Fizica atomică a apărut la începutul secolelor al XIX-lea și al XX-lea pe baza studierii spectrelor optice ale gazelor, descoperirea unui electron și a radioactivității. În prima etapă a dezvoltării sale (primul trimestru al secolului XX), fizica atomică sa ocupat în principal cu dezvăluirea structurii atomului și studierea proprietăților acestuia. Experimentele lui E. Rutherford privind împrăștierea particulelor printr-o foaie metalică subțire (1908-1911) au condus la crearea unui model planetar al atomului; Folosind acest model, N. Bohr (1913) și A. Sommerfeld (1915) au dezvoltat prima teorie cantitativă a atomului (vezi Atom). Studiile ulterioare ale proprietăților electronului și atomilor au culminat cu crearea la mijlocul anilor '20. mecanica cuantică, o teorie fizică care descrie legile microworld-ului și permite să se considere cantitativ fenomenele în care participă microparticulele (vezi Mecanica cuantică).
Mecanica cuantică este fundația teoretică a fizicii atomice. În același timp, fizica atomică joacă rolul unui fel de "teren de testare" pentru mecanica cuantică. Ideile și concluziile mecanicii cuantice, adesea neconforme cu experiența noastră de zi cu zi, se supun unui test experimental în fizica atomică. Un exemplu viu sunt celebrele experimente ale lui Frank-Hertz (1913) și Stern-Gerlach (1922); Mai jos ne ocupăm mai mult de ele.
La începutul secolului XX. Un material bogat a fost acumulat peste spectrele optice ale atomilor. Sa constatat că fiecare element chimic corespunde propriului spectru de linie, caracterizat printr-un aranjament ordonat și liniar al liniilor spectrale. Mecanica cuantică conectează regularitățile observate în spectru cu sistemul de niveluri de energie al unui atom dat. In 1913, fizicianul german George. Frank și Hertz efectuat un experiment care a dat o confirmare experimentală directă a faptului că energia internă a atomului este cuantificată și, astfel, poate fi variat doar discret, adică. E. Anumite porțiuni. Ei măsurau energia electronilor liberi excitați asupra excitației atomilor de mercur. principal element de montare - un bec de sticlă vidat cositorite cu trei electrozi: un catod, o grilă anod (prototipul modern, triodă vid). Balonul conținea vapori de mercur la o presiune de 1 mm Hg. Art. Electronii care au lăsat catod sunt accelerate în domeniu între catod și grila (accelerare tensiune U) și apoi decelerat în câmpul dintre grilă și anod (retardare tensiune U 1). Pe drumul de la catod la anod, electronii s-au ciocnit cu atomi de mercur. Tensiunea U 1 este selectat mult mai mică decât U \, prin urmare, respins de anod este doar suficient de electroni lent - cele care au pierdut energie) datorită ciocnirilor inelastice cu atomii de mercur. Experimentul masurat puterea curentului anod în funcție de tensiunea de accelerare U. Curba experimentală are un număr de maxime distincte distanțate de 4.9 V. Forma acestei curbe este explicată după cum urmează. Pentru U<4,9 В столкновения электронов с атомами ртути являются упругими (возбуждение атомов не происходит), поэтому сила тока плавно нарастает с увеличением U. По достижении значения U = 4,9 В начинаются неупругие столкновения, связанные с возбуждением атомов ртути; в результате сила тока резко падает. При дальнейшем повышении U ток снова нарастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 9,8 В, когда электрон оказывается в состоянии возбудить два атома. При достижении 14,7 В электроны способны испытать три неупругих столкновения с атомами ртути и т. д. При напряжении 4,9 В электрон приобретает энергию 4,9 эВ. Таким образом вид кривой 1(10 показывает, что для возбуждения атома ртути необходима энергия, равная 4,9 эВ. Это и есть, очевидно, та самая порция энергии, которой атом ртути обменивается с электроном.
Cu o formulare mai atentă a experimentelor de acest tip, a fost posibil să se detecteze excitația următoarelor niveluri de energie ale atomilor: pentru mercur, acesta este de 6,7; 8,3 eV, etc. (10,4 eV este potențialul de ionizare). Observarea strălucirii gazului arată, în acest caz, apariția unui spectru complet pentru atomii de mercur.
Mutarea în jurul unui nucleu atomic a unui electron poate fi asemănat cu un curent electric elementar; generează un câmp magnetic. Câmpurile magnetice ale diferiților electroni, pliați, formează câmpul magnetic al atomului. Pentru caracteristica sa, se introduce o cantitate vectorială, numită moment magnetic. Dacă electronii umple complet unul sau altul (1s, 2s, 2p etc.), atunci câmpurile lor magnetice sunt compensate reciproc; momentele magnetice ale atomilor corespondenți sunt zero.
În 1922, în Germania, O. Stern și V. Gerlach au efectuat un experiment care a arătat că momentul magnetic al unui atom este cuantificat spațial. Au trimis un fascicul de atomi cu un moment magnetic printr-un câmp magnetic neomogen și au investigat abaterile atomilor sub acțiunea acestui câmp. Gradul și natura deviației depind de orientarea momentului magnetic al atomului în raport cu direcția câmpului. Dacă ar fi existat atomi în fascicul cu toate orientările posibile ale momentelor magnetice, atunci se va observa o "neclare" continuă a fasciculului original. În experiment, cu toate acestea, a fost observată o divizare clară a fasciculului atomic în câteva fascicule; acest lucru însemna și faptul că momentul magnetic al atomului este cuantificat spațial - proiecția sa pe direcția câmpului magnetic poate avea doar anumite valori definite (discrete).
Să ne îndreptăm spre distribuția abaterilor de atomi de sodiu într-un câmp magnetic neomogen (a fost obținut în 1930). Această distribuție are două maxime clare. Atomul de sodiu are trei cochilii umplute (1s, 2s, 2p) și un 3s-electron. Norul de electroni al electronilor s este sferic simetric (vezi Atom), astfel încât mișcarea lor în câmpul nucleului nu duce la apariția unui moment magnetic. Pentru a explica divizarea observată a unui fascicul de atomi de sodiu în două componente, este necesar să presupunem că electronul are un moment magnetic propriu, neasociat cu mișcarea unui electron în jurul nucleului. Acest moment magnetic este asociat convențional cu rotația unui electron în jurul axei sale proprii și se numește momentul de rotire (vezi Spin). Momentul magnetic al electronului, asociat mișcării sale în jurul nucleului, se numește impuls orbital. Astfel, în cazul unui atom de sodiu, ambele momente orbitale și de rotație ale electronilor carcaselor umplute sunt compensate reciproc; Momentul angular orbital al unui electron de 3 s este zero, iar momentul de rotație al acestui electron determină împărțirea unui fascicul de atomi de sodiu într-un câmp magnetic neomogen. Faptul că divizarea în două fascicule înseamnă că momentul spinului cu electroni are două proeminențe pe direcția câmpului magnetic.
În anii '30. Acest secol marchează începutul unei noi etape în dezvoltarea fizicii atomice. În acești ani, a devenit clar că natura interacțiunilor responsabile pentru procesele din cadrul unui nucleu atomic și nuclee de stabilitate sau de radioactivitate explicativ este complet diferit față de interacțiunea responsabilă pentru procesele care au loc în cochiliile de electroni ale atomilor (vezi. Unitate Nature). În legătură cu aceasta, o direcție științifică separată a fost izolată de fizica atomică, legată de cercetarea fizicii atomilor nuclei; în anii '40. această direcție sa transformat într-o știință fizică independentă - fizică nucleară. În fine, în anii '50. Din fizica nucleară, direcția asociată cu studiul sistematic și interconversia particulelor elementare de particule, fizica particulelor elementare, a fost decuplată.
procese includ: schimbări ale stărilor de electroni din atom datorită câmpurilor electrice sau magnetice externe (de exemplu, sub influența câmpurilor externe asupra despicarea nivelelor de energie ale atomilor); absorbția și emisia de către atomi a radiațiilor electromagnetice (vezi spectroscopia, raze X, efectul fotoelectric, laserele); coliziunea atomilor cu electroni liberi și, de asemenea atomi alte, ioni, molecule (datorită unei coliziuni cu electroni sau alte obiecte microscopice atomii pot fi incantati sa se mute dintr-o stare excitată la o mai puțin excitat, convertit în ioni cm electroeroziune în gazele.); interacțiunea dintre cojile electronice ale diferiților atomi, care conduc la formarea de molecule și cristale. Toate aceste procese sunt cauzate de interacțiunea electromagnetică. Probabilitățile acestor procese sunt calculate folosind aparatul mecanicii cuantice.
Fizica atomică modernă studiază, de asemenea, un tip special de atomi, numiți mezoatomi. Mesoatom rezultă dintr-un atom obișnuit prin înlocuirea unul dintre electroni muonului (μ-), antimesons (π-, K) sau hiperon antipronilor încărcate negativ (a se vedea. Hadroni, leptoni). Există aberante atomi „hidrogen“ - pozitron, muonium, care a jucat rolul unui proton sau pozitiv încărcat pozitroni antimuon (μ +). Toți acești atomi sunt instabili; durata lor de viață este limitată de durata de viață a particulelor menționate mai sus sau de procesele de e-e și pp de anihilare. Mesoatoms formate în timpul particulelor de frânare - captarea nucleelor atomice particule încărcate negativ câmp Coulomb sau captarea și pozitroni antimuon electroni atomice. Experimentele cu diferiți atomi anomali sunt de mare interes atât pentru studierea proprietăților materiei, cât și pentru studierea nucleelor și a particulelor elementare.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: