暗物质问题是当今粒子物理学、天体物理学、天文学、宇宙学中的重要研究课题之一。目前,越来越多的天文学证据表明宇宙中存在大量不发光的暗物质。因此,对暗物质进行直接探测,是意义重大且迫在眉睫的事。暗物质直接探测实验主要是通过收集暗物质粒子与探测器原子散射之后产生的电离、闪烁光、热信号等,来探测暗物质粒子。在探测实验中所采用的探测器处在原子环境中,存在各种各样的原子物理过程。在暗物质探测实验中,了解探测器中的原子物理过程起着至关重要的作用。原子物理过程不仅仅对暗物质探测实验的本底分析十分关键,它们还能开辟新的实验探测通道,来探测未知的暗物质粒子。因而,研究这些原子物理过程对暗物质直接探测实验的影响,十分必要。在这篇学位论文中,根据暗物质直接探测实验的需求,选取两个典型的原子物理过程进行研究,它们是原子康普顿散射过程以及微小电荷粒子对原子的电离过程。其中,原子康普顿散射是暗物质直接探测实验中重要的X射线和伽马射线本底,研究原子康普顿散射可以有助于分析暗物质探测实验的本底过程。微小电荷粒子是超越标准模型理论中预言出的一类亚原子新粒子,带有非常微小的电荷。微小电荷粒子对原子的电离过程,是实验上探测微小电荷粒子的通道,研究这一过程,可以有助于从实验上来寻找微小电荷粒子,并限制其物理参数。在原子康普顿散射的研究中,本文利用相对论冲量近似方法,研究了 Si、Ge、Ar、Xe等原子的康普顿散射过程,这些元素构成暗物质直接探测实验的探测器材料。本文计算并分析了原子康普顿散射的散射函数,并研究了康普顿散射过程的微分截面以及康普顿散射能谱。在计算中,为了考虑相对论效应的影响,本文用全相对论的Dirac-Fock理论以及多组态Dirac-Fock理论来得到原子的基态波函数。这些理论计算结果显示,对低能量转移或低动量转移的康普顿散射过程,原子多体效应对康普顿散射有较大影响。未来,我们将通过实验来验证这些理论计算结果。除此之外,在原子康普顿散射的研究中,本文还对相对论冲量近似的算法进行了改进,并与之前的相对论冲量近似标准算法进行了对比。利用改进的相对论冲量近似算法,可以从数值上对Roland Ribberfors等人的相对论冲量近似标准处理方法中采用的某些简化近似进行检验。理论计算结果显示:当末态光子能量靠近“康普顿峰”区域时,Roland Ribberfors等人采取的近似才是合理的;当末态光子能量远离“康普顿峰”时,Roland Ribberfors等人的某些近似不再成立。通过与散射矩阵方法的结果以及实验测量对比,表明在远离“康普顿峰”区域,改进的相对论冲量近似算法仍然不够精确。这是由冲量近似方法本身的局限所导致的:冲量近似中,量子多体效应仅仅表现在电子运动学上,在散射的动力学过程中考虑得不充分。未来,将开发更新的方法,对康普顿散射进行更深入的研究。在微小电荷粒子的研究中,本文成功地将计算原子康普顿散射的相对论冲量近似方法,应用于微小电荷粒子对原子电离过程中。本文推导了理论公式并进行数值计算,并将结果与自由电子近似、等效光子近似等方法进行了对比。具体地,本文计算了微小电荷粒子对Ge、Xe原子电离的微分截面,还对进入探测器中该反应的事例数进行了估计。根据对探测器中反应事例数的估算,可以预言:在未来的探测实验中,假定探测器能量阈值可以达到100 eV,探测器本底水平可以达到0.1 count/kg·keV·day,可以将暗物质粒子微小电荷的探测灵敏度提高到δχ～10-8量级,并将中微子微小电荷的探测灵敏度提高到δv～10-12量级。