Атомная физика. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Атомная физика - раздел физики, посвящённый изучению строения и свойств атомов и элементарным процессам, в к-рых участвуют атомы. Наиб. характерные для А. ф. длины (линейные размеры атомов) ~10^-8см, а энергии (энергии связи внеш. электронов в атоме, элементарных хим. процессов с участием атомов) порядка эВ (тогда как для ядерной физики наиб. характерны длины ~10^-13 см и энергии порядка МэВ; см. Атом, Атомные спектры, Рентгеновские спектры. Поляризуемость атомов, ионов и молекул, Спонтанное испускание, Вынужденное испускание, Эйнштейна коэффициенты, Фотоэффект, Столкновения атомные. Низкотемпературная плазма).

Теоретич. основа А. ф.- квантовая теория (см. Квантовая механика, Квантовая алектродинамика), позволяющая объяснить огромную совокупность микроскопич. явлений на атомно-молекулярном уровне. Существенно, что строение и свойства атома как системы, состоящей из ядра и электронов, и характеристики излучательных и безызлучательных элементарных процессов, протекающих на этом уровне, определяются эл--магн. взаимодействием (в отличие от ядерной физики и физики элементарных частиц, в к-рых фундам. роль играют сильное взаимодействие и слабое взаимодействием; причём сильное взаимодействие не проявляется на характерных для А. ф. расстояниях, превышающих 10^-12 см, а слабое взаимодействие должно приводить в А. ф. к весьма интересным, но очень малым по величине эффектам).

Предыстория и основные этапы развития атомной физики. Возникновению А. ф. предшествовало развитие атомистич. представлений о строении материи. Первонач. идеи о существовании атомов как мельчайших неделимых и неизменных частиц материи были высказаны в Древней Греции в 5-3 вв. до н. э. (Демокрит, Эпикур). В период становления точного естествознания в 17-18 вв. атомистич. представления в разл. формах развивали И. Кеплер (J. Kepler), П. Гассенди (P. Gassendi), P. Декарт (R. Descartes), P. Бойль (R. Boyle), И. Ньютон (I. Newton), M. В. Ломоносов, P. Бошкович (R. Boskovic) и др. Однако эти представления носили гипотетич. характер и лишь с кон. 18 - нач. 19 вв. эксперим. исследования свойств вещества привели к созданию атомистич. теорий.

На основе установленных количественных хим. законов и законов идеальных газов с начала 19 в. стала развиваться химическая атомистика [Дж. Дальтон (J. Dalton), А. Авогадро (A. Avogadro di Quaregna), Я. Берцелиус (J. Berzelius)], в сер. 19 в. чётко разграничены и определены понятия атома и молекулы [С. Канниццаро (S. Cannizzaro)], в 1869 Д. И. Менделеев открыл периодич. закон хим. элементов (см. Периодическая система элементов). Представления физической атомистики легли в основу развития молекулярной физики, в т. ч. кинетич. теории газов (сер. 19 в.), и классич. статистической физики [2-я пол. 19 в., P. Клаузиус (R. Clausius), Дж. Максвелл (J. С. Maxwell), Л. Больцман (L. Boltzmann), Дж. У. Гиббс (J. W. Gibbs)]. B кон. 18-19 вв. начало развиваться учение о внутр. строении кристаллов и их симметрии [P. Гаюи (R. J. Hauy), O. Браве (A. Bravais), E. С. Фёдоров, А. Шёнфлис (A. M. Schoenflies)] на основе атомистич. представлений (см. Симметрия кристаллов, Враве решетки). Однако в 19 в. хим и физ. атомистика и атомистика в кристаллографии не имели общей теоретич. основы, ею стала в 20 в. квантовая теория строения атомов, молекул и кристаллов, созданная в результате развития А. ф.

Возникновение современной атомной физики связано с открытиями электрона (1897) и радиоактивности (1896). Они создали основу для построения моделей атома как системы взаимодействующих электрически заряженных частиц. Важнейшим этапом развития атомной физики стало открытие Э. Резерфордом (E. Rutherford) в 1911 атомного ядра и рассмотрение атома на основе квантовых представлений H. Бором (N.H.D. Bohr) в 1913. Резерфорд предложил модель атома, состоящего из центрального положительно заряж. ядра большой массы и размеров, малых по сравнению с размерами атома в целом, и из отрицательно заряженных электронов, имеющих по сравнению с ядром малую массу. Он экспериментально обосновал эту модель опытами по рассеянию a-частиц атомами. Все свойства атома оказались связанными либо со свойствами ядра (их изучает ядерная физика), либо со свойствами электронных оболочек атома.

Строение последних определяет химические и большинство физ. свойств атома и периодичность этих свойств в зависимости от осн. характеристики атома в целом - величины положит. заряда его ядра. Однако на основе законов классич. физики не могли быть объяснены устойчивость атома (ускоренно движущиеся вокруг ядра электроны должны непрерывно излучать и очень быстро упасть на ядро) и линейчатые атомные спектры, закономерности в к-рых подчиняются комбинац. принципу Ритца. Выход из этих трудностей нашёл Бор, применив к атому квантовые представления, впервые введённые M. Планком в 1900 и развивавшиеся с 1905 А. Эйнштейном и др. учёными. Основу квантовой теории атома Бора составляют два постулата: 1-й постулат Бора о существовании стационарных состояний атома, находясь в к-рых он не излучает (стационарные состояния обладают опре-дел. значениями энергии, в общем случае дискретными, из одного состояния в другое атом может переходить путём квантового, скачкообразного, перехода), 2-й постулат Бора о квантовых переходах с излучением, определяемых условием частот:

, где

- частота поглощаемого или испускаемого монохрома-тич. эл--магн. излучения,

- энергии стационарных состояний, между к-рыми происходит переход.

Постулаты Бора были всесторонне подтверждены экспериментально, оказались применимыми для др. микросистем (молекул, атомных ядер) и получили тео-ретич. обоснование в квантовой механике и квантовой электродинамике. Для определения возможных дискретных значений энергии простейшего атома - атома водорода - в стационарных состояниях Бор применил классич. механику и предположение о совпадении результатов квантовой и классич. теорий при малых частотах излучения, что представляло первонач. форму соответствия принципа ,к-рый Бор развивал в дальнейшем, придавая ему большое значение; принцип соответствия сыграл большую роль в становлении квантовой механики.

Рассмотрение, согласно модельной теории атома Бора, движения электронов в стационарных состояниях по законам классической механики при дополнительных условиях квантования (в частности, при условии равенства момента импульса электрона на круговой орбите целому кратному постоянной

; это условие часто неправильно включают в число постулатов Бора) позволило самому Бору, А. Зоммерфельду (A. Sommerfeld) и др. учёным объяснить закономерности в оптич. и рентгеновских спектрах и дать физ. истолкование периодич. закона элементов. Однако модельная теория Бора встретилась с рядом трудностей при объяснении свойств сложных атомов и простейших молекул (уже для атома гелия и молекулы водорода), что было связано с использованием классич. механики и имело принципиальный характер. Эти трудности были разрешены на следующем этапе развития А. ф. созданием начиная с 1925 последоват. квантовой теории.

Литература по атомной физике

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.