Атомная физика

АТОМНАЯ ФИЗИКА, раздел физики, в котором изучают строение и свойства атомов и элементарные процессы, связанные с ними. Атом - система электрически заряженных частиц, поэтому его строение и свойства определяются в основном электромагнитными взаимодействиями между частицами, действующими на расстояниях порядка 10^-8 см с энергией порядка 1 эВ.

Первые представления о существовании атомов как мельчайших неделимых и неизменных частицах вещества высказаны в 5-3 веках до нашей эры в Древней Греции (Демокрит, Эпикур и др.). В 17-18 веках, в период становления точного естествознания, атомистические представления развивали И. Кеплер, П. Гассенди, Р. Декарт, Р. Богинь, И. Ньютон, М. В. Ломоносов и др. Однако лишь в конце18 - начале 19 века экспериментальные исследования привели к созданию первых атомистических теорий. На основе количественных химических законов и законов идеальных газов в начале 19 века стала развиваться химическая атомистика (Дж. Дальтон, А. Авогадро, И. Берцелиус), а к середине 19 века были разграничены понятия атома и молекулы (С. Канниццаро). В 1869 году Д. И. Менделеев открыл периодический закон и создал периодическую систему химических элементов, носящую его имя. Атомистические представления легли в основу молекулярной физики, в частности кинетической теории газов (середина 19 века), и статистической физики (Р. Клаузиус, Дж. К. Максвелл, Л. Больцман, Дж. У. Гиббс). Одновременно развивалось учение о внутреннем атомном строении кристаллов и их симметрии (Р. Гаюи, О. Браве, Е.С. Фёдоров, немецкий кристаллограф А. Шёнфлис).

Построению современной атомной физики в начале 20 века предшествовали открытия электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) и радиоактивности (1895, А. Беккерель), которые опровергли мнение о неделимости атома. Важнейшим событием в атомной физике явилось открытие Э. Резерфордом в 1911 году атомного ядра, обладающего малыми по сравнению с атомом размерами и сосредоточившего в себе основную массу и положительный заряд атома. Резерфорд предложил так называемую планетарную модель атома: вокруг положительно заряженного массивного ядра двигаются по орбитам лёгкие отрицательно заряженные электроны. Однако в соответствии с законами классической электродинамики такой атом был бы неустойчивым, так как электроны при этом непрерывно излучали бы электромагнитную энергию и за доли секунды упали на ядро. В 1913 году Н. Бор создал теорию устойчивого атома, положив в её основу эмпирически введённые им квантовые постулаты (Бора постулаты).

1) атом может существовать только в дискретных стационарных состояниях, характеризуемых определёнными внутренними энергиями, причём, находясь в этих состояниях (на определённом уровне энергии), атом устойчив и не испускает электромагнитную энергию;

2) переходы между стационарными состояниями происходят скачкообразно (т.е. его энергия меняется не непрерывно, а скачкообразно); при таком переходе (квантовом переходе) атом поглощает или испускает определённую порцию электромагнитной энергии - квант энергии Е =hv_ik, где h - постоянная Планка, a v_ik – так называемая частота квантового перехода, определяемая энергиями стационарных состояний i и к, между которыми совершается переход.

Теория атома Н. Бора позволила объяснить не только устойчивость атома, но и линейчатость атомных спектров, наблюдавшиеся закономерности оптических и рентгеновских спектров, а также периодический закон Менделеева. Для определения возможных дискретных значений энергии атома водорода Бор предположил, что при очень малых v квантовые и классические результаты должны совпадать (так называемый соответствия принцип), и применил для описания движения электрона и вычисления его энергии классические законы электродинамики. Однако теория Бора оказалась неприменимой к атому гелия и более сложным атомам.

В 1923 году Л. де Бройль выдвинул гипотезу корпускулярно-волнового дуализма: всем частицам материи присущи свойства, как частицы, так и волновые свойства, каждой частице материи можно поставить в соответствие определённую длину волны. Идея де Бройля позволила объяснить существование стационарных состояний атома: возможны лишь такие из них, при которых длина волны электрона укладывается на его орбите целое число раз. Таким образом, электрон в определённом состоянии аналогичен стоячей волне с длиной λ, определяющей его энергию Е = hc/λ (где с - скорость света) и импульс ρ = h/λ. Развитие идеи де Бройля привело к созданию квантовой механики (В. Гейзенберг, М. Борн, Э. Шрёдингер), на основе которой была создана последовательная теория атома. В соответствии с этой теорией каждое стационарное состояние атома описывается волновой функцией, которая является решением Шрёдингера уравнения. Представления о движении электронов по определённым орбитам оказалось неправильным, так как невозможно одновременно точно указать координаты нахождения электрона в данной точке пространства и значение его импульса (неопределённостей соотношение, введённое В. Гейзенбергом в 1927). Можно лишь говорить о распределении электронной плотности или вероятности нахождения электрона в данный момент времени в данной точке пространства, что и определяет его волновая функция.

В 1925 году в теорию была введена (Дж. Уленбек и С. Гаудсмит) новая физическая величина - спин электрона - его собственный механический момент, с которым связан собственный магнитный момент электрона. Оказалось, что спином обладают и другие атомные частицы, и атом в целом. Учёт спина позволил объяснить расщепление уровней энергии и спектральных линий атома в электрическом и магнитных полях (Зеемана эффект и Штарка эффект), уяснить порядок расположения электронов в атомах различных химических элементов (смотри Паули принцип, Числа заполнения).

Квантовая механика объяснила образование ковалентной химической связи (1927, В.Гайтлер, Ф. Лондон), связь атомов в кристаллах, влияние на них внутрикристаллического поля (1929, Х. Бете), межатомные взаимодействия и так далее.

В 1930-х годах выяснилось, что в атомном ядре между входящими в него частицами действует не электромагнитное взаимодействие, а новый тип взаимодействия - сильное взаимодействие. Физика атомного ядра выделилась в самостоятельную область - ядерную физику. В 1940-50-х годах сформировались физика элементарных частиц и физика плазмы. Современная атомная физика включает теорию и экспериментальные методы исследования атомных спектров в оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах. Она позволяет получать точные значения энергий стационарных состояний, моментов количества движения и других характеристик атомов, изучает механизмы их возбуждения, столкновительные и внутренние процессы. Эти данные необходимы для создания различных типов лазеров, для физики плазмы, решения астрофизической и космологической задач, для изучения электрических, магнитных и других свойств вещества. Уширение и сдвиг спектральных линий позволяет судить о локальных полях в конденсированных средах, вызвавших эти изменения, о температуре и плотности среды, измерять высокие давления и т.п. Распределение электронной плотности в конденсированных средах, которые определяют, например, методами рентгеновского структурного анализа, позволяет устанавливать характер межатомных связей.

Для определения точных значений атомных характеристик необходимо устранить влияние на атом окружающей среды и «остановить» его, так как движение атомов искажает их спектры (например, вызывает доплеровское уширение спектральных линий). Развитие методов изучения «холодных» (остановленных) атомов позволяет получать атомные спектры с шириной спектральных линий, близкой к естественной. Важным достижением науки явилось получение реального изображения отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа.

Литературу смотри при статье Атом.

В.И. Балыкин. М. А. Ельяшевич.