Атомная физика – это один из основных разделов физики, который изучает свойства и строение атомов. Данный раздел традиционной физике сформировался в конце XIX столетия в результате проведения множества экспериментов. Было установлено, что атом – это система, состоящая из положительно заряженного ядра, а также отрицательно заряженных электронов. Атомная физика получила свое развитие вместе с созданием квантовой механики, что объясняла структуру атома.
Атомная физика: понятие, задачи и основные разделы
Атомная физика – это раздел классической физики, который изучает строение и свойства атомов, электронных конфигураций и ионов, а также элементарных процессов, в которых принимают участие атомы.
Атомная физика использует линейные размеры в пределах 10−8 см и энергиями порядка 1 эВ.
Ключевой задачей данного раздела физики является определение всех возможных состояний атома.
Основные разделы атомной физики:
- теория атома;
- атомная спектроскопия;
- рентгеноспектральный анализ;
- физика атомных столкновений;
- радиоспектроскопия.
Основу современной атомной физики составляет квантово-механическая теория, что описывает все физические явления на атомно-молекулярном уровне. Атомная физика изучает атом, как систему из ядра и электронов. Свойства данной системы и всех процессов, что протекают в ней, определяются электромагнитным взаимодействием, в отличие от ядерной физики, где ключевую роль играет сильное и слабое взаимодействие.
Основные проблемы атомной физики
Необходимо начать с проблемы, которая привлекает на сегодняшний день основное внимание физиков, над которой работают все современные исследователи в лабораториях по всему миру. Это проблема атомного ядра, в частности, наиболее актуальная его часть – проблема урана.
Ученым удалось установить, что атом состоит из положительно заряженного ядра, который окружен незначительным количеством электронов. Положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны компенсируют друг друга, поэтому атом кажется нейтральным.
Начиная с 1930 года, основное внимание физиков было уделено атомному ядру. Именно ядро интересовало из больше всего, поскольку в нем сосредотачивалась основная часть атома. А масса – это мера запаса энергии, которой обладает данная система. Колоссальные запасы энергии, которые находятся именно в атомной ядре, невозможно сравнить с формами энергии, что известны человечеству на сегодняшний день.
Кроме этого, атомное ядро интересует физиков и по другой причине. Ядро определяет всю природу атома, его индивидуальность и химические свойства. Если железо отличается от углерода, меди или свинца, то данное различие сосредоточено именно в атомном ядре, но не в электронах. Электроны у всех одинаковы. Любой атом может потерять часть своих электронов, вплоть до того, что они могут быть сорваны с атома. Пока атомное ядро цело и неизменно, то оно со своим положительным зарядом может притянуть к себе то количество электронов, которое ему необходимо для восполнения заряда.
Как только атомное ядро изменяется, то из одного химического элемента получается другой. Тогда сможет осуществиться давняя мечта алхимиков – превращение одних химических элементов в другие. На современном этапе развития физики данная мечта осуществилась, однако, не в тех формах и не с теми результатами, которые планировали получить алхимики и физики.
Эта картина выявилась не просто. Физикам пришлось пройти через целый ряд затруднений и противоречий, которые на момент своего определения казались безвыходными. Но данные проблемы атомной физики в общей истории науки оказались только разными сторонами целостной картины, которая представляла собой синтез противоречивых положений.
Важнейшими из проблем и сложностей атомной физики является следующее: в начале текущего столетия было выявлено, что из недр радиоактивных атомов выходят б-частицы (ядра гелия) и в-частицы, которые оказались электронами. Казалось, что атомное ядро состоит из электронов и гелия. Очевидно, что невозможно составить ядро водорода из ядер гелия, которые вчетверо тяжелее.
Рисунок 1. Физика атомного ядра. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Как обнаружились основные проблемы атомной физики?
Большинство ученых-физиков слишком преклоняются перед научными «авторитетами», что мешает им глубже понять суть актуальных проблем атомной физики. Существует мнение, что нельзя подвергать изменениям физические законы и фундаментальные постоянные. Однако вся история науки показывает, что подобный подход ведет к застою, а его сторонники редко получают интересные и независимые решения насущных проблем атомной физики.
Стоит выделить несколько исторических фактов, которые помогли обнаружить наиболее актуальные проблемы атомной физики. К ним можно отнести:
- В начале ХХ столетия ключевой проблемой было строение атома. Первая попытка разработки и создания модели атома принадлежала английскому физику Дж. Дж. Томсону, который в 1903 году пытался ее сконструировать. В результате вещество равномерно размазано по всему объему атома.
- Ученик Дж. Дж. Томсону Резерфорд осуществил бомбардировку атомов альфа-частицами при помощи золотой фольги. Уже в 1910 году он предложил ядерную или планетарную модель атома, в котором между ядром и электронной оболочкой находилась пустота. Спустя некоторое время стало известно, что ядра не имеют выраженной и четкой поверхности. Пространство между ядром и электронной оболочкой заполнено ядерной пылью, которая сгущалась ближе к ядру. Данная ядерная модель Резерфорда считалась неустойчивой, поэтому была сформирована новая квантовая теория атома. Данный ученый возглавлял кавендишевскую лабораторию в Кембридже. Своим ученикам он запрещал научной проблемой применения атомной энергии. Возможно, по этой причине немецкие физики не афишировали создание атомной бомбы. Резерфорд отказался заниматься созданием ядерного оружия.
Перед началом Второй мировой войны была разработана теория деления атомного ядра – распад тяжелых ядер при бомбардировке нейтронами. Данный распад был открыт Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в Германии. В результате открытия цепных реакций деления появляется возможность создания атомного оружия.
В США в 1942 году начинается процесс разработки и создания атомной бомбы под руководством Д. Оппенгеймера, а в 1943 году в СССР запущен процесс ее создания. В 1945 году атомная бомба была сброшена на Хиросиму и Нагасаки. Работа ученых была воспринята как противоречие морали, поскольку погибли сотни ни в чем невинных людей. После потрясений в Хиросиме Оппенгеймер не смог погасить обостренное чувство вины. В то время разгораются конфликты между физиками, в которых один из разработчиков атомной бомбы отстаивает создание водородной бомбы.
В 1952 году проводится испытание термоядерного оружия, а в 1955 году в СССР проводится тестирование водородной бомбы. Физики, которые работали над созданием ядерного оружия, испытывали страх перед продолжением данных испытаний, результаты которых могли провести к необратимым последствиям и большому количеству жертв. Исследователи поняли, что расчеты водородных бомб содержат множество ошибок, которые могут погубить человечество и даже разрушить Землю. Однако данные проблемы они скрыли.
Современные физики забыли эти уроки и пытаются создать новое оружие при помощи «Большого адронного коллайдера». Успехи атомной физики в современном мире обернулись выбросом в атмосферу огромного количества вредных веществ. Флора и фауна нашей планеты погибает от пагубного воздействия разработок атомной физики. Для человечества крайне опасны атомные электростанции (Чернобыльская АЭС), однако на сегодняшний день происходит массовое затмение разума ученых и физиков. Человечество неизбежно ждут новые катаклизмы и катастрофы, которые связаны с исследования и разработками новых технологий атомной физики.
