Fizica atomica
Fizica atomică este o ramură a fizicii microscopice ce se ocupă cu studiul atomilor ca un sistem izolat de electroni şi un nucleu atomic. În principal se studiază aranjarea electronilor în jurul nucleului. De asemenea, se studiază şi procesul prin care aranjarea electronilor se modifică. Aceasta include şi ionii şi atomii neutrii.
Termenul de fizică atomică este cel mai des asociat cu fizica nucleară, deoarece în general atomic şi nuclear sunt sinonime pentru majoritatea populaţiei. Specialiştii fizicieni diferenţiază fizica atomică şi fizica nucleară. În cazul fizicii nucleare se studiază strict numai nucleul atomului.
Atomii izolaţi
În cadrul fizicii atomice, atomii sunt întotdeauna consideraţi izolaţi – un singur nucleu înconjurat de unul sau mai mulţi electroni legaţi. Din acest motiv nu se studiază formarea moleculelor, nici nu se examinează atomii în stadiu solid sau în materie condensată. Se studiază procese precum ionizarea şi excitarea de către fotoni sau coliziunea cu particule atomice. Modelarea atomilor în izolare nu pare realistă, însă atomii din gaz şi plasmă interacţionează între ei pe o durată de timp enormă în comparaţie cu procesele atomice studiate. Astfel, atomii pot fi consideraţi izolaţi. Fizica atomică oferă bazele teoriei ce se foloseşte în fizica plasmei şi fizica atmosferei.
Electroni
Configuraţia electronilor se referă la aranjarea electronilor în cadrul unui atom. Precum alte particule elementare, electronii sunt supuşi legilor mecanicii cuantice. Stările cuantice ale unui electron sunt date de funcţia undă cu valori în spaţiu şi timp. Electronii se mută dintr-un nivel de energie în altul numai prin emisia sau absorbţia de energie cuantică – sub forma de foton. Cunoaşterea configuraţiei electronilor într-un atom are aplicaţii în înţelegerea structurii tabelului periodic din chimie. De asemenea, aceste date se folosesc pentru descrierea legăturilor chimice ce fac atomii să se ţină apropiaţi. În acelaşi fel se pot explica şi unele proprietăţi ciudate ale laserelor şi a semiconductoarelor.
Stări cuantice
Un sistem mecanic cuantic poate avea numai anumite stări. În consecinţă numai anumite nivele de energie sunt posibile. Nivelul de energie se referă, în general, la configuraţia electronilor în atomi sau molecule. Spectrul de energie poate fi cuantificat. Deci, nivelul de energie este o cantitate măsurabilă utilizată pentru descriere ansamblului de sisteme mecanice cuantice în fizică. Nivelul de energie poate fi numit „degenerat” dacă acelaşi nivel este obţinut de mai multe stări ale sistemului mecanic cuantic.
Energia dintre electroni
Nivelul de energie este întotdeauna definit. Măsurarea valorii în sine nu are sens. Ceea ce are sens este măsurarea diferenţei dintre două nivele de energie A şi B. Astfel se poate determina câtă energie este necesară pentru trecerea din starea A în starea B. Diferenţa de nivel de energie între electroni ne permite să calculăm spectrul de emisie şi de absorbţie a atomilor în interacţiunea cu fotoni.
Funcţia de undă
Cu ajutorul funcţiei de undă se poate determina probabilitatea de a găsi o particulă în regiunea dorită a spaţiului. Funcţia este folosită pentru descrierea oricărui sistem fizic. Cu aceasta se face maparea posibilelor stări ale sistemului în numere complexe. Evoluţia în timp poate fi calculată folosind legea mecanicii cuantice: ecuaţia lui Schrödinger. Valorile funcţiei sunt numere complexe ce reprezintă amplitudini de probabilitate ca sistemul să se găsească în oricare stare posibilă. În cadrul atomilor, funcţia ne dă configurările posibile ale electronilor.
Orbitalul atomic
Orbitalul atomic este o funcţie de undă ce determină regiunea în care un electron se poate găsi în jurul unui atom izolat, într-o stare energetică particulară. Rezultatul se mai numeşte şi lista de stări cuantice posibile ale electronului.
Starea unui electron într-un atom este dată de patru numere cuantice. Aceste numere sunt proprietăţile orbitalului în care se găseşte electronul:
Istoric
Primii paşi spre dezvoltarea studiului fizicii atomice s-au făcut din momentul în care s-a descoperit fapte in sprijinul ipotezei alcătuirii din atomi a substanţelor în secolul al XVIII-lea, prin aportul fizicianului John Dalton. Începutul fizicii atomice moderne este marcat de descoperirea liniilor spectrale de către Joseph von Fraunhoffer, aproximativ în anul 1814 – inventarea stereoscopului.
Termenul de fizică atomică este cel mai des asociat cu fizica nucleară, deoarece în general atomic şi nuclear sunt sinonime pentru majoritatea populaţiei. Specialiştii fizicieni diferenţiază fizica atomică şi fizica nucleară. În cazul fizicii nucleare se studiază strict numai nucleul atomului.
Atomii izolaţi
În cadrul fizicii atomice, atomii sunt întotdeauna consideraţi izolaţi – un singur nucleu înconjurat de unul sau mai mulţi electroni legaţi. Din acest motiv nu se studiază formarea moleculelor, nici nu se examinează atomii în stadiu solid sau în materie condensată. Se studiază procese precum ionizarea şi excitarea de către fotoni sau coliziunea cu particule atomice. Modelarea atomilor în izolare nu pare realistă, însă atomii din gaz şi plasmă interacţionează între ei pe o durată de timp enormă în comparaţie cu procesele atomice studiate. Astfel, atomii pot fi consideraţi izolaţi. Fizica atomică oferă bazele teoriei ce se foloseşte în fizica plasmei şi fizica atmosferei.
Electroni
Configuraţia electronilor se referă la aranjarea electronilor în cadrul unui atom. Precum alte particule elementare, electronii sunt supuşi legilor mecanicii cuantice. Stările cuantice ale unui electron sunt date de funcţia undă cu valori în spaţiu şi timp. Electronii se mută dintr-un nivel de energie în altul numai prin emisia sau absorbţia de energie cuantică – sub forma de foton. Cunoaşterea configuraţiei electronilor într-un atom are aplicaţii în înţelegerea structurii tabelului periodic din chimie. De asemenea, aceste date se folosesc pentru descrierea legăturilor chimice ce fac atomii să se ţină apropiaţi. În acelaşi fel se pot explica şi unele proprietăţi ciudate ale laserelor şi a semiconductoarelor.
Stări cuantice
Un sistem mecanic cuantic poate avea numai anumite stări. În consecinţă numai anumite nivele de energie sunt posibile. Nivelul de energie se referă, în general, la configuraţia electronilor în atomi sau molecule. Spectrul de energie poate fi cuantificat. Deci, nivelul de energie este o cantitate măsurabilă utilizată pentru descriere ansamblului de sisteme mecanice cuantice în fizică. Nivelul de energie poate fi numit „degenerat” dacă acelaşi nivel este obţinut de mai multe stări ale sistemului mecanic cuantic.
Energia dintre electroni
Nivelul de energie este întotdeauna definit. Măsurarea valorii în sine nu are sens. Ceea ce are sens este măsurarea diferenţei dintre două nivele de energie A şi B. Astfel se poate determina câtă energie este necesară pentru trecerea din starea A în starea B. Diferenţa de nivel de energie între electroni ne permite să calculăm spectrul de emisie şi de absorbţie a atomilor în interacţiunea cu fotoni.
Funcţia de undă
Cu ajutorul funcţiei de undă se poate determina probabilitatea de a găsi o particulă în regiunea dorită a spaţiului. Funcţia este folosită pentru descrierea oricărui sistem fizic. Cu aceasta se face maparea posibilelor stări ale sistemului în numere complexe. Evoluţia în timp poate fi calculată folosind legea mecanicii cuantice: ecuaţia lui Schrödinger. Valorile funcţiei sunt numere complexe ce reprezintă amplitudini de probabilitate ca sistemul să se găsească în oricare stare posibilă. În cadrul atomilor, funcţia ne dă configurările posibile ale electronilor.
Orbitalul atomic
Orbitalul atomic este o funcţie de undă ce determină regiunea în care un electron se poate găsi în jurul unui atom izolat, într-o stare energetică particulară. Rezultatul se mai numeşte şi lista de stări cuantice posibile ale electronului.
Starea unui electron într-un atom este dată de patru numere cuantice. Aceste numere sunt proprietăţile orbitalului în care se găseşte electronul:
- Numărul cuantic principal, notat n ≥ 1. Acesta cuantifică energia per total a orbitalului şi distanţa electronului faţă de nucleul atomului. În funcţie de acesta, nivelurile electronice se împart în pături K, L, M, etc.
- Numărul cuantic azimutal, notat l, cu valori între 0 şi n-1. Acesta împarte o pătură în subpături, determinând tipul orbitalului, cunoscut şi ca numărul de noduri în graficul densităţii.
- Numărul cuantic magnetic, notat m, cu valori între - şi +, inclusiv 0. Determină transferul de energie al unui orbital atomic datorat câmpului magnetic extern (efectul Zeeman). Acest număr indică orientarea în spaţiu a momentului magnetic.
- Numărul cuantic de spin, notat ms, cu valorile -½ sau +½ (numite uneori „jos” sau „sus”). Spinul este o proprietate intrinsecă a electronului, independentă de celelalte numere cuantice.
Istoric
Primii paşi spre dezvoltarea studiului fizicii atomice s-au făcut din momentul în care s-a descoperit fapte in sprijinul ipotezei alcătuirii din atomi a substanţelor în secolul al XVIII-lea, prin aportul fizicianului John Dalton. Începutul fizicii atomice moderne este marcat de descoperirea liniilor spectrale de către Joseph von Fraunhoffer, aproximativ în anul 1814 – inventarea stereoscopului.