué)、材料、信息、光學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域?qū)哂性优c分子物理研究基礎(chǔ)背景的人才需求加大，原子與分子物理學(xué)科在自身發(fā)展的同時(shí)還在一定程度上擔(dān)負(fù)著為其他科學(xué)領(lǐng)域培養(yǎng)人才的重?fù)?dān)。

我國(guó)的原子與分子研究具有以下特點(diǎn)：（l）起步較早，但長(zhǎng)期處于比較薄弱的狀態(tài)，發(fā)展緩慢，在國(guó)際上有影響的工作較少；（2）理論研究偏多，實(shí)驗(yàn)研究較少，實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)較差，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備相對(duì)落后。原子與分子物理研究所需的許多設(shè)備及儀器顯著依賴于研究者自己改造或搭建。在有些國(guó)家的申請(qǐng)代碼中，原子與分子物理學(xué)科中有專門資助原子與分子實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器研制的代碼，我們國(guó)家這方面還需加強(qiáng)；（3）研究領(lǐng)域較分散，研究隊(duì)伍略顯薄弱。由于國(guó)內(nèi)研究條件較差，資金短缺，從國(guó)外引進(jìn)人才的難度較大，國(guó)內(nèi)培養(yǎng)的許多學(xué)生轉(zhuǎn)向其他研究領(lǐng)域，造成人才流失；（4）國(guó)家整體在此學(xué)科投入較少，科研經(jīng)費(fèi)主要靠國(guó)家自然科學(xué)基金支持。

二、原子與分子物理學(xué)科在我國(guó)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)開展了許多原子與分子物理學(xué)的相關(guān)研究工作，如：電子與原子分子散射理論、多通道量子虧損理論、高精度計(jì)算及超精細(xì)結(jié)構(gòu)研究、激光等離子體理論研究等。最初原子與分子物理的研究在理論方面開展工作較多，隨著研究經(jīng)驗(yàn)的積累和儀器設(shè)備的建立，科研工作者開始研究高激發(fā)高離化態(tài)、內(nèi)殼層電子激發(fā)態(tài)、原子頻標(biāo)、原子分子在強(qiáng)電、磁場(chǎng)或強(qiáng)激光場(chǎng)中的行為、電子與原子分子碰撞、原子分子的電離解離和有關(guān)光譜實(shí)驗(yàn)、囚禁離子特性和光譜、原子與分子的冷卻、玻色-愛因斯坦凝聚、原子分子團(tuán)簇、原子分子與固體表面碰撞以及聚變等離子體等方面的研究，同時(shí)還積極開展與其他研究領(lǐng)域的交叉。

三、原子與分子物理學(xué)的研究現(xiàn)狀

（一）國(guó)際原子與分子物理學(xué)研究狀況

目前國(guó)際上原子與分子物理學(xué)正處于高速發(fā)展時(shí)期。由于高性能計(jì)算機(jī)、激光技術(shù)、同步輻射及X射線、離子加速器、真空技術(shù)、束技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)等的發(fā)展為原子分子物理學(xué)的深人研究提供了有力的研究工具。當(dāng)今世界圍繞著能源、材料、環(huán)境、信息、生命以及國(guó)家安全等方面的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，需要大量新數(shù)據(jù)新概念新構(gòu)思，而原子與分子物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)性學(xué)科，其作用也日益突出。目前國(guó)際上主要的研究領(lǐng)域有以下幾個(gè)方面：（l）離子、原子、分子的囚禁、冷卻、操控及在相關(guān)條件下的相互作用、精密測(cè)量和應(yīng)用，如光譜的高精度測(cè)量、玻色-愛因斯坦凝聚體的性質(zhì)及其應(yīng)用、原子激光、原子頻標(biāo)、物質(zhì)波探測(cè)等；（2）量子信息，包括量子通訊、量子計(jì)算、量子密碼等；（3）極端條件下的原子分子物理研究，主要包括在外加強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、高溫、超冷、高壓等條件下的原子分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)行為的研究；（4）基于特殊外界環(huán)境下的原子、分子與團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)與碰撞動(dòng)力學(xué)研究。如：超快、超短（如亞飛秒，阿秒）激光與原子分子的相互作用等；（5）高離化態(tài)原子的碰撞及其與電子、光子等的相互作用。（6）與生命、化學(xué)、材料、信息、環(huán)境方面的交叉，從原子分子結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及其相互作用角度進(jìn)行相關(guān)的研究。

（二）國(guó)內(nèi)原子與分子物理學(xué)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)原子與分子物理學(xué)研究起步較早，但是發(fā)展速度相對(duì)緩慢。有包括國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和部門開放實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的50多個(gè)研究團(tuán)體。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)目前我國(guó)從事原子分子物理研究工作的具有高級(jí)職稱和具有博士學(xué)位的中級(jí)職稱人員約有500人，并且擁有了一些重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如各類激光器及光譜探測(cè)設(shè)備、高性能計(jì)算機(jī)工作站、離子阱、交叉束裝置、電子能譜儀、低能加速器、電子束離子阱、交叉束裝置等。另外，合肥同步輻射裝置的升級(jí)、蘭州重離子加速器的建成及未來上海同步輻射裝置也將為原子分子物理學(xué)研究提供極為有效的新的實(shí)驗(yàn)手段，開拓誘人的新前景。此外，中國(guó)科學(xué)院蘭州近代物理研究所主要是結(jié)合高能重離子加速器在重離子碰撞方面開展原子與分子物理的研究。復(fù)旦大學(xué)利用即將建好的電子束離子阱（EBIT）開展高溫稠密等離子體方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)還有部分人開展冷原子、量子信息存儲(chǔ)、電子與離子碰撞方面的研究。北京計(jì)算數(shù)學(xué)與應(yīng)用物理研究所主要開展的工作有：光子同電子、離子相互作用過程，高溫高密度等離子體物理，熱稠密環(huán)境下的原子離子結(jié)構(gòu)等。大連化學(xué)物理研究所在分子科學(xué)領(lǐng)域主要開展一些分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、激光選鍵選態(tài)化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面的研究等。國(guó)防科技大學(xué)在原子與分子結(jié)構(gòu)及碰撞，高溫、強(qiáng)場(chǎng)、稠密對(duì)原子與分子性質(zhì)的影響等方面開展研究。北京大學(xué)和上海光機(jī)所在原子激光冷卻方面開展研究。山東大學(xué)主要開展分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及光與原子分子相互作用的研究。

四、國(guó)內(nèi)原子與分子物理學(xué)研究的特色、面臨的問題及對(duì)問題的一些認(rèn)識(shí)

（一）特色

吉林大學(xué)原子與分子物理研究所長(zhǎng)期從事原子與分子物理的研究，歷史較長(zhǎng)，具有較好的基礎(chǔ)。武漢物理與數(shù)學(xué)研究所具有較好實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備，能發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，注重物理與數(shù)學(xué)、化學(xué)的交叉，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用結(jié)合較緊密。如在原子頻標(biāo)、核磁共振、激光雷達(dá)、原子濾波器的研究方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用背景。該單位的波譜與原子分子物理實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)原子分子物理學(xué)科的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，具有一支年輕的科研隊(duì)伍。清華大學(xué)物理系原子分子物理領(lǐng)域多年來開展單原子檢測(cè)并注重應(yīng)用，如與生命科學(xué)交叉進(jìn)行大分子探測(cè)和分子雷達(dá)方面的研究工作，另外在電子動(dòng)量譜等方面開展了一些研究。北京大學(xué)和上海光機(jī)所原子分子物理領(lǐng)域的科研人員在原子激光冷卻方面開展了大量研究，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了玻色一愛因斯坦凝聚（BEC）。四川大學(xué)在稠密狀態(tài)下原子分子相互作用方面做出了較好的工作。中國(guó)科技大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目較高強(qiáng)度的資助下，在電子動(dòng)量譜儀方面取得較好成果。蘭州近代物理研究所依托大裝置，利用重離子加速器，可望能在重離子碰撞方面做出優(yōu)秀成果。復(fù)旦大學(xué)利用即將建成的EB仃裝置，將在高溫稠密等離子體物理涉及的原子數(shù)據(jù)方面開展相關(guān)研究。山東師范大學(xué)和西北師范大學(xué)在原子分子團(tuán)簇、原子結(jié)構(gòu)與碰撞、激光場(chǎng)中原子分子行為等研究領(lǐng)域開展了相關(guān)研究工作。

（二）存在問題

國(guó)內(nèi)原子與分子物理學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展還面臨著許多問題，主要表現(xiàn)為：（1）科研隊(duì)伍老齡化。隨著原子分子物理領(lǐng)域內(nèi)的老一輩科研人員退休，研究隊(duì)伍老齡化的趨勢(shì)日益顯現(xiàn)出來。該領(lǐng)域中青年骨干人員不足，人才出現(xiàn)斷層。出現(xiàn)的原因主要有：國(guó)家對(duì)原子與分子物理學(xué)研究投人不足；原子與分子物理研究規(guī)模較小；原子與分子物理研究碩士點(diǎn)培養(yǎng)的部分碩士生在考取博士時(shí)選擇了其他專業(yè)；原子與分子物理研究領(lǐng)域引進(jìn)海外高級(jí)人才困難，自己培養(yǎng)的一些人才流失到其他研究領(lǐng)域。為了緩解這一狀況，對(duì)該領(lǐng)域的科學(xué)基金資助應(yīng)更注重對(duì)青年人才的支持和培養(yǎng)，提高青年科學(xué)基金的資助率。（2）儀器設(shè)備相對(duì)落后。國(guó)外原子與分子物理研究的發(fā)展非常迅速，這部分得益于他們擁有先進(jìn)的儀器設(shè)備。原子與分子物理研究除了依托于一些大的研究平臺(tái)以外，還要自己改造和研制一些儀器設(shè)備。雖然國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)設(shè)立了科學(xué)儀器研究專項(xiàng)，但規(guī)模小，而原子分子物理研究的儀器設(shè)備研制投人大、周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高，與國(guó)際上相比，我國(guó)在這方面的研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。自然科學(xué)基金委如能聯(lián)系其他部門一起共同給予特別支持，或許會(huì)改善目前狀況。（3）研究?jī)?nèi)容不夠集中。目前國(guó)內(nèi)研究創(chuàng)新性內(nèi)容較少，重復(fù)性、跟蹤性研究?jī)?nèi)容較多。研究隊(duì)伍較為分散，共有約500人的研究隊(duì)伍（包括高級(jí)職稱和具有博士學(xué)位中級(jí)職稱人數(shù)），分布在大約50個(gè)研究單位，有些單位只有少數(shù)幾個(gè)人，研究?jī)?nèi)容較分散。（4）資金投人不足。原子與分子物理學(xué)作為基礎(chǔ)性很強(qiáng)的學(xué)科，其基礎(chǔ)研究除了國(guó)家自然科學(xué)基金資助外，其他部門支持較少。研究隊(duì)伍不斷萎縮，人才流失較為嚴(yán)重，而資金投人不足制約了原子與分子物理研究領(lǐng)域的發(fā)展。（5）合作交流略顯不足。原子與分子物理研究領(lǐng)域與其他研究領(lǐng)域相比，國(guó)際合作交流和國(guó)內(nèi)交流合作較少，這也影響了人才的培養(yǎng)、引進(jìn)及學(xué)術(shù)交流。積極支持交流與合作，發(fā)揮其橋梁、紐帶作用，應(yīng)當(dāng)會(huì)極大地促進(jìn)原子與分子物理研究領(lǐng)域的發(fā)展。