Atomfysik

Atomfysik, den videnskabelige undersøgelse af atomets struktur, dets energitilstander og dets interaktion med andre partikler og med elektriske og magnetiske felter. Atomfysik har vist sig at være en fantastisk succesfuld anvendelse af kvantemekanik, som er en af ​​hjørnestenene i moderne fysik.

Forestillingen om, at sagen er lavet af grundlæggende byggesten, stammer fra de gamle grækere, der spekulerede i, at jord, luft, ild og vand kunne danne de grundlæggende elementer, hvorfra den fysiske verden er konstrueret. De udviklede også forskellige tankeskoler om materiens ultimative natur. Den mest bemærkelsesværdige var atomskolen grundlagt af de gamle grækere Leucippus fra Milet og Demokritus fra Thrakien omkring 440 f.Kr. Af rent filosofiske grunde og uden fordel af eksperimentel bevis, udviklede de forestillingen om, at materie består af udelelige og uforglemmelige atomer. Atomerne er i uophørlig bevægelse gennem det omkringliggende tomrum og kolliderer med hinanden som billardkugler, ligesom den moderne kinetiske teori om gasser. Nødvendigheden af ​​et tomrum (eller vakuum) mellem atomerne rejste imidlertid nye spørgsmål, som ikke let kunne besvares. Af denne grund blev atomistbilledet afvist af Aristoteles og den athenske skole til fordel for forestillingen om, at sagen er kontinuerlig. Idéen var ikke desto mindre vedvarende, og den dukkede op igen 400 år senere i den romerske digter Lucretius 'skrifter i sit værk De rerum natura (On the Nature's Things).

Lidt mere blev gjort for at fremme tanken om, at stof kunne være lavet af små partikler indtil 1600-tallet. Den engelske fysiker Isaac Newton foreslog i sin Principia Mathematica (1687), at Boyle's lov, der siger, at produktet af trykket og volumen af ​​en gas er konstant ved den samme temperatur, kunne forklares, hvis man antager, at gassen er sammensat af partikler. I 1808 foreslog den engelske kemiker John Dalton, at hvert element består af identiske atomer, og i 1811 antog den italienske fysiker Amedeo Avogadro, at partiklerne af elementer kan bestå af to eller flere atomer, der sidder sammen. Avogadro kaldte sådanne konglomerationsmolekyler, og på grundlag af eksperimentelt arbejde antog han, at molekylerne i en gas med brint eller ilt er dannet af par par atomer.

I løbet af det 19. århundrede udviklede der ideen om et begrænset antal elementer, der hver bestod af en bestemt type atom, som kunne kombinere på et næsten ubegrænset antal måder at danne kemiske forbindelser. I midten af ​​århundrede tilskrev den kinetiske teori om gasser med succes sådanne fænomener som tryk og viskositet af en gas til bevægelserne fra atomære og molekylære partikler. I 1895 voksede den voksende vægt af kemisk bevis og succesen med den kinetiske teori lidt tvivl om, at atomer og molekyler var reelle.

Atomets indre struktur blev imidlertid først klar i begyndelsen af ​​det 20. århundrede med arbejdet af den britiske fysiker Ernest Rutherford og hans studerende. Indtil Rutherfords bestræbelser var en populær model af atomet den såkaldte "blomme-budding" -model, forfulgt af den engelske fysiker Joseph John Thomson, som hævdede, at hvert atom består af et antal elektroner (blommer) indlejret i en gel af positiv ladning (budding); den samlede negative ladning af elektronerne balanserer nøjagtigt den samlede positive ladning, hvilket giver et atom, der er elektrisk neutralt. Rutherford udførte en række spredningseksperimenter, der udfordrede Thomsons model. Rutherford observerede, at når en bjælke med alfapartikler (som nu vides at være heliumkerner) ramte en tynd guldfolie, blev nogle af partiklerne afbøjet bagud. Sådanne store udbøjninger var uforenelige med blommepudding-modellen.

Dette arbejde førte til Rutherfords atommodel, hvor en tung kerne med positiv ladning er omgivet af en sky af lette elektroner. Kernen består af positivt ladede protoner og elektrisk neutrale neutroner, som hver er ca. 1.836 gange så massiv som elektronet. Fordi atomer er så små, skal deres egenskaber udledes af indirekte eksperimentelle teknikker. Blandt disse er spektroskopi, der bruges til at måle og fortolke den elektromagnetiske stråling, der udsendes eller absorberes af atomer, når de gennemgår overgange fra en energitilstand til en anden. Hvert kemisk element udstråler energi ved karakteristiske bølgelængder, som afspejler deres atomstruktur. Gennem procedurerne for bølgemekanik, atomernes energier i forskellige energitilstande og de karakteristiske bølgelængder, de udsender, kan beregnes fra visse grundlæggende fysiske konstanter - nemlig elektronmasse og -ladning, lysets hastighed og Plancks konstant. Baseret på disse grundlæggende konstanter kan de numeriske forudsigelser af kvantemekanikken udgøre de fleste af de observerede egenskaber ved forskellige atomer. Kvantemekanikken giver især en dyb forståelse af arrangementet af elementer i den periodiske tabel, hvilket for eksempel viser, at elementer i den samme søjle i tabellen skal have lignende egenskaber.

I de senere år har lasers kraft og præcision revolutioneret området atomfysik. På den ene side har lasere dramatisk øget den præcision, hvormed de karakteristiske bølgelængder af atomer kan måles. For eksempel er moderne standarder for tid og frekvens baseret på målinger af overgangsfrekvenser i atomært cæsium (se atomur), og definitionen af ​​måleren som en længdenhed er nu relateret til frekvensmålinger gennem lysets hastighed. Derudover har lasere muliggjort helt nye teknologier til isolering af individuelle atomer i elektromagnetiske fælder og afkøling af dem til næsten absolut nul. Når atomerne bringes i det væsentlige til at hvile i fælden, kan de gennemgå en kvantemekanisk faseovergang for at danne en superfluid kendt som en Bose-Einstein-kondensation, mens de forbliver i form af en fortyndet gas. I denne nye stofstilstand er alle atomer i den samme sammenhængende kvantetilstand. Som en konsekvens mister atomerne deres individuelle identitet, og deres kvantemekaniske bølgelignende egenskaber bliver dominerende. Hele kondensatet reagerer derefter på eksterne påvirkninger som en enkelt sammenhængende enhed (som en skole med fisk) i stedet for som en samling af individuelle atomer. Det nylige arbejde har vist, at en kohærent stråle af atomer kan udvindes fra fælden for at danne en "atomlaser" analog med den kohærente stråle af fotoner i en konventionel laser. Atomlaser er stadig i et tidligt stadie af udviklingen, men det har potentialet til at blive et nøgleelement i fremtidige teknologier til fremstilling af mikroelektroniske og andre nanoskalaenheder.