現(xiàn)代原子物理學(xué)的基本理論主要是由德布羅意、海森伯、薛定諤、狄里克萊等所創(chuàng)建的量子力學(xué)和量子電動力學(xué)。它們與經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動力學(xué)的主要區(qū)別是:物理量所能取的數(shù)值是不連續(xù)的;它們所反映的規(guī)律不是確定性的規(guī)律,而是統(tǒng)計規(guī)律。
應(yīng)用量子力學(xué)和量子電動力學(xué)研究原子結(jié)構(gòu)、原子光譜、原子發(fā)射、吸收、散射光的過程,以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉(zhuǎn)化過程非常成功,理論結(jié)果同最精密的實驗結(jié)果相符合。
微觀客體的一個基本性質(zhì)是波粒二象性。粒子和波是人在宏觀世界的實踐中形成的概念,它們各自描述了迥然不同的客體。但從宏觀世界實踐中形成的概念未必恰巧適合于描述微觀世界的現(xiàn)象。
現(xiàn)在看來,需要粒子和波動兩種概念互相補充,才能全面地反映微觀客體在各種不同的條件下所表現(xiàn)的性質(zhì)。這一基本特點的另一種表現(xiàn)方式是海森伯的測不準(zhǔn)原理:不可能同時測準(zhǔn)一個粒子的位置和動量,位置測得愈準(zhǔn),動量必然測得愈不準(zhǔn);動量測得愈準(zhǔn),位置必須測得愈不準(zhǔn)。
量子力學(xué)和量子電動力學(xué)產(chǎn)生于原子物理學(xué)的研究,但是它們起作用的范圍遠遠超出了原子物理學(xué)。量子力學(xué)是所有微觀、低速現(xiàn)象所遵循的規(guī)律,因此不僅應(yīng)用于原子物理學(xué),也應(yīng)用于分子物理學(xué)、原子核物理學(xué)以及宏觀物體的微觀結(jié)構(gòu)的研究。量子電動力學(xué)則是所有微觀電磁現(xiàn)象所必須遵循的規(guī)律。直到現(xiàn)在,還沒有發(fā)現(xiàn)量子電動力學(xué)的局限性。
物體有內(nèi)部運動,因此就有內(nèi)部能量。19世紀(jì)的系統(tǒng)實驗研究證明:熱是物體內(nèi)部無序運動的表現(xiàn),稱為內(nèi)能,以前稱作熱能。19世紀(jì)中期,焦耳等人用實驗確定了熱量和功之間的定量關(guān)系,從而建立了熱力學(xué)第一定律:宏觀機械運動的能量與內(nèi)能可以互相轉(zhuǎn)化。就一個孤立的物理系統(tǒng)來說,不論能量形式怎樣相互轉(zhuǎn)化,總的能量的數(shù)值是不變的。因此熱力學(xué)第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的一種表現(xiàn)。
克勞修斯等科學(xué)家提出了熱力學(xué)第二定律,表達了宏觀非平衡過程的不可逆性。例如:一個孤立的物體,其內(nèi)部各處的溫度不盡相同,那么熱就從溫度較高的地方流向溫度較低的地方,最后達到各處溫度都相同的狀態(tài),也就是熱平衡的狀態(tài)。相反的過程是不可能的,即這個孤立的、內(nèi)部各處溫度都相等的物體,不可能自動回到各處溫度不相同的狀態(tài)。應(yīng)用熵的概念,還可以把熱力學(xué)第二定律表達為:一個孤立的物理系統(tǒng)的熵不會隨著時間的流逝而減少,只能增加或保持不變。當(dāng)熵達到最大值時,物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。