Атомная физика

Изолированные атомы

В атомной физике атомы всегда рассматриваются изолированно. Атомные модели состоят из одного ядра, которое может быть окружено одним или несколькими связанными электронами. Она не занимается образованием молекул (хотя большая часть физики идентична) и не рассматривает атомы в твердом состоянии как конденсированную материю. Она рассматривает такие процессы, как ионизация и возбуждение фотонами или столкновениями с атомными частицами.

Хотя моделирование атомов в изоляции может показаться нереальным, если рассматривать атомы в газе или плазме, то временные масштабы взаимодействия между атомами огромны по сравнению с атомными процессами, которые обычно рассматриваются. Это означает, что с отдельными атомами можно обращаться так, как если бы каждый из них был изолирован, что в подавляющем большинстве случаев и происходит. Таким образом, атомная физика является основополагающей теорией физики плазмы и физики атмосферы, несмотря на то, что и та, и другая имеют дело с очень большим количеством атомов.

Электронная конфигурация

Электроны образуют условные оболочки вокруг ядра. Естественно, они находятся в основном состоянии, но могут быть возбуждены путем поглощения энергии света (фотонов), магнитных полей или взаимодействия со сталкивающимися частицами (обычно другими электронами).

Считается, что электроны, населяющие оболочку, находятся в связанном состоянии. Энергия, необходимая для удаления электрона из его оболочки (уводящая его в бесконечность), называется энергией связи. Любое количество энергии, поглощенное электроном сверх этой величины, преобразуется в кинетическую энергию в соответствии с принципом сохранения энергии. Считается, что атом прошел процесс ионизации.

Если электрон поглощает количество энергии, меньшее, чем энергия связи, он переходит в возбужденное состояние. Через статистически достаточное количество времени электрон, находящийся в возбужденном состоянии, перейдет в более низкое состояние. Изменение энергии между двумя энергетическими уровнями должно быть учтено (сохранение энергии). В нейтральном атоме система испустит фотон с разницей в энергии. Однако если возбужденный атом был ранее ионизирован, в частности, если один из его электронов внутренней оболочки был удален, может произойти явление, известное как эффект Оже, при котором количество энергии передается одному из связанных электронов, заставляя его перейти в континуум. Это позволяет многократно ионизировать атом с помощью одного фотона.

Существуют довольно строгие правила отбора электронных конфигураций, которые могут быть достигнуты при возбуждении светом, однако таких правил нет для возбуждения при столкновениях.

История и развитие

Большинство областей физики можно разделить на теоретическую и экспериментальную, и атомная физика не является исключением. Обычно, но не всегда, прогресс идет чередующимися циклами от экспериментального наблюдения к теоретическому объяснению, за которым следуют некоторые предсказания, которые могут быть или не быть подтверждены экспериментом, и так далее. Конечно, текущее состояние технологии в любой момент времени может накладывать ограничения на то, что может быть достигнуто экспериментально и теоретически, поэтому может потребоваться значительное время для уточнения теории.

Одним из самых ранних шагов на пути к атомной физике было признание того, что материя состоит из атомов, в современном понимании основной единицы химического элемента. Эта теория была разработана британским химиком и физиком Джоном Дальтоном в 18 веке. На этом этапе было неясно, что такое атомы, хотя их можно было описать и классифицировать по их свойствам (в объемном виде) в периодической таблице.

Подлинное начало атомной физики отмечено открытием спектральных линий и попытками описать это явление, прежде всего, Йозефом фон Фраунгофером. Изучение этих линий привело к модели атома Бора и рождению квантовой механики. В поисках объяснения атомных спектров была открыта совершенно новая математическая модель материи. Что касается атомов и их электронных оболочек, то это не только дало лучшее общее описание, т.е. модель атомных орбиталей, но и обеспечило новую теоретическую основу для химии (квантовой химии) и спектроскопии.

После Второй мировой войны теоретическая и экспериментальная области развивались быстрыми темпами. Это можно объяснить прогрессом в вычислительной технике, который позволил создавать более крупные и сложные модели атомной структуры и связанных с ней процессов столкновения. Аналогичные технологические достижения в области ускорителей, детекторов, генерации магнитного поля и лазеров значительно облегчили экспериментальную работу.

Значительные физики-атомщики

Похожие страницы

• Физика частиц
• Изомерный сдвиг