Атомная физика — это область физики , которая изучает атомы как изолированную систему электронов и атомного ядра . Атомная физика обычно относится к изучению атомной структуры и взаимодействия между атомами. [1] Она в первую очередь занимается тем, как электроны располагаются вокруг ядра , и процессами, посредством которых эти расположения изменяются. Сюда входят ионы , нейтральные атомы и, если не указано иное, можно предположить, что термин «атом» включает ионы.
Термин атомная физика может быть связан с ядерной энергетикой и ядерным оружием из-за синонимичного использования атомного и ядерного в стандартном английском языке . Физики различают атомную физику, которая имеет дело с атомом как системой, состоящей из ядра и электронов, и ядерную физику , которая изучает ядерные реакции и особые свойства атомных ядер.
Как и во многих научных областях, строгое разграничение может быть весьма надуманным, и атомная физика часто рассматривается в более широком контексте атомной, молекулярной и оптической физики . Группы физических исследований обычно классифицируются таким образом.
Атомная физика в первую очередь рассматривает атомы в изоляции. Атомные модели будут состоять из одного ядра, которое может быть окружено одним или несколькими связанными электронами. Она не занимается образованием молекул (хотя большая часть физики идентична), и не изучает атомы в твердом состоянии как конденсированное вещество . Она занимается такими процессами, как ионизация и возбуждение фотонами или столкновениями с атомными частицами.
Хотя моделирование атомов в изоляции может показаться нереалистичным, если рассматривать атомы в газе или плазме , то временные масштабы для атом-атомных взаимодействий огромны по сравнению с атомными процессами, которые обычно рассматриваются. Это означает, что отдельные атомы можно рассматривать так, как если бы каждый был изолирован, как это и есть большую часть времени. Согласно этому рассмотрению, атомная физика обеспечивает базовую теорию в физике плазмы и физике атмосферы , хотя обе имеют дело с очень большим количеством атомов.
Электроны образуют воображаемые оболочки вокруг ядра. Обычно они находятся в основном состоянии , но могут быть возбуждены поглощением энергии света ( фотонов ), магнитных полей или взаимодействием со сталкивающимися частицами (обычно ионами или другими электронами).
Электроны, заполняющие оболочку, называются находящимися в связанном состоянии . Энергия, необходимая для удаления электрона из оболочки (переноса его на бесконечность), называется энергией связи . Любое количество энергии, поглощенное электроном сверх этого количества, преобразуется в кинетическую энергию в соответствии с законом сохранения энергии . Говорят, что атом подвергся процессу ионизации.
Если электрон поглотит количество энергии, меньшее энергии связи, он перейдет в возбужденное состояние. Через определенное время электрон в возбужденном состоянии «прыгнет» (перейдет) в более низкое состояние. В нейтральном атоме система испустит фотон с разницей в энергии, поскольку энергия сохраняется.
Если внутренний электрон поглотил больше энергии связи (так что атом ионизируется), то более внешний электрон может совершить переход, чтобы заполнить внутреннюю орбиталь. В этом случае испускается видимый фотон или характерное рентгеновское излучение , или может иметь место явление, известное как эффект Оже , когда высвобожденная энергия передается другому связанному электрону, заставляя его перейти в континуум. Эффект Оже позволяет многократно ионизировать атом одним фотоном.
Существуют довольно строгие правила отбора в отношении электронных конфигураций, которые могут быть достигнуты при возбуждении светом, однако для возбуждения посредством процессов столкновений таких правил нет.
Одним из самых ранних шагов к атомной физике было признание того, что материя состоит из атомов . Это является частью текстов, написанных в 6 веке до н. э. - 2 веке до н. э., таких как тексты Демокрита или Вайшешика-сутры , написанной Канадой . Эта теория была позже развита в современном смысле базовой единицы химического элемента британским химиком и физиком Джоном Дальтоном в 18 веке. На этом этапе не было ясно, что такое атомы, хотя их можно было описать и классифицировать по их свойствам (в целом). Изобретение периодической системы элементов Дмитрием Менделеевым стало еще одним большим шагом вперед.
Истинное начало атомной физики отмечено открытием спектральных линий и попытками описать это явление, в первую очередь Йозефом фон Фраунгофером . Изучение этих линий привело к созданию модели атома Бора и рождению квантовой механики . В попытках объяснить атомные спектры была открыта совершенно новая математическая модель материи. Что касается атомов и их электронных оболочек, это не только дало лучшее общее описание, т. е. модель атомных орбиталей , но и предоставило новую теоретическую основу для химии ( квантовой химии ) и спектроскопии .
После Второй мировой войны как теоретические, так и экспериментальные области развивались быстрыми темпами. Это можно объяснить прогрессом в области вычислительной техники, который позволил создавать более крупные и сложные модели атомной структуры и связанных с ней процессов столкновений. Аналогичные технологические достижения в области ускорителей, детекторов, генерации магнитного поля и лазеров значительно помогли экспериментальной работе.
