Атомна физика

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Атомна физика е основен раздел на физиката, който се занимава с атомa като изолирана система. От главен интерес са свойствата на електроните и най-вече процесите в последния електронен слой. В ежедневието атомна и ядрена физика се използват като синоними, но ядрената физика се занимава с процесите в самото атомно ядро. Някои от подразделите на атомната физика са теория на атома, атомна спектроскопия, рентгенова спектроскопия, радиоспектроскопия и други.

Предмет на изучаване[редактиране | редактиране на кода]

Атомната физика разглежда атома като отделна система. Теоретичните модели най-често се състоят от едно атомно ядро и един или повече електрони. Атомната физика не се интересува от свойствата на атомите в твърдата материя или от техните колективни ефекти.

Свойствата на отделните атоми са най-силно изразени в плазмата или в газовете, особено в контекста на ултрастудените атомни газове и лазерното охлаждане. Обект на изучаване могат да бъдат също така и отделни йони, манипулирани чрез елетромагнитни полета и лазерна светлина.

История[редактиране | редактиране на кода]

Още през V-IV в. пр. н. е. древногръцките философии Левкип, Демокрит и Тит Лукреций Кар стигат до идеята, че материята се състои от отделни неделими частици, които Демокрит нарича атоми. В началото на XIX в. Джон Далтон разглежда научно атома като най-малката частица на веществото, която взема участие в химичните реакции.

Простите представи на Далтон са разколебани от великите открития в края на XIX в. – рентгеновите лъчи (1895) и естествената радиоактивност (1896). Допълнително опровержение на представата на неделимостта на атома идва и от опитите на Дж. Дж. Томсън през 1897 г., който показва, че атомите може да излъчват още по-малки по размер частици с отрицателен товар (по-късно те са наречени електрони). Става ясно, че атомът притежава вътрешна структура.

Особено голям интерес у учените предизвиква откритият от Анри Бекерел (1896) г. факт, че от солите на урана се излъчват някакви „тайнствени“ лъчи. Като изучават това явление, съпрузите Мария Склодовска-Кюри и Пиер Кюри откриват още един елемент – торий, а след него – още два със същите свойства – полоний и радий. Но най-интересно в техните изследвания е откритието, че радиоактивните вещества отделят топлина, при това без да променят видимо теглото си, т.е. някъде от недрата на материята се излъчва енергия, а самото вещество остава практически непроменено. Така е положено началото на съвременната атомна физика. Английският физик Ърнест Ръдърфорд, един от най-големите учени експериментатори за своето време, си поставя задачата да изясни какво представляват лъчите на Бекерел. По тяхното отклонение в магнитно поле той установява, че това са потоци от частици, които нарича с първите букви от гръцката азбука: α-, β- и γ-лъчи. Положително натоварените α-лъчи се оказват двойно йонизирани атоми на хелия, отрицателно натоварените β-лъчи – поток от много бързи електрони, а неотклоняващата се част от снопа – γ-кванти на електромагнитното лъчение. Основавайки се на натрупания експериментален материал през 1903 г. Ръдърфорд и сътрудниците му създават теорията на радиоактивния разпад – превръщането на радиоактивните елементи чрез излъчване на α- или β- частици в други елементи, които също може да са радиоактивни; γ-лъчите съпровождат тези процеси.

Радиоактивният разпад показва, че атомът е делима частица. Дж. Дж. Томсън предлага първия модел на атома, според който атомът представлява кълбо, равномерно натоварено с положителен заряд, вътре в което са разположени електроните, които неутрализират положителния товар. Електроните трептят с определени за дадения атом честоти, които определят линиите в спектъра му. Този модел обаче не може да обясни нито радиоактивността, нито разпределението на масата вътре в атома.

Решението на тези проблеми е намерено отново от Ръдърфорд, който обстрелва атоми със „снаряди“ от α-частици. Съвсем неочаквано се оказва, че α-частиците не се сблъскват с атомите, а преминават през тях, като само една от 8000 се отблъсква почти право назад, което може да бъде причинено само от едноименен заряд. Въз основа на тези резултати Ръдърфорд прави извода, че вътре в атома се намира положителен товар, който е свързан с масата му, и нарича тази част от атома ядро. Определен е дори размерът на ядрото, който се оказва 100 000 пъти по-малък от размера на атома. Товарът на ядрата съответства точно на поредния номер на елемента в периодичната таблица на Менделеев. Така се появява планетарният модел на атома (модел на Ръдърфорд), според който в центъра му се намира положително натоварено ядро, около което обикалят електроните както планетите около Слънцето. Методът обяснява много от натрупаните факти, но противоречи на добре известната на учените стабилност на атома: при движението си около ядрото електронът трябва да изпуска електромагнитно лъчение, вследствие на което след немного дълго време той би паднал върху ядрото, но нищо подобно не се наблюдава.

През 1913 г. датският физик Нилс Бор успява да обясни устойчивостта на атома. Създадената от него теория показва, че за такива малки обекти като атомите законите на класическата физика са неприложими. Към теорията за строежа на атома Бор прилага новата идея, изказана през 1900 г. от немския физик Макс Планк, за прекъснатостта на енергията на топлинното излъчване на нагрято абсолютно черно тяло. Датският теоретик предполага, че атомът може да пребивава в определени устойчиви състояния безкрайно дълго време. Енергията на електрона остава постоянна, докато той се движи по определена орбита, и се изменя само при прескачането му от една орбита на друга, като при това се излъчва квант енергия Е, равен на разликата между енергиите му на началната и крайната орбита. Честотата на лъчението ν се определя от съотношението на Планк: Е = h×ν, където h е константата на Планк. И тъй като атомът на всеки химичен елемент има свои, характерни само на него орбити на електроните, то излъчваното от всеки атом има разпределение на честотите, свойствено само за този атом. Така един атом може да се определи по честотите на излъчваното от него лъчение (т.е. по неговия спектър). На това е основана спектроскопията, която е основен метод в аналитичната химия.

Теорията на Бор обаче не отчита вълновите свойства на микрообектите, които са една от основните им характеристики. Съвременната теория за строежа и процесите в атомите е създадена едва след възникването на квантовата механика. Според съвременната квантова теория около атомното ядро съществува електронен облак, чиято плътност в дадено място около атома съответства на вероятността електронът да бъде намерен на това място. Квантовата механика дава обяснение на структурата на електронната обвивка на атома, на електричните и магнитните му свойства, напълно потвърдени от експеримента.

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

Атомната физика намира приложение в метрологията и точните измервания. Пример за това са атомните часовници, които се използват за световен стандарт за отчитане на време. Практика са също така измервания на фундаменталните физични константи в търсене на потвърждение на физични теории. Възможностите за контрол над атомите ги правят също така прекрасен инструмент за квантови симулации.

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]

  • Ельяшевич, М. А., Штейнман, Р. Я., глав. ред. Прохоров А.М. Атомная физика. // Большая советская энциклопедия. 3 изд. Т. 2, Ангола - Барзас. Москва, Издательство "Съветска енциклопедия", 1970. с. 398–402. Посетен на 24 March 2017.(на руски)