atomfizika
Az atomok tulajdonságainak és szerkezetének,
az elektromágneses sugárzással és más
atomokkal való kölcsönhatásainak vizsgálatával
foglalkozó tudomány.
1911-ben Ernest Rutherford brit fizikus
az aranyfólián áthatoló
alfa-részecskék szóródását azzal magyarázta,
hogy az atomoknak van egy kemény központi
magjuk, amelynek átmérője kb. 10-15 m, míg a teljes atomé 10-10
m. A Rutherford-féle atommodell szerint
a pozitív töltésű központi mag
körül negatív töltésű elektronok
keringenek, úgy, ahogy a bolygók keringenek
a Nap körül.
Az ilyen atomok azonban a klasszikus
fizika törvényei alapján nem lennének stabilak, mert a mozgó elektronok
elektromágneses sugárzást bocsátanának ki, és energiájukat elveszítve belezuhannának
a magba. A modell az észlelt atomszínképet se magyarázná meg.
Ezeket a problémákat Niels Bohr dán fizikus
javított atommodellje (1913) oldotta meg, amely szerint a mag
körül csak meghatározott pályákon mozoghatnak elektronok.
Mivel csak bizonyos pályák lehetségesek, az elektronoknak
is csak bizonyos energiájuk lehet.
Ezzel Bohr megalkotta a megengedett különálló ("diszkrét") energiaszintek
modelljét. A Bohr-modell szerint egy megengedett pályán levő elektron nem sugároz
elektromágneses energiát, ám az egyik pályáról a másikra ugró elektron által
kibocsátott, ill. elnyelt sugárzás frekvenciája megfelel a megfigyelt atomszínképben
szereplő jól definiált frekvenciáknak.
Noha a Bohr-modellt az atom
felépítésének szemléltetésére ma is használják, az atomokról
alkotott mai elképzelés a modellnek a kvantummechanikát felhasználó továbbfejlesztése.
Az elektronok hullámtulajdonságokkal
rendelkeznek, így a Bohr-pályákat úgy is
lehet értelmezni, mint annak feltételét, hogy az elektronpálya sugara az elektron
hullámhosszának egész számú többszöröse legyen.
Az atomban levő elektron inkább diszkrét
kvantumszámokkal jellemzett töltéseloszlásnak tekinthető, mint kör alakú pályán
keringő, pontszerű részecskének. Minden lehetséges kvantumszám-együttes megfelel
egy energiaszintnek, de nincs mindegyik lehetséges energiaszint betöltve.
Míg Bohr elmélete a hidrogén színképének csupán részleges értelmezését tette lehetővé,
a modern kvantumelmélet lehetővé teszi a színkép finomszerkezetének kiszámítását
is.
Az elemek (gerjesztetlen) atomjaiban
levő elektronokat jellemző kvantumszámok
pontosan meghatározzák az elem periódusos
rendszerbeli helyét; az atom elektronszerkezete
meghatározza a más atomokkal létesíthető
kémiai kötés típusát.
A hidrogénatomok jellemzőit
nagy pontossággal kiszámíthatjuk, ám bonyolultabb atomoknál
ezek jóslása komoly feladat. Az energiaszintek és más jellemző mennyiségek előrejelzését
színképelemzéssel, atomok ütköztetésével
lehet ellenőrizni. Különleges atomokat (pl. negatív kalciumiont) is elő lehet állítani, illetve tanulmányozni.
Az atomfizika gyakorlati alkalmazásaként megemlíthetjük a lézert és az
atomórát.