Атомна фізика

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Атомна фізика — розділ фізики, що вивчає будову і властивості атомів та іонів, а також пов'язані з ними процеси. За сучасними уявленнями атом складається з важкого ядра та шарів електронів, які оточують ядро і утворюють в цілому електронну оболонку. Електрони в атомі розташовані за принципом Паулі. Структуру електронних оболонок атомів вивчають переважно за допомогою рентгенівських та оптичних спектрів. Рентгенівські спектри виникають внаслідок переходів електронів з одного внутрішнього шару на інший, а оптичні спектри — внаслідок переходів зовнішніх (валентних електронів). Для встановлення і вивчення можливих енергетичних станів велике значення мають досліди по співударах електронів з атомами, наприклад досліди Франка і Герца. Важливе місце в атомній фізиці посідають також інші методи, зокрема магнітні, методи молекулярної фізики тощо.
Будову і властивості ядер та їхню взаємодію вивчає окремий розділ сучасної фізики — ядерна фізика.

Теоретична основа[ред.ред. код]

Теоретична основа А. ф. - квантова теорія (Квантова механіка, Квантова електродинаміка), що дозволяє пояснити величезну сукупність мікроскопічних явищ на атомно-молекулярному рівні. Істотно, що будова і властивості атома як системи, що складається з ядра і електронів, і характеристики випромінювальних і безвипромінювальних елементарних процесів, що протікають на цьому рівні, визначаються електромагнітною взаємодією (на відміну від ядерної фізики та фізики елементарних частинок, в яких фундам. роль відіграють сильна взаємодія і слабка взаємодія; причому сильна взаємодія не виявляється на характерних для А. ф. відстанях, що перевищують 10-12 см, а слабка взаємодія повинна приводити в А. ф. до вельми цікавих, але дуже малих за величиною ефектів).

Передумови й основні етапи розвитку атомної фізики[ред.ред. код]

Виникненню А. ф. передувало розвиток атомістичних уявлень про будову матерії. Початкові ідеї про існування атомів як дрібних неподільних і незмінних частинок матерії були висловлені в Стародавній Греції в 5-3 ст. до н. е. (Демокріт, Епікур). У період становлення точного природознавства в 17-18 ст. атомістичні уявлення в різних формах розвивали І. Кеплер (J. Kepler), П. Гассенді (P. Gassendi), P. Декарт (R. Descartes), P. Бойль (R. Boyle), Ісаак Ньютон (I. Newton), M. В. Ломоносов, P. Бошкович (R. Boskovic) та ін. Однак ці уявлення носили гіпотетичний характер і лише з кін. 18 - поч. 19 ст. експериментальні дослідження властивостей речовини привели до створення атомістичних теорій.

На основі встановлених кількісних хімічних законів і законів ідеальних газів з початку 19 ст. стала розвиватися хімічна атомістика [ Дж. Дальтон ( J. Dalton ) , А. Авогадро ( A. Avogadro di Quaregna ) , Я. Берцеліус ( J. Berzelius )] , в сер. 19 ст. чітко розмежовані і визначені поняття атома і молекули (С. Канніццаро ​​( S. Cannizzaro )) , в 1869 Д. І. Менделєєв відкрив періодичний закон хімічних елементів (див. Періодична система елементів) . Уявлення фізичної атомістики лягли в основу розвитку молекулярної фізики , у т. ч. кінетичної теорії газів (сер. 19 ст.) , І класичної статистичної фізики ( 2-га пол . 19 ст. , P. Клаузіус ( R. Clausius ) , Дж. Максвелл (J. С. Maxwell ) , Л. Больцман ( L. Boltzmann ) , Дж. В. Гіббс ( JW Gibbs )) . B кін. 18-19 ст. почало розвиватися вчення про внутрішню будову кристалів і їх симетрії (P. Гаюї (R. J. Hauy) , O. Браве (A. Bravais) , Є. С. Федоров , А. Шенфліс (AM Schoenflies)) на основі атомістичних уявлень ( див. Симетрія кристалів , Браве гратки) . Однак в 19 ст . хім і фіз . атомістика і атомістика в кристалографії не мали загальної теор. основи , нею стала в 20 ст. квантова теорія будови атомів, молекул і кристалів , створена в результаті розвитку А. ф.

Виникнення сучасної А. ф. пов'язано з відкриттями електрона (1897) і радіоактивності (1896). Вони створили основу для побудови моделей атома як системи взаємодіючих електрично заряджених частинок. Найважливішим етапом розвитку А. ф. стало відкриття Е. Резерфордом (E. Rutherford) в 1911 атомного ядра і розгляд атома на основі квантових уявлень H. Бором (N.H.D. Bohr) в 1913. Резерфорд запропонував модель атома, що складається з центрального позитивно зарядженого ядра великої маси і розмірів, малих порівняно з розмірами атома в цілому, і з негативно заряджених електронів, що мають в порівнянні з ядром малу масу. Він експериментально обгрунтував цю модель дослідами по розсіюванню α-частинок атомами. Всі властивості атома виявилися пов'язаними або з властивостями ядра (їх вивчає ядерна фізика), або з властивостями електронних оболонок атома.

Будова останніх визначає хімічні і більшість фіз. властивостей атома і періодичність цих властивостей в залежності від основних характеристики атома в цілому - величини позитивного заряду його ядра.

Модель атома Бора

Постулати Бора[ред.ред. код]

На основі законів класичної фізики не могли бути пояснені стійкість атома (прискорено рухомі навколо ядра електрони повинні безупинно випромінювати і дуже швидко впасти на ядро) і лінійчаті атомні спектри , закономірності в яких підкоряються комбінаційному принципу Рітца. Вихід з цих труднощів знайшов Бор, застосувавши до атома квантові уявлення, вперше введені M. Планком в 1900 і розвинуті з 1905 А. Ейнштейном і ін. вченими. Основу квантової теорії атома Бора складають два постулати :

  • 1-й постулат Бора про існування стаціонарних станів атома , перебуваючи в яких він не випромінює (стаціонарні стани мають певні значення енергії , в загальному випадку дискретні, з одного стану в інший атом може переходити шляхом квантового, стрибкоподібного, переходу),
  • 2-й постулат Бора про квантові переходи з випромінюванням, що визначаються умовою частот:

Εi - Εk = hν, де ν - частота монохроматичного електромагнітного випромінювання, що поглинається або випромінюється; Εi та Εk - енергії стаціонарних станів, між якими відбувається перехід.

Постулати Бора були всебічно підтверджені експериментально, виявилися застосовними для інших мікросистем (молекул, атомних ядер) і отримали теоретичне обгрунтування у квантовій механіці і квантовій електродинаміці. Для визначення можливих дискретних значень енергії найпростішого атома - атома водню - в стаціонарних станах Бор застосував класичну механіку і припущення про збіг результатів квантової і класичної теорій при малих частотах випромінювання, що представляло визначальну форму відповідності принципу, який Бор розвивав надалі, надаючи йому великого значення; принцип відповідності відіграв велику роль у становленні квантової механіки.

Ключові експерименти[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Атомна, молекулярна і оптична фізика

Джерела[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • Білий М. У., Охріменко Б. А. Атомна фізика. — К.: Знання, 2009. — 559 с.