Атамная фізіка

Атамная фізіка — раздзел фізікі, які вывучае будову і станы атамаў. Узнікла ў канцы XIX — пачатку ХХ ст. У выніку эксперыментаў вызначаўшых, што атам уяўляе сістэму з дадатна зараджанага ядра і адмоўна зараджаных электронаў. Вялікі штуршок у развіцці атамнай фізікі далі вопыты Рэзерфорда па рассейванні α-часціц.

Агульныя звесткі

Атамная фізіка — раздзел фізікі, які вывучае будову і ўласцівасці атамаў, іонаў і электронных канфігурацый, а так сама элементарных працэсаў, у якіх яны удзельнічаюць. Атамная фізіка карыстаецца лінейнымі памерамі каля ×10⁻⁸ см і энергіямі каля 1 эВ. Асноўнай мэтай атамнай фізікі з’яўляецца вызначэнне ўсіх магчымых станаў атама. Асноўныя раздзелы атамнай фізікі: тэорыя атама, атамная спектралогія, рэнтгенаспектральны аналіз, радыёспектраскапія, фізіка атамных сутыкненняў.

У аснове сучаснай атамнай фізікі знаходзіцца квантава-механічная тэорыя, якая апісвае фізічныя з’явы на атамна-малекулярным узроўні. Атамная фізіка разглядае атам як сістэму з дадатна зараджаным ядром і адмоўна зараджанымі электронамі.

Ізаляваныя атамы

Атамная фізіка ў першую чаргу разглядае атамы ў ізаляцыі. Атамныя мадэлі будуць складацца з аднаго ядра, якое можа быць акружана адным ці некалькімі звязанымі электронамі. Ён не звязаны з утварэннем малекул (хоць вялікая частка фізікі ідэнтычная) і не разглядае атамы ў цвёрдым стане як кандэнсаваныя рэчывы. Ён звязаны з такімі працэсамі, як іанізацыя і ўзбуджэнне фатонамі або сутыкненні з атамнымі часціцамі.

Хоць мадэляванне атамаў паасобку можа здацца нерэалістычным, калі разглядаць атамы ў газе або плазме, то часовыя рамкі для ўзаемадзеяння атама з атамам велізарныя ў параўнанні з атамнымі працэсамі, якія звычайна разглядаюцца. Гэта азначае, што з асобнымі атамамі можна звяртацца так, як калі б кожны быў ізаляваны, як і пераважная большасць часу.

Электронная канфігурацыя

Электроны ўтвараюць ўмоўныя абалонкі вакол ядра. Звычайна яны знаходзяцца ў асноўным стане, але могуць быць распачаты паглынаннем энергіі з святла (фатонаў), магнітнымі палямі або ўзаемадзеяннем з часціцай, з якой яны сутыкаюцца (звычайна іоны або іншыя электроны).

Кажуць, што электроны, якія запаўняюць абалонку, знаходзяцца ў звязаным стане. Энергія, неабходная для выдалення электрона з яго абалонкі (якая нясе яго ў бясконцасць) называецца энергіяй сувязі. Любая колькасць энергіі, паглынутая электронам больш гэтай колькасці, пераўтвараецца ў кінетычную энергію ў адпаведнасці з захаваннем энергіі. У такім выпадку кажуць, што атам падвергнуўся працэсу іанізацыі.

Калі электрон паглынае колькасць энергіі, меншую, чым энергія сувязі, ён пераходзіць ва ўзбуджаны стан. Праз некаторы час электрон ва ўзбуджаным стане «скокне» (пяройдзе) у больш нізкі стан. У нейтральным атаме сістэма будзе вылучаць фатон з-за рознасці энергій, бо энергія захоўваецца.

Гісторыя

Ідэя пра існаванне драбнейшых непадзельных часціц — атамаў, упершыню была сфармулявана старажытнагрэчаскімі філосафамі: Леўкіпам, Дэмакрытам і Эпікурам. У XVII ст. гэта ідэя была развіта ў працах французскіх філосафаў П’ера Гасендзі і Рэнэ Дэкарта, а таксама англійскага хіміка Роберта Бойля. Атамізм гэтага перыяду меў абстрактны характар прадстаўлення аб атамах, як аб пастаянных часціцах з рознымі памерамі і формамі, якія так сама не маюць фізічных і хімічных уласцівасцей.

Паскоранае развіццё хіміі ў канцы XVIII — пачатку XIX ст. прывяло да перагляду некаторых аспектаў атамістычнага вучэння. Англійскі вучоны Джон Дальтан зрабіў здагадку пра тое, што атам гэта драбнейшая часціца хімічнага элемента і атамы розных хімічных элементаў маюць розную масу, якая з’яўляецца асноўнай характарыстыкай атама. Працы італьянскіх навукоўцаў Амедэа Авагадра і Станіслаа Каніцара ​​вызначылі строгія размежавання паміж атамам і малекулай. У XIX ст. таксама былі адкрыты аптычныя ўласцівасці атамаў, нямецкімі фізікамі Густавам Кірхгофам і Робертам Вільгельмам Бунзенам быў пакладзены пачатак спектральнага аналізу. У 1869 годзе Дзмітрый Іванавіч Мендзялееў адкрыў перыядычны закон хімічных элементаў.

Найважнейшымі вехамі ў гісторыі атамнай фізікі былі адкрыццё электрона ў 1897 годзе англійскім фізікам Джозефам Джонам Томсанам і радыеактыўнага распаду французскімі навукоўцамі М. Складоўскай-Кюры і П. Кюры, яны змянілі ўяўленне пра атам як пра сістэму ўзаемадзейных зараджаных часціц, паводле тэорыі галандскага фізіка Х. Лорэнца. На падставе гэтых даследаванняў, Томсан прапанаваў ў 1903 годзе мадэль атама ў выглядзе сферы з дадатным зарадам, з украпінамі невялікіх па памеры часціц з адмоўным зарадам — ​электронаў, якія трымаюцца ў атаме за кошт роўнасці сілы прыцягнення дадатнага зарада сілам ўзаемнага адштурхвання электронаў. Далейшыя вывучэння радыеактыўнасці Ф. Содзі прывялі да адкрыцця ізатопаў, тым самым разбурыўшы навуковыя ўяўленні аб абсалютнай ідэнтычнасці ўсіх атамаў аднаго хімічнага элемента. Важную ролю адыграла таксама даследаванне А. Р. Сталетавым фотаэфекту і далейшае тлумачэнне гэтай з’явы А. Эйнштэйнам.

Мадэль Томсана была аспрэчана ў 1909 годзе яго вучнемЭ. Рэзерфордам, які прапанаваўпланетарную мадэль атама, са змешчаным ў цэнтры масіўным дадатным шчыльным ядром, вакол якога, як планеты вакол Сонца, лётаюць электроны, колькасць якіх у нейтральна зараджаным атаме такая, каб іх сумарны адмоўны зарад кампенсаваў дадатны зарад ядра. Г. Мозлі высветліў, што зарад ядра павялічваецца ад аднаго хімічнага элемента да наступнага на адну элементарную адзінку зарада, роўную зараду электрона, але з процілеглым знакам, а колькасна зарад атамнага ядра, у адзінках элементарнага зарада, роўны парадкаваму нумары элемента ў перыядычнай сістэме.

Планетарная мадэль атама мела шэраг недахопаў, з якіх самы значны быў звязаны з тэарэтычна дакладнай стратай энергіі электрона: за таго, што электрон верціцца вакол атама, то на яго дзейнічае цэнтраімклівае паскарэнне, а паводле формулы Лармора кожная зараджаная часціца, якая рухаецца з паскарэннем, выпраменьвае энергію. Калі электрон губляе энергію, то ўрэшце ён мусіць зваліцца наядро, чаго на праўдзе не адбываецца. Удакладненне мадэлі атама стала магчымым толькі з пазіцыі цалкам новых уяўленняў аб атаме, адкрытых нямецкім фізікам М. Планкам, які ўводзіць у навуку паняцці квантаў. У 1905 годзе А. Эйнштэйн прапанаваў квантавае тлумачэнне з’явы фотаэфекту, вызначыўшы квант святла як адмысловую часціцу, пазней названую фатонам. У 1913 годзе Н. Бор выказаў думку, што электрон можа вярцецца не адвольна, а на строга вызначаных арбітах, не змяняючы сваёй энергіі які заўгодна працяглы час. Пераход з арбіты на арбіту патрабуе пэўнай энергіі — кванта энергіі.

Мадэль атама Бора атрымала эксперыментальнае пацверджанне ў вопытах нямецкіх фізікаў Дж. Франка і Г. Герца. Тэорыя атамных спектраў атрымала далейшае развіццё ў працах нямецкага фізіка А. Зомерфельда, які прапанаваў больш складаныя эліптычныя арбіты электронаў у атаме. Квантавая тэорыя атама растлумачыла структуру характарыстычных спектраўрэнтгенаўскага выпраменьвання і перыядычнасць хімічных уласцівасцяў атамаў. Аднак з далейшым развіццём атамнай фізікі квантавая мадэль атама перастала адпавядаць узроўню ўяўленняў пра атам. Французскім фізікам Л. дэ Бройлем была выказана здагадка аб дваістай прыродзе руху мікрааб’ектаў, у прыватнасці электрона. Гэтая тэорыя паслужыла адпраўным пунктам стварэння квантавай механікі, у працах нямецкіх фізікаў В. Гейзенберга і М. Борна, аўстрыйскага фізіка Э. Шродзінгера і англійскага фізіка П. Дзірака; і створанай на яе аснове сучаснай квантава-механічнай тэорыі атама.