Атомна физика

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

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.

Развития

Атомната физика е наука, която изучава свойствата на поведението на атомите.

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. Дж. 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 А. 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 Ъ. Ръдърфорд, един от най-големите учени експериментатори за своето време, си поставя задачата да изясни какво представляват лъчите на Бекерел. По тяхното отклонение в магнитното 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 бъдат радиоактивни; γ-лъчите съпровождат тези процеси.

Радиоактивният разпад показва, че атомът е делима частица. Английският учен Дж.Дж. Томсън предлага първия модел на атома, според който атомът представлява равномерно, положително натоварено кълбо, 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 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 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 планетният модел на атома, според който в центъра му се намира положително натоварено ядро, около което обикалят електроните като 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 Н. Бор успява да обясни устойчивостта на атома. Създадената от него теория показва, че за такива малки обекти, като атомите законите на класическа физика са неприложими. Към теорията за строежа на атома Бор прилага новата идея, изказана през 1900 г. от немския физик М. 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 лъчение то 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 основан цял отрасъл на науката – спектралният химичен анализ.

Теорията на Бор 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 квантова механика. Според съвременната квантова теория около атомното ядро съществува електронен облак, чиято плътност в дадено място от околоатомното пространство съответства на вероятността електронът да бъде намерен на това място. Квантовата механика дава напълно потвърдено от експеримента обяснение на структурата на електронната обвивка на атома, на електричните и магнитните му свойства.

Приложение

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

• Atomic Physics on the Internet
• JILA (Atomic Physics)
• ORNL Physics Division

• Портал „Физика“