Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

А́ТОМНАЯ ФИ́ЗИКА

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 2. Москва, 2005, стр. 473-474

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: В. И. Балыкин, М. А. Ельяшевич

А́ТОМНАЯ ФИ́ЗИКА, 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 осн. 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 вв. до н. э. в Древ­ней Гре­ции (Де­мок­рит, Эпи­кур и др.). В 17–18 вв., в пе­ри­од ста­нов­ле­ния точ­но­го ес­те­ст­во­зна­ния, ато­ми­стич. пред­став­ле­ния раз­ви­ва­ли И. Ке­п­лер, П. Гас­сен­ди, Р. Де­карт, Р. Бойль, И. Нью­тон, М. В. Ло­мо­но­сов и др. Од­на­ко лишь в кон. 18 – нач. 19 вв. экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния при­ве­ли к соз­да­нию пер­вых ато­ми­стич. тео­рий. На ос­но­ве ко­ли­че­ст­вен­ных хи­мич. за­ко­нов и за­ко­нов иде­аль­ных га­зов в нач. 19 в. ста­ла раз­ви­вать­ся хи­мич. ато­ми­сти­ка (Дж. Даль­тон, А. Аво­гад­ро, Й. Бер­це­ли­ус), а к сер. 19 в. бы­ли раз­гра­ни­че­ны по­ня­тия ато­ма и мо­ле­ку­лы (С. Кан­ниц­ца­ро). В 1869 Д. И. Мен­деле­ев от­крыл пе­рио­дич. за­кон и соз­дал пе­рио­дич. сис­те­му хи­мич. эле­мен­тов, но­ся­щую его имя. Ато­ми­стич. пред­став­ления лег­ли в ос­но­ву мо­ле­ку­ляр­ной физи­ки, в ча­ст­но­сти ки­не­тич. тео­рии га­зов (сер. 19 в.), и ста­ти­стич. 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, нем. кри­стал­ло­граф А. Шён­флис).

По­строе­нию совр. А. ф. в нач. 20 в. пред­ше­ст­во­ва­ли от­кры­тия элек­тро­на (1897, Дж. Дж. Том­сон) и ра­дио­ак­тив­но­сти (1895, А. Бек­ке­рель), ко­то­рые оп­ро­верг­ли мне­ние о не­де­ли­мо­сти ато­ма. Важ­ней­шим со­бы­ти­ем в А. ф. яви­лось от­кры­тие Э. Ре­зер­фор­дом в 1911 атом­но­го яд­ра, об­ла­даю­ще­го ма­лы­ми по срав­не­нию с ато­мом раз­ме­ра­ми и со­сре­до­точив­ше­го в се­бе осн. мас­су и по­ло­жи­тель­ный за­ряд ато­ма. Ре­зер­форд пред­ло­жил т. н. пла­не­тар­ную мо­дель ато­ма: во­круг по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­го мас­сив­но­го яд­ра дви­га­ют­ся по ор­би­там лёг­кие от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные элек­тро­ны. Од­на­ко в со­от­вет­ст­вии с за­ко­на­ми клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки та­кой атом был бы не­ус­той­чи­вым, т. к. элек­тро­ны при этом не­пре­рыв­но из­лу­ча­ли бы элек­тро­маг­нит­ную энер­гию и за до­ли се­кун­ды упа­ли на яд­ро. В 1913 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 внутр. 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 $E=hν_{ik}$, где $h$ – по­сто­ян­ная План­ка, а $ν_{ik}$ – т. н. час­то­та кван­то­во­го пе­ре­хо­да, оп­ре­де­ляе­мая энер­гия­ми ста­цио­нар­ных со­стоя­ний $i$ и $k$, 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 пе­рио­дич. за­кон Мен­де­лее­ва. Для оп­ре­де­ле­ния воз­мож­ных дис­крет­ных зна­че­ний энер­гии ато­ма во­до­ро­да Бор пред­по­ло­жил, что при очень ма­лых $ν$ кван­то­вые и клас­сич. ре­зуль­та­ты долж­ны сов­па­дать (т. н. со­от­вет­ст­вия прин­цип), и при­ме­нил для опи­са­ния дви­же­ния элек­тро­на и вы­чис­ле­ния его энер­гии клас­сич. за­ко­ны элек­тро­ди­на­ми­ки. Од­на­ко тео­рия Бо­ра ока­за­лась не­при­ме­ни­мой к ато­му ге­лия и бо­лее слож­ным ато­мам.

В 1923 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. Т. о., элек­трон в оп­ре­де­лён­ном со­стоя­нии ана­ло­ги­чен стоя­чей вол­не с дли­ной $λ$, оп­ре­де­ляю­щей его энер­гию $E=hc/λ$ (где $с$ – ско­рость све­та) и им­пульс $p=h/λ$. 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, т. к. 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 в тео­рию бы­ла вве­де­на (Дж. Улен­бек и С. Га­уд­смит) но­вая фи­зич. ве­ли­чи­на – спин элек­тро­на – его соб­ст­вен­ный ме­ха­нич. мо­мент, с ко­то­рым свя­зан соб­ст­вен­ный маг­нит­ный мо­мент элек­тро­на. Ока­за­лось, что спи­ном об­ла­да­ют и др. атом­ные час­ти­цы, и атом в це­лом. Учёт спи­на по­зво­лил объ­яс­нить рас­ще­п­ле­ние уров­ней энер­гии и спек­траль­ных ли­ний ато­ма в элек­трич. и маг­нит­ных по­лях (Зее­ма­на эф­фект и Штар­ка эф­фект), уяс­нить по­ря­док рас­по­ло­же­ния элек­тро­нов в ато­мах разл. хи­мич. эле­мен­тов (см. Пау­ли прин­цип, Чис­ла за­пол­не­ния).

Кван­то­вая ме­ха­ни­ка объ­яс­ни­ла об­ра­зо­ва­ние ко­ва­лент­ной хи­мич. свя­зи (1927, В. Гайт­лер, Ф. Лон­дон), связь ато­мов в кри­стал­лах, влия­ние на них внут­ри­кри­стал­лич. по­ля (1929, Х. Бе­те), меж­атом­ные взаи­мо­дей­ст­вия и т. д.

В 1930-х гг. 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 са­мосто­ят. об­ласть – ядер­ную фи­зи­ку. В 1940–50-х гг. сфор­ми­ро­ва­лись фи­зи­ка эле­мен­тар­ных час­тиц и фи­зи­ка плаз­мы. Совр. А. ф. вклю­ча­ет тео­рию и экс­пе­рим. ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния атом­ных спек­тров в оп­ти­че­ском, рент­ге­нов­ском и ра­дио­диа­па­зо­нах. Она по­зво­ля­ет по­лу­чать точ­ные зна­че­ния энер­гий ста­цио­нар­ных со­стоя­ний, мо­мен­тов ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния и др. ха­рак­те­ри­стик ато­мов, изу­ча­ет ме­ха­низ­мы их воз­бу­ж­де­ния, столк­но­ви­тель­ные и внутр. про­цес­сы. Эти дан­ные не­об­хо­ди­мы для соз­да­ния разл. ти­пов ла­зе­ров, для фи­зи­ки плаз­мы, ре­ше­ния астро­фи­зич. и кос­мо­ло­гич. за­дач, для изу­че­ния элек­трич., маг­нит­ных и др. свойств ве­ще­ст­ва. Уши­ре­ние и сдвиг спек­траль­ных ли­ний по­зво­ля­ет су­дить о ло­каль­ных по­лях в кон­ден­си­ров. сре­дах, вы­звав­ших эти из­ме­не­ния, о темп-ре и плот­но­сти сре­ды, из­ме­рять вы­со­кие дав­ле­ния и т. п. Рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в кон­ден­си­ров. сре­дах, ко­то­рое оп­ре­де­ля­ют, напр., 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, т. к. дви­же­ние ато­мов ис­ка­жа­ет их спек­тры (напр., 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.

Лит. см. при ст. Атом.

Вернуться к началу