Atomfizika

Atomfizika, az atom szerkezetének, energiaállapotainak, más részecskékkel, valamint az elektromos és mágneses mezőkkel való kölcsönhatásainak tudományos vizsgálata. Az atomfizika látványosan sikeresnek bizonyult a kvantummechanika alkalmazásában, amely a modern fizika egyik sarokköve.

Az a gondolat, hogy az anyag alapvető építőelemekből áll, az ókori görögökről származik, akik azt gondolják, hogy a föld, a levegő, a tűz és a víz képezheti azokat az alapelemeket, amelyekből a fizikai világ felépül. Különféle iskolákat fejlesztettek ki az anyag végső természetéről is. Talán a legfigyelemreméltóbb az atomista iskola, amelyet az ókori görögök, Miletus Leucippus és a Thrákia Demokratikus alapítottak, kb. Tisztán filozófiai okokból és a kísérleti bizonyítékok felhasználása nélkül kifejlesztették azt a felfogást, hogy az anyag oszthatatlan és elpusztíthatatlan atomokból áll. Az atomok szüntelenül mozognak a környező üregen keresztül és ütköznek egymással, mint a biliárdgolyók, hasonlóan a gázok modern kinetikai elméletéhez. Az atomok közötti üresség (vagy vákuum) szükségessége azonban olyan új kérdéseket vetett fel, amelyekre nem volt könnyű válaszolni. Ezért Arisztotelész és az athéni iskola elvette az atomista képet annak a gondolatnak a támogatására, hogy az anyag folyamatos. Az ötlet mindazonáltal fennmaradt, és 400 évvel később Lucretius római költő írásában, De rerum natura (A dolgok természete) című munkájában jelent meg újra.

Alig történt az a gondolat, hogy az apró részecskékből az anyag a 17. századig előmozdulhasson. Isaac Newton angol fizikus Principia Mathematica-ban (1687) azt javasolta, hogy Boyle-törvény, amely kimondja, hogy a gáz nyomásának és térfogatának szorzata azonos hőmérsékleten állandó, magyarázható, ha feltételezzük, hogy a gáz részecskékből áll. John Dalton angol kémikus 1808-ban javasolta, hogy minden elem azonos atomokból álljon, 1811-ben pedig az Amedeo Avogadro olasz fizikus azt feltételezte, hogy az elemek részecskéi két vagy több atomból állhatnak. Avogadro nevezett ilyen konglomerációs molekuláknak, és kísérleti munkája alapján feltételezte, hogy a hidrogén- vagy oxigéngázban lévő molekulák atompárokból állnak.

A 19. század folyamán kifejlesztett egy olyan korlátozott számú elem elképzelését, amelyek mindegyike egy adott atomtípusból áll, amelyek szinte korlátlan számú módon képesek kombinálni kémiai vegyületek előállítását. A század közepén a gázok kinetikai elmélete az atom- és molekuláris részecskék mozgásaihoz olyan jelenségeket sikeresen tulajdonított, mint a gáz nyomása és viszkozitása. 1895-ig a kémiai bizonyítékok növekvő súlya és a kinetikai elmélet sikere kevés kétséget okozott abban, hogy az atomok és a molekulák valósak-e.

Az atom belső szerkezete azonban csak a 20. század elején vált nyilvánvalóvá, Ernest Rutherford brit fizikus és tanulói munkájával. Rutherford erőfeszítéseiig az atom népszerű modellje az úgynevezett „szilva-puding” modell volt, amelyet Joseph John Thomson angol fizikus javasolt, és amely szerint az atomok számos elektronból (szilvából) állnak, amelyeket egy gélbe ágyaztunk be. pozitív töltés (puding); az elektronok teljes negatív töltése pontosan kiegyensúlyozza a teljes pozitív töltést, így egy atom elektromosan semleges. Rutherford szétszórt kísérletek sorozatát hajtotta végre, amely megtámadta Thomson modelljét. Rutherford megfigyelte, hogy amikor az alfa-részecskék (amelyekről ma már ismert, hogy héliummag) vékony aranyfóliát találtak, egyes részecskék visszahajoltak. Az ilyen nagy eltérések nem voltak összhangban a szilva-puding-modellel.

Ez a munka Rutherford atommodelljéhez vezetett, amelyben a pozitív töltés nehéz magját fényelektronik felhő veszi körül. A mag pozitív töltésű protonokból és elektromosan semleges neutronokból áll, amelyek mindegyike körülbelül 1836-szor tömegebb, mint az elektron. Mivel az atomok annyira csekélyek, tulajdonságaikat közvetett kísérleti technikákkal kell levezetni. A legfontosabb ezek közül a spektroszkópia, amely az atomok által kibocsátott vagy elnyelt elektromágneses sugárzás mérésére és értelmezésére szolgál, amikor az energiák átmennek az egyik energiaállapotból a másikba. Minden kémiai elem megkülönböztetett hullámhosszon sugároz energiát, amely tükrözi atomi szerkezetüket. A hullámmechanika eljárásaival az atomok energiája a különféle energiaállapotokban és az általuk kibocsátott jellemző hullámhosszok kiszámíthatók bizonyos alapvető fizikai állandókból - nevezetesen az elektron tömegéből és töltéséből, a fénysebességből és a Planck állandójához. Ezen alapvető állandók alapján a kvantummechanika numerikus előrejelzései képesek a különféle atomok megfigyelt tulajdonságainak legtöbbjére. Különösen a kvantummechanika nyújt mélyrehatóbb megértést az elemek elrendezéséről a periódusos táblázatban, bemutatva például, hogy a táblázat ugyanazon oszlopában lévő elemeknek hasonló tulajdonságokkal kell rendelkezniük.

Az utóbbi években a lézerek hatalma és pontossága forradalmasította az atomfizika területét. Egyrészt a lézerek drámai módon megnövelték az atomok jellemző hullámhosszainak mérhetőségét. Például a modern idő- és frekvenciastandardok az átmeneti frekvenciák mérésén alapulnak atomi céziumban (lásd az atomi órát), és a mérő hosszúság-egységként megadása most összekapcsolódik a frekvencia mérésével a fénysebességgel. Ezenkívül a lézerek teljesen új technológiákat tettek lehetővé az egyes atomok elektromágneses csapdákban való elkülönítéséhez és abszolút nullához hűtéséhez. Amikor az atomokat lényegében pihentetik a csapdában, akkor kvantummechanizmusos fázisátmeneten mennek keresztül, hogy Bose-Einstein kondenzációnak nevezett szuperfolyadékot képezzenek, miközben híg gáz formájában maradnak. Ebben az új anyagállapotban az atomok azonos koherens kvantumállapotban vannak. Következésképpen az atomok elveszítik egyedi identitásukat, és kvantummechanikai hullámszerű tulajdonságaik dominálnak. A teljes kondenzátum ezután egyetlen koherens entitásként reagál a külső hatásokra (mint a halak iskolája), és nem az egyes atomok gyűjteményeként. A legfrissebb munkák azt mutatták, hogy az atomok koherens sugárzása kivonható a csapdából egy olyan „atom lézer” létrehozásához, amely analóg a fotonok koherens sugárjával egy hagyományos lézerben. Az atom lézer még mindig a fejlődés korai szakaszában van, de a jövőbeni technológiák kulcseleme lehet a mikroelektronikai és más nanoméretű eszközök gyártása során.