Атомна фізика
Атомна фізика — розділ фізики, який вивчає будову і властивості атомів, їх взаємодію з іншими частинками та з зовнішніми електричними і магнітними полями.
Зміст
Історична довідка
Історія розвитку атомної фізики розпочинається зі здогаду давньогрецьких філософів (Левкіппа та Демокрита), що всі речовини складаються з найменших неподільних часточок, які вони назвали атомами. У ті часи цю гіпотезу неможливо було перевірити експериментально, тому вона існувала паралельно з гіпотезою Аристотеля про неперервні стихії, що заповнюють увесь простір і, поєднуючись у різних пропорціях, утворюють всі тіла у природі. У Стародавньому Римі про дискретність речовини на мікрорівні писав Лукрецій (99 до н. е. — 55 до н. е.) у філософській поемі «Про природу речей» (лат. «De rerum natura»).
У 17 ст. І. Ньютон писав: властивості газів можуть бути пояснені припущенням, що вони складаються з мікроскопічних часточок. Наприкінці 18 — на початку 19 ст. А. Л. Лавуазьє, Дж. Дальтон, А. Авогадро сформулювали гіпотези про елементи, що складаються з однакових атомів, і молекули з кількох атомів як найменші частинки певної речовини. До кінця 19 ст. дані хіміків і кінетична теорія газів підтримали уявлення, що речовина складається з атомів і молекул.
Моделі будови атома
Етапи розвитку атомної фізики прослідковуються по атомних моделях — уявленнях людей про будову атомів: від уявлень давньогрецьких філософів про абсолютно тверді неподільні часточки речовини до сучасної планетарної моделі атома. Малі розміри атомів унеможливлюють безпосереднє спостереження їхньої будови і характеру руху складових елементів навіть з використанням найсучасніших технічних засобів. Тому всі описи будови і внутрішніх рухів складових частин атома — це лише модельні уявлення, передбачення яких можна порівнювати з результатами експериментів і робити висновки про правильність цих уявлень.
Першою моделлю будови атома, що ґрунтувалася на експериментальних фактах була модель атома Томсона або, як її ще називають, модель «пудингу з родзинками». Вона з’явилася як результат відкриття Дж. Дж. Томсоном від’ємно зарядженого електрона як складової частини атома. Згідно моделі Томсона атом складається з об’ємного додатного заряду, що займає весь його об’єм, і електронів, які можуть рухатись всередині додатного заряду. Модель Томсона була спростована результатами дослідів із зондування атомів б-частинками, виконаних у лабораторії Е. Резерфорда. Виявилось, що додатний заряд і майже вся маса атома зосереджені в дуже малому ядрі (див. Ядро атома), навколо якого рухаються електрони. Схожість такої моделі з Сонячною системою зумовила її назву — планетарна модель атома. Пізніше було встановлено, що ядро атома складається з додатно заряджених протонів, кількість яких точно дорівнює кількості електронів, і нейтронів, кількість яких впливає на масу ядра і визначає ізотопічну різноманітність атомів.
Однак планетарна модель атома не могла пояснити його стабільність. Згідно з класичною електродинамікою електрони, рухаючись навколо ядра, повинні були б випромінювати електромагнітні хвилі, втрачати енергію та швидко впасти на ядро. Протиріччя розв’язав Н. Бор, який наклав певні обмеження на рух електронів, постулювавши, що електрони, рухаючись орбітами певних радіусів, всупереч класичній електродинаміці не випромінюють електромагнітні хвилі. Розрахунок радіусів таких орбіт Н. Бор зробив із використанням сталої Планка, яка вперше з’явилась у формулі М. Планка для інтенсивності випромінювання нагрітих тіл і у рівнянні А. Айнштайна для фотоефекту. Успіхом моделі Бора було точне передбачення енергетичних рівнів атома і довжин хвиль випромінюваного ним світла.
Однак модель Бора дає точні кількісні результати лише для атома водню і воднеподібних йонів. Для побудови наступних атомних моделей довелося відійти від уявлень класичної фізики й скористатись уявленнями та математичним апаратом квантової механіки. Її основною ідеєю є гіпотеза Л. В. Бройля про те, що частинки речовини мають хвильові властивості (див. Дуалізм корпускулярно-хвильовий). Тому для опису їхнього руху потрібно користуватись не координатами, імпульсами і рівняннями Ньютона, а хвильовим рівнянням Шредінгера. Одним із фундаментальних положень квантової механіки є співвідношення невизначеностей, яке забороняє точне визначення координат та імпульсів частинок. Немає сенсу говорити про траєкторію руху електрона в атомі, можна лише знайти імовірності його розташування в різних точках простору. Тому під час опису різних квантових станів електрона в атомі говорять про форму електронної хмари.
Ще одним необхідним положенням став принцип Паулі — заборона для електронів як ферміонів перебувати більше ніж одній частинці в певному квантовому стані. З використанням описаних припущень про хвильові властивості електронів і дискретність зміни фізичних величин на мікрорівні вдалося точно описати енергетичні спектри будь-яких атомів і їх взаємодію з зовнішнім електричним і магнітним полем. Розроблені теорії виявились застосовними також для молекул та інших фізичних систем в мікроскопічному діапазоні розмірів.
Сучасний стан
Сучасна атомна фізика розвивається паралельно з квантовою механікою, яка, по суті, є її теоретичною основою. Сучасна атомна фізика також тісно пов’язана з фізикою лазерів, створення яких стало можливим після детального вивчення енергетичних спектрів атомів і молекул. Лазери стали для атомної фізики надзвичайно точним інструментом для вимірювань і переведення атомів у потрібний квантовий стан. Наприклад, точні вимірювання частоти переходу у атомах Цезію дали можливість використати його як стандарт частоти і часу (атомний годинник), а з використанням методу лазерного охолодження вдалося знизити температуру газу до мільйонних часток Кельвіна і отримати новий стан речовини — Бозе-конденсат (див. Бозе – Айнштайна конденсація), в якому макроскопічні об’єми атомів поводять себе як єдина квантова система. Виведення з хмарки Бозе-конденсату пучка атомів дало можливість побудувати атомний лазер, який дає пучок когерентних хвиль речовини аналогічно до того, як звичайний лазер дає пучок когерентних електромагнітних хвиль.
Серед провідних зарубіжних наукових центрів та організацій з атомної фізики: Європейська організація з ядерних досліджень (ЦЕРН), центри ядерних досліджень Бельгії, Франції («Кадараш»), Японії (Науково-дослідний центр атомної енергії), США (Айдагська національна інженерна лабораторія), Німеччини (Інститут ядерної фізики Макса Планка), Швеції (Науково-дослідний центр «Студсвік») тощо.
Атомна фізика в Україні
Першими центрами досліджень з атомної фізики в Україні з 1930-х були Харківський університет (тепер Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна) та Український фізико-технічний інститут в м. Харкові (тепер Харківський фізико-технічний інститут). Тут 1932 була здійснена перша в СРСР реакція розщеплення ядер літію, проводилися успішні дослідження умов здійснення ланцюгової реакції поділу ядер урану.
Тепер провідним центром атомної фізики в Україні є Науковий центр «Інститут ядерних досліджень» НАН України (заснований 1970). Головні напрями фундаментальних і прикладних досліджень Інституту: ядерна фізика високих, середніх та низьких енергій, атомна енергетика, радіаційна фізика твердого тіла та реакторне матеріалознавство, фізика плазми та керований термоядерний синтез, радіобіологія та радіоекологія.
Завдяки досягненням академічних наукових установ Україна з 2016 набула статусу асоційованого члена ЦЕРН.
Література
- Phillips W. D. Laser Cooling and Trapping of Neutral Atoms. Nobel lecture // Reviews of Modern Physics. 1998. № 70. P. 721–741.
- Lombardi M., Heavner Th., Jefferts S. NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI second // Measure. 2007. № 2 (4). P. 74–89.
- Білий М.У., Охріменко Б.А. Атомна фізика. Київ : Знання, 2009. 559 с.
- Friedrich H. Theoretical Atomic Physics. Cham : Springer, 2017. 642 p.
Автор ВУЕ
Покликання на цю статтю: Дмитрук І. М. Атомна фізика // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Атомна фізика (дата звернення: 1.05.2024).
Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 20.11.2020
Важливо!
Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.
Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.
Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.
Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів
Офіс Президента України
Верховна Рада України
Кабінет Міністрів України
Служба безпеки України
Міністерство оборони України
Міністерство внутрішніх справ України
Національна поліція України
