Atomska fizika

Atomska fizika, znanstvena studija strukture atoma, njegovih energetskih stanja i njegovih interakcija s drugim česticama te s električnim i magnetskim poljem. Atomska fizika pokazala se kao nevjerojatno uspješna primjena kvantne mehanike, što je jedan od temelja moderne fizike.

Pretpostavka da su materija sačinjena od temeljnih građevnih blokova datira od starih Grka, koji su nagađali da bi zemlja, zrak, vatra i voda mogli tvoriti osnovne elemente iz kojih je izgrađen fizički svijet. Također su razvili razne škole razmišljanja o krajnjoj prirodi materije. Možda je najistaknutija bila atomska škola koju su osnovali stari Grci Leucippus iz Mileta i Demokrit iz Trakije oko 440. godine prije Krista. Iz čisto filozofskih razloga i bez koristi eksperimentalnih dokaza razvili su pojam da se materija sastoji od nedjeljivih i neuništiva atoma. Atomi se neprekidno kreću kroz okolnu prazninu i sudaraju se jedan s drugim poput bilijarnih kuglica, slično modernoj kinetičkoj teoriji plinova. Međutim, potreba za prazninom (ili vakuumom) između atoma postavila je nova pitanja na koja nije lako odgovoriti. Iz tog je razloga atomističku sliku Aristotel i atenska škola odbacila u prilog shvaćanju da je materija kontinuirana. Ideja se ipak nastavila i pojavila se 400 godina kasnije u spisima rimskog pjesnika Lukrecija u svom djelu De rerum natura (O prirodi stvari).

Malo je učinjeno na promicanju ideje da se materija može načiniti od sitnih čestica do 17. stoljeća. Engleski fizičar Isaac Newton u svojoj je Principia Mathematica (1687.) predložio da Boyleov zakon, koji kaže da je produkt tlaka i volumena plina konstantan na istoj temperaturi, može objasniti ako pretpostavimo da je plin sastavljena od čestica. 1808. engleski kemičar John Dalton predložio je da se svaki element sastoji od identičnih atoma, a 1811. talijanski fizičar Amedeo Avogadro pretpostavio je da se čestice elemenata mogu sastojati od dva ili više atoma koji su spojeni zajedno. Avogadro je takve konglomeracijske molekule nazvao i na temelju eksperimentalnog rada pretpostavio je da se molekule plina vodika ili kisika stvaraju iz para atoma.

Tijekom 19. stoljeća razvijala se ideja o ograničenom broju elemenata, koji se svaki sastoje od određene vrste atoma, koji se mogu kombinirati na gotovo neograničen broj načina stvaranja kemijskih spojeva. Sredinom stoljeća kinetička teorija plinova uspješno pripisuje pojave tlaka i viskoznosti plinu pokretima atomskih i molekularnih čestica. Do 1895. sve veća težina kemijskih dokaza i uspjeh kinetičke teorije ostavili su malo sumnje da su atomi i molekule stvarni.

Međutim, unutarnja struktura atoma postala je jasna tek početkom 20. stoljeća radovima britanskog fizičara Ernesta Rutherforda i njegovih učenika. Sve do Rutherfordovih nastojanja, popularni model atoma bio je takozvani model "pudinga od šljive", koji je zagovarao engleski fizičar Joseph John Thomson, koji je smatrao da se svaki atom sastoji od više elektrona (šljiva) ugrađenih u gel pozitivnog naboja (puding); ukupni negativni naboj elektrona točno uravnotežuje ukupni pozitivni naboj, dajući atom koji je električno neutralan. Rutherford je izveo niz eksperimenata raspršivanja koji su doveli u pitanje Thomson-ov model. Rutherford je primijetio da kad snop alfa čestica (za koje se sada zna da su helijske jezgre) udari tankom zlatnom folijom, neke čestice se odbace natrag. Ovako velika odstupanja nisu bila u skladu s modelom pudinga od šljive.

Ovaj rad doveo je do Rutherfordovog atomskog modela, u kojem je teško jezgro pozitivnog naboja okruženo oblakom svjetlosnih elektrona. Jezgro se sastoji od pozitivno nabijenih protona i električno neutralnih neutrona, od kojih je svaki približno 1836 puta masivniji od elektrona. Budući da su atomi tako mali, njihova se svojstva moraju zaključiti neizravnim eksperimentalnim tehnikama. Glavna među njima je spektroskopija koja se koristi za mjerenje i tumačenje elektromagnetskog zračenja koje zrače ili apsorbiraju atomi dok prolaze prijelaze iz jednog energetskog stanja u drugo. Svaki kemijski element zrači energijom na karakterističnim valnim duljinama, što odražava njihovu atomsku strukturu. Postupcima mehanike valova, energije atoma u različitim energetskim stanjima i karakteristične valne duljine koje emitiraju mogu se izračunati iz određenih osnovnih fizičkih konstanti - naime, mase elektrona i naboja, brzine svjetlosti i Planckove konstante. Na temelju tih osnovnih konstanti, numerička predviđanja kvantne mehanike mogu obuhvatiti većinu promatranih svojstava različitih atoma. Konkretno, kvantna mehanika nudi duboko razumijevanje rasporeda elemenata u periodičnoj tablici, pokazujući na primjer da bi elementi u istom stupcu tablice trebali imati slična svojstva.

Posljednjih godina snaga i preciznost lasera izvršili su revoluciju u području atomske fizike. S jedne strane, laseri su dramatično povećali preciznost pomoću koje se mogu mjeriti karakteristične valne duljine atoma. Na primjer, suvremeni standardi vremena i frekvencije temelje se na mjerenjima prijelaznih frekvencija u atomskom ceziju (vidi atomski sat), a definicija brojila kao jedinice duljine sada je povezana s mjerenjima frekvencije putem brzine svjetlosti. Uz to, laseri su omogućili potpuno nove tehnologije za izoliranje pojedinih atoma u elektromagnetskim zamkama i hlađenje do gotovo apsolutne nule. Kad se atomi dovedu u mirovanju u klopku, oni mogu proći kvantno mehanički fazni prijelaz u tvorbu superfluida poznatog kao Bose-Einsteinova kondenzacija, a ostajući u obliku razrijeđenog plina. U ovom novom stanju materije svi su atomi u istom koherentnom kvantnom stanju. Kao posljedica toga, atomi gube pojedinačni identitet, a njihova kvantno mehanička svojstva nalik valovima postaju dominantna. Cjelokupni kondenzat tada reagira na vanjske utjecaje kao jedinstvena cjelina (poput škole riba), umjesto kao skup pojedinačnih atoma. Nedavni rad pokazao je da se koherentan snop atoma može izvući iz zamke da bi se stvorio "atomski laser" analogan koherentnom snopu fotona u uobičajenom laseru. Atomski laser je još uvijek u ranoj fazi razvoja, ali ima potencijal postati ključni element budućih tehnologija za proizvodnju mikroelektronskih i drugih nanoskalijskih uređaja.