芶清泉在中国原子分子物理学方面的开创性贡献

白秀英

（渭南师范学院 物理与电气工程学院，陕西 渭南 714099）

芶清泉在中国原子分子物理学方面的开创性贡献

白秀英

（渭南师范学院 物理与电气工程学院，陕西 渭南 714099）

芶清泉20世纪40年代师从吴大猷开始原子与分子物理学研究，半个世纪来系统地开展了原子与分子结构、原子与光子的相互作用及原子碰撞等方面的研究，在国际上率先进行人造金刚石合成机理研究，第一次提出了冷核聚变机理，取得了原子与分子物理学理论研究国际领先的成就。他领导并制定了中国原子与分子物理学科发展规划，主持召开了首届中国原子与分子物理学术交流会，组建了中国第一个原子与分子物理研究所，创办《原子与分子物理学报》期刊，为原子与分子物理学科在中国有组织发展作出了开创性贡献。

芶清泉；原子与分子物理学；学科发展

原子与分子物理学是研究有关原子分子结构、性质、碰撞以及它们与光子相互作用规律的科学，涉及化学、材料、信息、生命、凝聚态、天文学和光学等多个领域，直接或间接导致了电子学和电子产业、光电子学和激光产业等现代产业的诞生和发展。我国原子与分子物理学的研究虽然起步较早，但发展缓慢。20世纪40年代，老一代物理学家叶企逊（1898—1977）、吴有训（1897—1977）、严济慈（1901—1996）、周同庆（1907—1989）和吴大猷（1907—2000）等留学归国后克服重重困难，在西南联大个岗头村建立实验室开展原子与分子物理学研究，成为中国开展原子与分子物理学的奠基人，培养了一批青年学生［1］。芶清泉正是在这一时期跟随吴大猷开始从事原子分子物理学研究，开展了多原子分子振动光谱、原子的多重激发态多项理论研究［2］，并在新中国成立后的吉林大学首创原子与分子物理研究所，创建原子与分子物理国家重点学科研究基地与《原子与分子物理学报》期刊，领导并制定了原子与分子物理学科发展规划，为中国原子与分子物理学科的有组织发展、科研队伍的建立与壮大等作出了开创性的贡献。本文以芶清泉从事原子分子物理学的科学研究为经，以中国原子分子物理学科的发展为纬，论述其在原子与分子物理学方面所做的科学研究，以纪念这位土生土长的物理学家为中国近代原子分子物理学科建设方面的开创性贡献。

1　芶清泉关于原子分子物理学的科学研究与贡献

芶清泉（1917—2011），四川省邛崃县人。幼年丧父，由其母抚养成人，1935至1938年就读成都石室中学高普八班。中学时代的芶清泉立志科学救国，曾根据华罗庚的一篇论文推证了10余条定理，对k乘方数等问题进行过研究。他与同学李荫远、周光埛、李文斌等创办《科学的中学生》并铅印发行全国，联合与他一样立志报国的青年组成“中国青年自然科学会”，誓为祖国科学事业做贡献，并以优异成绩于1938年考入国立中央大学物理系［3］。

1938年的中央大学，由于日军侵华已从南京搬迁至重庆沙坪坝。虽然当时的教室、住房条件简陋，但是，图书仪器、实验室和学习条件在那个时代却是较好的。学生的教材和参考书大都是外文原版教科书，物理系云集了从国外名校如芝加哥大学、麻省理工大学、普林斯顿大学以及伦敦大学留学归国的一流名师，例如张珏哲教授（1902—1986）讲授《力学》，倪尚达（1898—1988）讲授《电磁学》，翁文波（1912—1988）讲授《热学》，周同庆讲授《光学》，施士元（1908—2007）讲授《近代物理》，张宗燧讲授《理论物理》课程。在这些名师的影响下，芶清泉学习很是勤奋，除了学习必修课外，还选修了数学系大部分数学课程（当时，讲授《高等微积分》和《近世代数》是胡昆申教授），这为他后来从事科学研究打下了坚实的数学功底。芶清泉的毕业论文是“热力学平衡判据方面的证明”，难度很大，指导老师张宗燧提供给他大量狄拉克（P A M Dirac，1902—1984）等著名学者的原始论文，指导他进行物理科学研究。中央大学实行学分制，考试多而严，留级、退学的学生很多，与芶清泉同时入学的20人中仅有芶清泉与汤定元（1920—）等4个人按期在1942年毕业，芶清泉以优异成绩留校任助教，担任物性实验及电磁测量等实验课程助教［4］。

1.1师从吴大猷开始原子波函数与原子碰撞方面的理论研究

引领芶清泉从事原子分子物理学研究是吴大猷。1944年，芶清泉在赵光增教授的推荐下从中央大学转到西南联合大学物理系任助教，师从吴大猷开始原子结构与原子碰撞方面的实验和理论研究。正是在昆明郊区岗头村的这几间土建平房内，芶清泉与吴大猷既搞理论又搞实验，他们利用赫罗拉士式波函数，考虑到两电子之间的相关作用，引入了r12变数，对氦原子的双激发态2S2 1S态进行了精细计算，计算结果发表在《中国物理快报》外文版［5］，成为国际上较早报道关于氦原子双激发态的精细计算。国外学者斯莱特（J C Slater）在1960年出版的专著Quanturn Theory of Atomic Structre第二卷第18章原子结构计算精确方法一章中特别引用了该文［6］。

1946年，芶清泉随抗战到昆明的北京大学迁回北京，边教学边从事原子分子碰撞的理论研究，完成了以电子碰撞原子产生双K电子离化的量子力学几率研究，成为国际上较早研究并报道电子碰撞产生双K电子离化的论文，受到国际物理学界的重视。1948年夏，芶清泉回到中央大学，在母校建立光谱研究实验室，用量子力学严格求解了电子在一个球中运动的薛定谔方程，结果表明：当球的半径较大时，电子能级间距非常靠近，可视为能带；当球的半径接近原子尺寸时，电子能级间距扩大，形成分裂的电子能谱［7］。这种电子在一个局域空间中运动时能级由连续或准连续状态转变为分裂状态的理论计算结果是量子效应的早期描述，为金属原子团簇的电子能谱与吸收光谱起到了指导作用，对当今金属超细颗粒的电子能谱研究具有一定的参考意义。

1.2扎根吉林大学从事原子分子结构及固体中原子间力和金刚石形成机理的理论研究

1951年到1982年，芶清泉扎根吉林大学边教学边科研30余年，在原子与分子物理学方面进行了大量的理论研究。他当时发现仅仅依靠国际上发展起来的能带论和位错理论研究金属与合金的强度、性能问题是远远不够，为此，他提出了从金属与合金中的原子间力出发研究金属强度与其他性能的新方向。他通过分析莱纳斯·卡尔·鲍林（Linus Carl Paul-ing，1901—1994）的金属价键理论［8］，建立了从参加键的电子数及电子云分布、动量分布和自旋分布深入研究金属键的形成与性质的计算方法，提出的从原子结构出发得到原子间结合力的原则为：结合力大小不仅决定于成键电子数，还与电子对、电子云的重叠程度有关，并在此基础上开展了“金属键的本质”“过渡族金属的价数与原子间结合力”“过渡族金属固溶体的原子间结合力”等研究［9］。他在探究过渡族金属固体溶液的原子键强度规律时，得出少量杂质对稀固体溶液的物理特性有强烈的影响，为提高金属与合金的力学强度指明了方向。

1963年，在钱学森的提议下，芶清泉展开了高温高压气体和固体中原子间相互作用力与慢电子碰撞方面的研究，指导研究生计算了高压下铜的3d电子能谱，研究了固体和气体中的原子间相互作用势及其状态方程，提出了解决百万到千万大气压范围内固体状态方程的新方法。为了计算原子结构及相互作用的性质，进而计算物理力学中提出的介质和材料的力学性质，芶清泉首先进行了原子解析波函数的研究，并对周期表中第一、二、三、四周期的原子进行了系统研究，先后发表了系列论文，出版了国际上仅有的一本原子解析波函数变分计算方面的专著——《原子结构的变分计算》［10］，书中解决的波函数在研究高温气体、高压气体及高压固体时都常用到。

针对慢电子与原子碰撞的散射截面计算这个难题，芶清泉根据原子碰撞理论提出了等效势理论模型和计算方法，对原子碰撞散射截面的系统做了大量复杂计算。后来，他又将这个理论模型推广到慢电子与氧原子、氮原子的弹性散射截面计算中也取得了成功，并对慢电子与汞原子弹性碰撞中的相对论效应，电子与原子弹性碰撞中交换势等进行了系统研究。之后，芶清泉指导陈其峰、杨向东对低能正电子与氦原子弹性散射截面的理论计算进行研究，研究结果被进一步推广到了低能正电子与其他原子碰撞截面的计算中。这些研究为物理力学在中国的发展提供了必要的理论基础和实验数据［11］。

从1971年起，芶清泉展开了人造金刚石合成机理的研究。他带领师生深入工厂调查研究，提出人造金刚石专用石墨的标准和金刚石专用触媒的3条优选原则，还提出了含硼黑金刚石的物理模型，阐述了它耐高温的机理，预言了这种金刚石的化学惰性。在此理论指导下，芶清泉与他人合作研制成功耐热性与耐磨性好的含硼黑金刚石聚晶，同时还提出了硼皮氮心金刚石模型，陆续发表了《含硼黑金刚石的结构与合成机理极其特殊性能的探讨》《人造金刚石聚晶的粘结机理》等论文［12-13］。1975年，他将自己多年来有关金刚石的研究进行总结，出版专著《人造金刚石》［14］，以异于国外人的理论引起了学界对金刚石的讨论，其从原子分子物理出发进行人造金刚石合成机理的研究领先于国际水平，引领了我国人造金刚石工业技术走向国人自己发展的道路。

1.3在成都科大有关高温、高压下原子与分子电子结构、相互作用辐射以及团簇粒子形成机理的研究

芶清泉1982年调到成都科技大学（现四川大学）后，首先从氢原子与氢分子的相互作用出发，研究了金属氢高压合成的可能性，阐明了高压下固体氢中的氢分子相互作用可以转变成氢原子，且它们相互结合成体心立方的金属氢结构［15］。他对H9的体心立方结构进行计算与研究，结果得到常压下H的体心立方结构具有亚稳态。这说明在高压下合成的金属氢结构，在常压下仍可能保持。针对由于H和He只有1s轨道从而得不到向复杂原子推广的问题，芶清泉以具有两个电子轨道的Li原子为例，从量子力学基本原理出发，得到电子e-Li原子的定域交换势；再利用交换势计算e-Li在0.5～30 eV间的散射截面，从而获得了与实验结果符合很好的结果。与此同时，他还对LiH及LiD的高压状态方程与相变进行理论计算［9］，他的这些研究为合成金属氢特殊新材料的原子分子设计奠定了理论基础。

为了探索氢原子集团能否形成亚稳定的金属结构，芶清泉展开了对氢原子集团与能量的系统计算和研究工作。他建立计算方法与模型，改进并发展了排列通道的量子力学方法，并用此思路计算氢原子集团Hn（n=3，4，5，9，…）［15］，这些研究成果从物质的原子分子角度出发，寻求和预见新型材料指引了方向。

之后，芶清泉的研究重心由高温高压下介质材料的物理性质转移到与激光相关的一些物质作用机理的研究和新材料的原子分子设计方向。由于激光照射的能量沉积过程存在许多瞬态过程，而且涉及高温高压状态以及与强辐射相互作用的问题，芶清泉基于微观理论去认识这些过程，以连续介质力学方法处理问题，在材料本构关系、强度与断裂、激波波阵面结构、爆轰波结构、燃烧锋面结构、界面或细小亚结构附近流动、变形与破坏等方面取得了很大进展。

20世纪90年代，芶清泉研究了碳团簇型微波隐身功能材料，得出了制备温度、试样厚度、材料层数和掺杂等因素对碳团簇型功能材料的微波隐身性能影响的实验结果。他还进行了关于分子磁性理论的研究，借DSF理论方法，研究了一些弱共价的同核分子体系，首次揭示了这些分子的铁磁性起源于分子内相邻过渡金属离子轨道间的交叉相互作用，并由此分析和解释了多种无机、有机化合物和生物蛋白分子中的磁性起源，对核糖核酸还原酶中的强共价体系的强反铁磁现象给出了合理的理论解释。1997年，芶清泉参加在成都召开的高温高压与原子分子物理及材料物理学术会议，提出把原子、分子放到复杂体系中研究才更有意义，即要用非线性量子力学研究生物大分子，他还积极联系德国生物物理研究中心顾樵教授，发展新的研究方向，为原子分子物理学科的发展开辟了新领域。

2　芶清泉对中国原子分子物理学科发展的贡献

新中国成立前，虽然老一辈物理学家开展了原子与分子物理学的初步研究，但却没有把它作为物理学一个重要学科来发展。新中国成立后的1952年，全国高等学校院系调整，芶清泉与余瑞璜等在吉林大学创建了物理系，带领师生开展原子与分子物理的系统研究。1962年，芶清泉以国家科委物理组成员的身份参与制订物理十年补充规划，将原子与分子物理理论补充列入了理论物理学的发展规划中，起草并制订了原子与分子物理研究规划［16］。这次规划，虽然在理论物理学中没有将“原子与分子物理”作为单独分支学科，但却凝练了从原子波函数的系统开始进行固体物理问题研究的方向，促进了原子与分子物理理论研究队伍的壮大，促进了原子与分子物理学研究与国防科研的紧密联系。

1963年，由于国防尖端科技的需要，根据中科院吴有训副院长的旨意，芶清泉参与研究“两弹一星”工程中有关高温气体、高压气体和高压固体技术，快速组织了更多人力进一步开展原子与分子物理研究。由于钱学森感到这方面研究很有成效，1966年2 月3日，由钱学森与芶清泉共同主持召开了“原子分子物理与物理力学”学术座谈会，讨论了以“原子分子物理”为基础搞发明创造的报告，明确了发展原子与分子物理学研究的重要意义［17］。这次会议，由于将原子分子物理研究与国防科研相结合，极大地推进了原子分子物理学科的发展，明确了建设这一学科的重要性，促成了原子分子物理与物理力学两门学科的长期合作与相互促进。

文革期间，原子与分子物理学的研究几近中断，研究人员的数量、水平远远不能适应国家建设的需要，研究机构和教学单位基本空白。为了扭转这种状态，1977年9月至10月，全国自然科学学科规划会议在北京召开，芶清泉作为物理组主要成员之一，领导并制订了我国第一个原子与分子物理学科发展规划，将其研究范畴界定为（1）原子与分子的电子结构；（2）原子光谱及原子与光子的相互作用；（3）分子光谱及分子与光子的相互作用；（4）原子与分子的碰撞过程和相互作用4个方面。至此，原子与分子物理作为物理学中的独立分支地位开始在中国确立，极大地推动了原子与分子物理学研究机构的建立和研究队伍的发展壮大，原子与分子物理作为国家认定的重要基础学科得到了有计划有组织地发展。

芶清泉认为：“要发展一门学科就必须首先建立科研基地，才能锻炼老师，培养研究生；才能出人才，出成果，从而发展学科。”［16］在这一思想指导下，1979年，吉林大学根据教育部指示，组建了中国第一个原子与分子物理研究所，芶清泉任所长，形成了包括高温高压物理、红外物理和真空技术、原子分子物理、激光光谱学等研究室和近60人的研究机构，成为国家原子与分子研究和人才培养的基地。1981年，国家设立学位制度，吉林大学原子与分子物理研究所开始招收硕士、博士学位研究生，3年内培养了16名原子与分子物理学研究生，为原子与分子物理及物理力学的发展打下了坚实基础。1982年末，根据当时科技形势发展的需要，芶清泉在四川大学创建了高温高压与原子分子科学研究所。这两个研究所后来成为国家原子与分子物理重点学科和研究基地，在学科建设和人才培养上，发挥了很大作用。

1982年6月1日，芶清泉在北京主持召开了全国第一届原子与分子物理学术交流会，来自全国41所高等院校与科研单位的84位代表参会，美国匹兹堡大学的Pratt教授应邀参加了会议。会上宣读了原子与分子物理学实验论文40篇，原子与分子物理学理论论文19篇，芶清泉做了“满电子与氦原子弹性碰撞的散射截面计算”的报告，会议选举成立了原子与分子物理专业委员会，推选张志三为主任委员，芶清泉为副主任委员，标志着原子与分子物理学有组织发展的新阶段。1984年，全国第二届原子与分子物理学术会议在上海召开，会议改选了专业委员会，芶清泉任中国物理学会原子与分子物理专业委员会主任。为反映我国原子与分子物理及其应用方面的科学研究成果，促进原子与分子研究方面的学术交流，芶清泉建议由中国物理学会原子与分子物理专业委员会、四川省物理学会和四川大学联合创办《原子与分子物理学报》期刊，发表原子与分子物理学者们的优秀论文，至今已发展为该领域内中国乃至东南亚唯一的专业性期刊。钱学森看到《原子与分子物理学报》的创刊号后，提倡发展应用原子与分子物理研究，建议建立“原子与分子工程”。1985年8月21至25日，中日原子与分子物理学术讨论会在成都科技大学召开，芶清泉担任中方主席，日方主席为高柳和夫，参会学者50余人，报告论文33篇。这次会议促进了我国原子与分子物理学学术队伍的发展与学术研究的交流，也促进了中日两国原子分子领域的广泛交流。至今，原子与分子物理学术会议已经召开了17届，原子与分子物理学研究队伍迅速壮大，原子与分子物理学科发展步入到有组织、建制化快速发展的时期。

原子与分子物理学在中国的发展经历了解放前的从无到有，20世纪50年代至70年代从有到独立分支学科的建立，80年代进入快速、有组织、建制化发展的新阶段，而每个阶段的发展都与物理学家芶清泉的规划、组织、倡导和引领紧密相关。

3　结语

芶清泉在半个世纪的教学与科研中，为学生讲授了分子物理学、原子物理、量子力学、固体物理、磁性理论等课程，编著了《原子物理学》和《固体物理简明教程》，发表了原子与分子物理、高压物理等论文百余篇，为国家培养了约300名硕士、150名博士研究生（其中5人是院士）。虽然他由于年龄的原因没有院士的头衔，但他的研究与教育成果却相当于多个院士的工作，他提出的从原子分子相互作用出发研究高温高压下物质结构、状态及其变化规律的学术思想，为物理力学与原子分子物理学科的发展指明了方向，其在促进原子与分子学科发展方面功勋卓著，对原子与分子物理研究基地、原子与分子物理学报建设以及原子与分子物理学学术交流、原子与分子物理学科研究队伍的稳定与壮大做出了重要贡献。

［1］中国科学家辞典编委会.中国科学家传略辞典［M］.济南：山东科学技术出版社，1983：676-679.

［2］芶清泉.我国的原子与分子物理学大师——吴大猷教授［J］.原子与分子物理学报，1987，4（2）：391-392.

［3］中国科学技术力学卷编纂委员会.中国科学技术专家传略·工程技术编·力学卷［M］.北京:中国科学技术出版社，1993：317-327.

［4］芶清泉.对南京大学物理系的怀念［J］.物理，1994，20（10）：635-636.

［5］芶清泉，吴大猷.Hylleraasian wave function of 2s2 1S of helium［J］.中国物理快报（外文），1945，6（1）：50.

［6］斯莱特J·C.原子结构的量子理论［M］.杨朝潢，译.上海：上海科学技术出版社，1981.

［7］芶清泉.以电子碰撞原子产生双K电子离化的量子力学几率［J］.中国科学社论文专刊（外文），1947（9）：1.

［8］PAULING L.Nature of the interatomic forces in metals［J］. Phys Rev，1938，54：899-904.

［9］芶清泉论文选集编委会.芶清泉论文选集［M］.北京：科学出版社，1992.

［10］芶清泉，黄树勋.原子结构的变分计算［M］.成都:成都科技大学出版社，1989.

［11］芶清泉论文选集续集编委会.芶清泉论文选集（续集）［M］.北京：科学出版社，2011.

［12］芶清泉.含硼黑金刚石的结构与合成机理极其特殊性能的探讨［J］.吉林大学学报：自然科学版，1978（2）：35-42.

［13］芶清泉.人造金刚石聚晶的粘结机理［J］.人造金刚石与砂轮，1979（1）：1-7.

［14］芶清泉.人造金刚石［M］.长春:吉林科学出版社，1975.

［15］芶清泉.金属氢的高压合成机理［J］.高压物理学报，1987 （1）：3-6.

［16］芶清泉.我国原子与分子物理的发展［J］.物理，1992，18 （10）：593-599.

［17］芶清泉.物理力学的发展与展望［J］.力学进展，1991，21 （1）：1-5.

The Contribution of the Gou Qingquan in the Atomic and Molecular Physics

BAI Xiuying
（College of Physics and Electrical Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714099，Shaanxi，China）

Gou Qingquan began the study of atomic and molecular physics under the tutelage of Wu Dayou in the 1940s.For half a century，he systematically researched the structure of atoms and molecules，atoms and photons interaction and atom collision.He was among the first to study the synthetic diamond combination mechanism，proposed the mechanism of cold nuclear fusion，and won internationally leading achievements in theoretical physics research of the atoms and molecules.He led and planned the development of the atomic and molecular physics，presided over the convening of the first national atomic and molecular physics academic exchanges，set up China's first atomic and molecular physics research institute，created the periodical Journal of Atomic and Molecular Physics in China，making pioneering contributions for atomic and molecular physics in China in terms of organizational development.

Gou Qingquan；atomic and molecular physics；discipline development

N09；K826.11

A

1672-2914（2015）04-0022-05

2015-05-20

陕西省教育厅科研计划项目（14JK1254）；渭南师范学院人才基金项目（15ZRRC01）；渭南师范学院特色学科建设项目（14TSXK06）。

白秀英（1970-），女，陕西大荔县人，渭南师范学院物理与电气工程学院副教授，博士，研究方向为物理学史与科学传播史。