Fizyka atomowa

Izolowane atomy

Fizyka atomowa zawsze rozważa atomy w izolacji. Modele atomowe składają się z pojedynczego jądra, które może być otoczone przez jeden lub więcej związanych elektronów. Nie zajmuje się ona tworzeniem cząsteczek (choć wiele z fizyki jest identyczne), ani nie bada atomów w stanie stałym jako materii skondensowanej. Zajmuje się procesami takimi jak jonizacja i wzbudzanie przez fotony lub zderzenia z cząstkami atomowymi.

Podczas gdy modelowanie atomów w izolacji może nie wydawać się realistyczne, jeśli rozważamy atomy w gazie lub plazmie, wtedy skale czasowe dla oddziaływań atom-atom są ogromne w porównaniu do procesów atomowych, które są zazwyczaj rozważane. Oznacza to, że poszczególne atomy mogą być traktowane tak, jakby każdy z nich był w izolacji, tak jak w większości przypadków jest w rzeczywistości. Dzięki temu fizyka atomowa stanowi podstawę teorii w fizyce plazmy i fizyce atmosfery, mimo że obie te dziedziny zajmują się bardzo dużą liczbą atomów.

Konfiguracja elektronowa

Elektrony tworzą pojęciowe powłoki wokół jądra. Są one naturalnie w stanie podstawowym, ale mogą być wzbudzone przez absorpcję energii ze światła (fotonów), pola magnetycznego lub oddziaływania ze zderzającą się cząstką (zwykle innymi elektronami).

Mówi się, że elektrony, które zamieszkują powłokę są w stanie związanym. Energia konieczna do usunięcia elektronu z jego powłoki (doprowadzenie go do nieskończoności) nazywana jest energią wiązania. Każda ilość energii zaabsorbowana przez elektron, przekraczająca tę ilość, jest zamieniana na energię kinetyczną zgodnie z zasadą zachowania energii. Mówi się, że atom został poddany procesowi jonizacji.

W przypadku, gdy elektron zaabsorbuje ilość energii mniejszą niż energia wiązania, przejdzie do stanu wzbudzonego. Po upływie statystycznie wystarczającej ilości czasu, elektron w stanie wzbudzonym przejdzie do niższego stanu. Zmiana energii pomiędzy tymi dwoma poziomami energetycznymi musi być uwzględniona (zachowanie energii). W neutralnym atomie, układ wyemituje foton o różnicy energii. Jeżeli jednak wzbudzony atom został wcześniej zjonizowany, w szczególności jeżeli jeden z elektronów powłoki wewnętrznej został usunięty, może zajść zjawisko zwane efektem Augera, polegające na przeniesieniu ilości energii na jeden ze związanych elektronów, powodując jego przejście do kontinuum. Pozwala to na wielokrotną jonizację atomu za pomocą jednego fotonu.

Istnieją raczej ścisłe reguły wyboru konfiguracji elektronowych, które można osiągnąć poprzez wzbudzenie światłem - nie ma jednak takich reguł dla wzbudzeń w procesach zderzeniowych.

Historia i rozwój

Większość dziedzin fizyki można podzielić na prace teoretyczne i prace eksperymentalne, a fizyka atomowa nie jest tu wyjątkiem. Zazwyczaj jest tak, choć nie zawsze, że postęp przebiega naprzemiennie od obserwacji eksperymentalnej, poprzez teoretyczne wyjaśnienie, po którym następują pewne przewidywania, które mogą, ale nie muszą być potwierdzone eksperymentalnie, i tak dalej. Oczywiście aktualny stan techniki w danym momencie może ograniczać możliwości eksperymentalne i teoretyczne, więc dopracowanie teorii może zająć sporo czasu.

Jednym z najwcześniejszych kroków w kierunku fizyki atomowej było uznanie, że materia składa się z atomów, we współczesnym rozumieniu podstawowej jednostki pierwiastka chemicznego. Teoria ta została opracowana przez brytyjskiego chemika i fizyka Johna Daltona w XVIII wieku. Na tym etapie nie było jasne, czym są atomy, chociaż można je było opisać i sklasyfikować na podstawie ich właściwości (w masie) w układzie okresowym.

Prawdziwy początek fizyki atomowej wyznacza odkrycie linii spektralnych i próby opisania tego zjawiska, podjęte przede wszystkim przez Josepha von Fraunhofera. Badania tych linii doprowadziły do powstania modelu atomu Bohra i do narodzin mechaniki kwantowej. W poszukiwaniu wyjaśnienia widm atomowych odkryto zupełnie nowy matematyczny model materii. W odniesieniu do atomów i ich powłok elektronowych, nie tylko przyniósł on lepszy ogólny opis, tj. model orbitali atomowych, ale także dostarczył nowych teoretycznych podstaw dla chemii (chemii kwantowej) i spektroskopii.

Od czasu drugiej wojny światowej, zarówno teoretyczne jak i eksperymentalne dziedziny nauki rozwinęły się w szybkim tempie. Można to przypisać postępowi w technologii komputerowej, który umożliwił tworzenie większych i bardziej skomplikowanych modeli struktury atomowej i związanych z nią procesów zderzeniowych. Podobny postęp technologiczny w akceleratorach, detektorach, generowaniu pola magnetycznego i laserach znacznie ułatwił prace eksperymentalne.

Znaczący fizycy atomowi

Powiązane strony

• Fizyka cząstek elementarnych
• Przesunięcie izomeryczne