Физика атомов и молекул является разделом физики, который занимается исследованием внутреннего строения и физических свойств атомов и молекул, а также их наиболее сложных объединений (кластеров) Также данный раздел предусматривает изучение их возбужденных, ионизированных, и иных разновидностей слабосвязанных форм в формате микроскопических индивидуальных субъединиц материи.
Рисунок 1. Строение молекул. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Появление современной физики атомов взаимосвязано с открытиями электрона (в 1897 г.) и радиоактивности (1896 год). Они сформировали основу для последующего построения моделей атома как системы, взаимодействующих между собой электрически заряженных частиц. Главнейшим этапом развития атомной физики стало открытие Э. Резерфордом в 1911 атомного ядра и рассмотрение атома Н.Бором на основе квантовых представлений.
Направления физики атомов и молекул
Основными при изучении физики атомов и молекул считаются такие экспериментальные методы (широко задействованы в химии в аналитических целях), как спектроскопия и масс-спектрометрия; некоторые разновидности хроматографии, теоретические методы квантовой механики, термодинамики и статистической физики.
Физика атомов и молекул тесным образом взаимосвязана с молекулярной физикой, в которой проводятся исследования коллективных и физических свойств тел в различных агрегатных состояниях на основании рассмотрения их атомно-молекулярного строения.
Среди базовых направлений исследований выделяют следующие:
- физику атомных кластеров;
- физику сложных молекул;
- физику ридберговских атомов (высоко возбужденных состояний);
- атомы и молекулы в условиях сверхнизких температур и Бозе-Эйнштейновская конденсация.
Физика ридберговских атомов
Ридберговскими атомами (происхождение названия в честь ученого И. Ридберга) называются водородоподобные атомы и также атомы щелочных металлов, внешний электрон у которых пребывает в «высоко возбужденном» состоянии.
С целью перевода атома из основного состояния в возбужденное, требуется его облучение лазерным резонансным светом или инициирование радиочастотного разряда. При этом размер ридберговского атома может оказаться превышающим размер пребывающего в основном состоянии этого же атома десятикратно.
Рисунок 2. Ридберговские атомы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В момент возбуждения атомов из основного состояния в ридберговское ученые фиксируют такое интересное явление, как «дипольная блокада». В разреженном атомном паре межатомное расстояние (когда атомы находятся в основном состоянии) достаточно большое, при этом взаимодействие между атомами практически отсутствует.
В то же время, в процессе возбуждения атомов в ридберговское состояние, фиксируется увеличение радиуса их орбиты. Следствием этого становится «сближение» атомов и значительное увеличение взаимодействия между ними, что, в свою очередь, провоцирует смещение энергии состояний атомов.
Исследования, взаимосвязанные с ридберговскими состояниями атомов, условно разбиваются на две группы: изучение непосредственно атомов и применение их свойств в других целях.
К фундаментальным направлениям исследования относятся:
- Из нескольких состояний возможно составление волнового пакета, которые в пространстве будет более или менее локализованным. При малом значении орбитального момента движение такого волнового пакета окажется квазиодномерным, что означает удаление электронного облака от ядра и последующее приближение к нему.
- Изучение поведения ридберговского электрона во внешних электрических и магнитных полях. Обычные электроны, располагающиеся на близком расстоянии друг к другу, стандартно ощущают сильное электростатическое поле ядра, при этом внешние поля играют для них лишь роль мелких добавок.
- Ридберговский электрон способен чувствовать сильно ослабленное поле ядра, что допускает кардинальное изменение внешними полями направления движения электрона.
- Уникальными свойствами обладают атомы с двумя ридберговскими электронами, при этом один электрон «крутится» вокруг ядра на более существенном расстоянии, чем другой (планетарные атомы). Согласно одной из гипотез, шаровая молния считается состоящей из ридберговского вещества.
Конденсат Бозе — Эйнштейна
Конденсат Бозе — Эйнштейна (также еще называется Бозе-Эйнштейновским конденсатом или бозе-конденсатом) представляет агрегатное состояние вещества, чью основу составляют охлажденные до приближенных к абсолютному нулю температур бозоны (меньше миллионной доли кельвина).
В условиях такого сильно охлажденного состояния, довольно большое количество атомов оказываются в своих минимально возможных квантовых состояниях и также фиксируется проявление квантовых эффектов на макроскопическом уровне.
Рисунок 3. Функция распределения Бозе-Эйнштейна. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Теоретически конденсат Бозе-Эйнштейна был предсказан в А.Эйнштейном как следствие из законов квантовой механики. На основании работ Ш.Бозе (в 1995 году), первый бозе-конденсат был получен учеными в Объединенном институте лабораторной астрофизики Э.Корнеллом и К.Виманом. Ученым удалось использовать газ из рубидия после его охлаждения до 170 нано кельвин (данное исследование было награждено в 2001 году Нобелевской премией).
Согласно выводам ученых, замедление атомов (при использовании охлаждающей аппаратуры) позволяет получить достичь сингулярного квантового состояния, известного как конденсат Бозе, или конденсат Бозе-Эйнштейна.
Результатом лабораторных усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция бозе-газа, описывающая процесс статистического распределения тождественных частиц с целым спином (такие частицы будут называться бозонами). Бозонами, в то же время, могут также являться, к примеру, отдельные элементарные частицы (называемые фотонами). При этом целые атомы способны находиться в равных друг с другом квантовых состояниях.
Согласно предположению Эйнштейна, охлаждение атомов-бозонов до крайне низких температур спровоцирует их переход (или, по-другому, сконденсирование) в наиболее низкое из возможных квантовое состояние. В конечном итоге, следствием подобной конденсации станет появление новой формы вещества.
