Fizyka atomowa - Atomic physics

Fizyka atomowa to dziedzina fizyki, która bada atomy jako izolowany układ elektronów i jądra atomowego . Zajmuje się przede wszystkim rozmieszczeniem elektronów wokół jądra i procesami, dzięki którym te rozmieszczenia się zmieniają. Obejmuje to jony , atomy obojętne i, o ile nie zaznaczono inaczej, można założyć, że termin atom obejmuje jony.

Termin fizyka atomowa może być związany z energią jądrową i bronią jądrową , ze względu na synonimiczne użycie atomu i atomu w standardowym języku angielskim . Fizycy rozróżniają fizykę atomową, która zajmuje się atomem jako układem składającym się z jądra i elektronów, oraz fizykę jądrową , która bada reakcje jądrowe i specjalne właściwości jąder atomowych .

Podobnie jak w przypadku wielu dziedzin naukowych, ścisłe nakreślenie może być wysoce wymyślne, a fizyka atomowa jest często rozważana w szerszym kontekście fizyki atomowej, molekularnej i optycznej . Grupy badawcze fizyki są zwykle tak klasyfikowane.

Izolowane atomy

Fizyka atomowa rozpatruje przede wszystkim atomy w izolacji. Modele atomowe będą składać się z pojedynczego jądra, które może być otoczone przez jeden lub więcej związanych elektronów. Nie zajmuje się tworzeniem cząsteczek (chociaż wiele elementów fizycznych jest identycznych), ani nie bada atomów w stanie stałym jako materii skondensowanej . Dotyczy procesów takich jak jonizacja i wzbudzanie fotonami czy zderzenia z cząsteczkami atomowymi.

Chociaż modelowanie atomów w izolacji może nie wydawać się realistyczne, jeśli weźmie się pod uwagę atomy w gazie lub plazmie, to skala czasowa interakcji atom-atom jest ogromna w porównaniu do powszechnie rozważanych procesów atomowych. Oznacza to, że poszczególne atomy można traktować tak, jakby każdy z nich znajdował się w izolacji, tak jak w zdecydowanej większości przypadków. Z tego względu fizyka atomowa dostarcza podstaw teorii w fizyce plazmy i fizyce atmosfery , chociaż obie dotyczą bardzo dużej liczby atomów.

Elektroniczna Konfiguracja

Elektrony tworzą hipotetyczne powłoki wokół jądra. Są one zwykle w stanie podstawowym, ale mogą być wzbudzane przez absorpcję energii światła ( fotonów ), pól magnetycznych lub interakcję ze zderzającą się cząsteczką (zazwyczaj jony lub inne elektrony).

W modelu Bohra pokazano przejście elektronu o n=3 do powłoki n=2, gdzie emitowany jest foton. Elektron z powłoki (n=2) musiał zostać wcześniej usunięty przez jonizację

Mówi się, że elektrony, które wypełniają powłokę, są w stanie związanym . Energia niezbędna do usunięcia elektronu z jego powłoki (doprowadzenia go do nieskończoności) nazywana jest energią wiązania . Każda ilość energii pochłonięta przez elektron przekraczająca tę ilość jest zamieniana na energię kinetyczną zgodnie z zasadą zachowania energii . Mówi się, że atom przeszedł proces jonizacji .

Jeśli elektron pochłonie ilość energii mniejszą niż energia wiązania, zostanie przeniesiony do stanu wzbudzonego . Po pewnym czasie elektron w stanie wzbudzonym „przeskoczy” (ulegnie przejściu) do stanu niższego. W neutralnym atomie system wyemituje foton o różnicy energii, ponieważ energia jest zachowana.

Jeśli wewnętrzny elektron pochłonął więcej niż energia wiązania (tak, że atom jonizuje), to bardziej zewnętrzny elektron może przejść przejście, aby wypełnić wewnętrzny orbital. W takim przypadku emitowany jest widzialny foton lub charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie lub może wystąpić zjawisko znane jako efekt Augera , w którym uwolniona energia jest przenoszona na inny związany elektron, powodując jego przejście w kontinuum. Efekt Augera pozwala na zjonizowanie atomu jednym fotonem.

Istnieją dość ścisłe reguły wyboru konfiguracji elektronicznych, które można osiągnąć przez wzbudzenie światłem — jednak nie ma takich reguł dla wzbudzania przez procesy kolizyjne.

Historia i rozwój

Jednym z najwcześniejszych kroków w kierunku fizyki atomowej było uznanie, że materia składa się z atomów . Stanowi ona część tekstów pisanych od VI wpne do II wpne, takich jak teksty Demokryta czy Sutry Vaisheshika autorstwa Kanada . Teoria ta została później rozwinięta we współczesnym znaczeniu podstawowej jednostki pierwiastka chemicznego przez brytyjskiego chemika i fizyka Johna Daltona w XVIII wieku. Na tym etapie nie było jasne, jakie są atomy, chociaż można je było opisać i sklasyfikować na podstawie ich właściwości (w masie). Kolejnym wielkim krokiem naprzód było wynalezienie przez Mendelejewa układu okresowego pierwiastków .

Prawdziwy początek fizyki atomowej wyznacza odkrycie linii widmowych i próby opisania tego zjawiska, w szczególności Josepha von Fraunhofera . Badanie tych linii doprowadziło do powstania modelu atomu Bohra i narodzin mechaniki kwantowej . Próbując wyjaśnić widma atomowe, odkryto całkowicie nowy matematyczny model materii. Jeśli chodzi o atomy i ich powłoki elektronowe, nie tylko dało to lepszy ogólny opis, tj. model orbity atomowej , ale także dostarczyło nowych podstaw teoretycznych dla chemii ( chemia kwantowa ) i spektroskopii .

Od II wojny światowej zarówno dziedziny teoretyczne, jak i eksperymentalne rozwijały się w szybkim tempie. Można to przypisać postępowi w technologii komputerowej, który umożliwił tworzenie większych i bardziej wyrafinowanych modeli struktury atomowej i powiązanych procesów kolizyjnych. Podobne postępy technologiczne w zakresie akceleratorów, detektorów, generowania pola magnetycznego i laserów znacznie pomogły w pracach eksperymentalnych.

Znaczący fizycy atomowi

Przed mechaniką kwantową

Po mechanice kwantowej

Zobacz też

Bibliografia

Bransdena, BH; Joachain, CJ (2002). Fizyka atomów i cząsteczek (wyd. 2). Sala Prezydencka. Numer ISBN 978-0-582-35692-4.
Stopa, CJ (2004). Fizyka atomowa . Oxford University Press. Numer ISBN 978-0-19-850696-6.
Herzberg, Gerhard (1979) [1945]. Widma atomowe i struktura atomowa . Nowy Jork: Dover. Numer ISBN 978-0-486-60115-1.
Condon, UE i Shortley, GH (1935). Teoria widm atomowych . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 978-0-521-09209-8.
Cowan, Robert D. (1981). Teoria Struktury Atomowej i Widm . Wydawnictwo Uniwersytetu Kalifornijskiego. Numer ISBN 978-0-520-03821-9.
Lindgren, I. i Morrison, J. (1986). Atomowa teoria wielu ciał (wyd. drugie). Springer-Verlag. Numer ISBN 978-0-387-16649-0.

Languages

In other projects