Теория атома Атомная спектроскопия Рентгеноспектральный анализ Радиоспектроскопия
Фундаментальные понятия Изотоп Атомное ядро Атомная орбиталь Уравнение Шрёдингера Рентгеновское излучение Тонкая структура
Похожие темы Ядерная физика
Известные учёные Томсон Резерфорд Нильс Бор Джеймс Чедвик Макс Борн
См. также: Портал:Физика

Атомная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства атомов . Атомная физика возникла в конце XIX — начале XX века в результате экспериментов, установивших, что атом представляет собой систему из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, и получила своё развитие в связи с созданием квантовой механики , объяснившей структуру атома. Строение атомного ядра изучается в ядерной физике .

Общие сведения

Атомная физика — раздел физики , изучающий строение и свойства атомов, ионов и электронных конфигураций , а также элементарных процессов, в которых они участвуют. Атомная физика оперирует линейными размерами около ⋅10 ⁻⁸ см и энергиями порядка 1 эВ . Основной задачей атомной физики является определение всех возможных состояний атома. Основные разделы атомной физики — теория атома , атомная спектроскопия , рентгеноспектральный анализ , радиоспектроскопия , .

В основе современной атомной физики лежит квантово-механическая теория, которая описывает физические явления на атомно-молекулярном уровне. Атомная физика рассматривает атом, как систему из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов . Свойства этой системы и элементарные процессы, протекающие в ней, определяются электромагнитным взаимодействием , в отличие от ядерной физики и физики элементарных частиц , где фундаментальную роль играют сильное взаимодействие и слабое взаимодействие .

История

Идея о существовании мельчайших неделимых частиц — атомов, впервые была сформулирована древнегреческими философами Левкиппом , Демокритом и Эпикуром . В XVII веке эта идея получила продолжение в трудах французских философов П. Гассенди и Р. Декарта , английского химика Р. Бойля . Атомистика этого периода носила скорее умозрительный характер, представления об атомах были, как о постоянных, неделимых частицах, разнообразных размеров и форм, лишённых химических и физических свойств, из сочетания которых состоят все материальные тела. В работах И. Ньютона и М. В. Ломоносова высказывались предположения о возможности соединения атомов в более сложные структуры — корпускулы .

Ускоренное развитие химии в конце XVIII — начале XIX веков привело к пересмотру некоторых аспектов атомистического учения. Английский учёный Дж. Дальтон сделал предположение о том, что атом — это мельчайшая частица химического элемента и атомы различных химических элементов имеют разную массу , которая является основной характеристикой атома. Работы итальянских учёных А. Авогадро и С. Канниццаро определили строгие разграничения между атомом и молекулой . В XIX веке также были открыты оптические свойства атомов, немецкими физиками Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном было положено начало спектрального анализа. В 1869 Д. И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов .

Важнейшими вехами в истории атомной физики были открытие электрона в 1897 английским физиком Дж. Дж. Томсоном и радиоактивного распада французскими учёными М. Склодовской-Кюри и П. Кюри , они изменили представление об атоме как о системе взаимодействующих заряженных частиц, согласно теории голландского физика Х. Лоренца . На основании этих исследований, Томсон предложил в 1903 году модель атома в виде сферы с положительным зарядом, с вкраплениями небольших по размеру частиц с отрицательным зарядом — электронов, удерживающихся в атоме за счёт равенства силы притяжения положительного заряда силам взаимного отталкивания электронов. Дальнейшие изучения радиоактивности Ф. Содди привели к открытию изотопов , тем самым разрушив научные представления об абсолютной идентичности всех атомов одного химического элемента. Важную роль сыграло также исследование А. Г. Столетовым фотоэффекта и дальнейшее объяснение этого явления А.Эйнштейном .

Модель Томсона была опровергнута в 1909 году его учеником Э. Резерфордом , который предложил планетарную модель атома , с находящимся в центре массивным положительным плотным ядром, вокруг которого, как планеты вокруг Солнца , летают электроны, число которых в нейтрально заряженном атоме таково, чтобы их суммарный отрицательный заряд компенсировал положительный заряд ядра. Г. Мозли выяснил, что заряд ядра увеличивается от одного химического элемента к следующему на одну элементарную единицу заряда, равную заряду электрона, но с противоположным знаком, а численно заряд атомного ядра, в единицах элементарного заряда, равен порядковому номеру элемента в периодической системе .

Планетарная модель атома обладала рядом недостатков, из которых самым существенным был связан с теоретически верной потерей энергии электрона: так как электрон вращается вокруг атома, то на него действует центростремительное ускорение, а согласно формуле Лармора любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает энергию. Если электрон теряет энергию, то в конце концов он должен упасть на ядро , чего в реальности не происходит. Уточнение модели атома стало возможным только с позиции совершенно новых представлений об атоме, открытых немецким физиком М. Планком , который вводит в науку понятия квантов . В 1905 году А. Эйнштейн предложил квантовое объяснение явления фотоэффекта , определив квант света как особую частицу, позднее названую фотоном . В 1913 году Н. Бор предположил, что электрон может вращаться не произвольно, а на строго определённых орбитах, не меняя своей энергии сколь угодно долгое время. Переход с орбиты на орбиту требует определённой энергии — кванта энергии .

Модель атома Бора получила экспериментальное подтверждение в опытах немецких физиков Дж. Франка и Г. Герца . Теория атомных спектров получила дальнейшее развитие в работах немецкого физика А. Зоммерфельда , который предположил более сложные эллиптические орбиты электронов в атоме. Квантовая теория атома объяснила структуру характеристических спектров рентгеновского излучения и периодичность химических свойств атомов. Однако с дальнейшим развитием атомной физики квантовая модель атома перестала отвечать уровню представлений об атоме. Французским физиком Л. де Бройлем было высказано предположение о двойственной природе движения микрообъектов, в частности электрона. Эта теория послужила отправным пунктом создания квантовой механики , в работах немецких физиков В. Гейзенберга и М. Борна , австрийского физика Э. Шрёдингера и английского физика П. Дирака ; и созданной на её основе современной квантово-механической теории атома .

Примечания

Литература

• Bransden, BH; Joachain, C. J. Physics of Atoms and Molecules (англ.) . — 2nd. — Prentice Hall , 2002. — ISBN 978-0-582-35692-4 .
• Foot, C. J. Atomic Physics (англ.) . — Oxford University Press , 2004. — ISBN 978-0-19-850696-6 .
• Herzberg, Gerhard. (англ.) . — New York: Dover, 1979. — ISBN 978-0-486-60115-1 .
• Condon, E.U.; Shortley, G.H. The Theory of Atomic Spectra (англ.) . — Cambridge University Press , 1935. — ISBN 978-0-521-09209-8 .
• Cowan, Robert D. (англ.) . — University of California Press , 1981. — ISBN 978-0-520-03821-9 .
• Lindgren, I.; Morrison, J. Atomic Many-Body Theory (англ.) . — Second. — Springer-Verlag , 1986. — ISBN 978-0-387-16649-0 .
• Зауткин В.В. От натурфилософии к классической физике: история развития физики с античных времен до XIX века (рус.) . — ДВГТУ , 2007. — ISBN 978-5-7596-0739-7 .