Предмет атомной физики
Атомной физикой называют раздел физики, который посвящен изучению строения и состояния атомов. В $10$-x XX века было установлено то, что ядро и электроны являются составными частями атома. Причем, связаны они электрическими силами. В начале своего развития атомная физика рассматривала кроме прочего, вопросы, относящиеся к строению ядра атома. В $30$-х годах XX века было выяснено, что природа взаимодействия составных частей внутри атомного ядра отлична от тех сил, которые действуют во внешней оболочке ядра атома. В результате в $40$-х годах ядерная физика выделилась в самостоятельную науку. В $50$-х годах от атомной физики отделилась физика элементарных частиц (физика высоких энергий).
Итак, предметом атомной физики можно назвать: вопросы строения оболочек атомов и исследование явлений, которые вызваны свойствами и процессами в них происходящими. Атомная физика, выступающая в качестве курса общей физики, рассматривает явления, которые самым простым и очевидным образом описывает основные законы квантовой механики, которые позволяют сформулировать соответствующие понятия и модель рассматриваемой области явлений.
Многие явления, которые рассматривает атомная физика, несовместимы с представлениями классической физики. К данным явлениям можно отнести явления, которые вызваны корпускулярно -- волновым дуализмом при движении микрочастиц. Создание модели подобного движения реализовалось в построении уравнения Шредингера, которое следует отнести к принципиально новым уравнениям физики. Оно не может быть выведено из существовавших ранее уравнений. Исторически уравнение Шредингера появилось как уравнение, которое описывает волны де Бройля. Данный подход к уравнению Шредингера является самым простым и естественным, если использовать индуктивный подход к созданию физической модели в рамках курса атомной физики.
Атомная физика исследует строение атома как квантовой системы, которая состоит из ядра и электронов, уровни энергии атома с их характеристиками, квантовые переходы в атоме, процессы возбуждения атома и столкновения атомов, электромагнитные свойства атомов и как они ведут себя во внешних полях.
Самыми важными событиями, которые стали началом атомной физики как науки стали: открытие электрона и радиоактивности.
Современная атомная физика включает: теорию атома, атомную спектроскопию, рентгеновскую спектроскопию, радиоспектроскопию, физику атомных и ионных столкновений. Разные разделы спектроскопии включают всяческие диапазоны частот излучения и энергий квантов. Рентгеновская спектроскопия исследует излучение атомов с высокими энергиями, тогда как радиоспектроскопия рассматривает кванты, имеющие малые энергии.
Расстояния, которые характерны для атомной физики, составляют порядка ${10}^{-8}см$. Теоретической основой для атомной физики служит квантовая механика.
Задачи атомной физики
Основной задачей атомной физики можно считать скрупулёзное исследование и определение всех параметров состояний атома. В первую очередь имеется в виду: вычисление всех возможных значений энергии атома, уровней энергии, величин моментов количества движения и т.д. Следующей задачей можно считать -- исследование тонкой и сверхтонкой структуры энергетических уровней (атомных спектров). Описание характера взаимодействия атомных спектров внешних и внутренних электромагнитных полей. Отдельной задачей можно считать изучение механизма возбуждения атомных спектров.
Атомная физика применяет экспериментальные методы изучения, например, спектральные (оптическую спектроскопию, рентгеновскую спектроскопию, радиоспектроскопию).
Области исследований различных разделов атомной физики могут перекрываться.
Результаты, получаемые в атомной физике, применяются как во многих других разделах физики, так в химии, астрофизике и некоторых других разделах науки. Так, например, на основе исследования уширения и сдвига линий спектра судят о локальных полях в веществе, которые и вызывают подобные изменения, а также характеризуют саму среду (ее температуру, плотность и т.д.). Определение распределения плотности электронного заряда в атоме и того как оно изменяется при изменении внешних условий дает возможность предположить какие типы химических связей может образовать тот или иной атом. Информация о характере энергетических уровней, их структуре для атомов являются важной для квантовой электроники. Физика плазмы использует информацию о поведении атомов и ионов при столкновениях, процессах ионизации, возбуждения. В астрофизике особенно важна информация о структуре энергетических уровней атомов, в частности при многократной ионизации.
Кроме всего прочего те представления об атоме, которые формирует атомная физика, очень важны с мировоззренческой точки зрения. Устойчивость вещества объясняется устойчивостью атома. С другой стороны «пластичность» атома, изменение его свойств и состояний при перемене внешних условий его существования, дает возможность объяснить появление сложных своеобразных систем с разными формами внутренней структуры. Подобным образом разрешается противоречие между неизменностью атома и многообразием веществ.
Основные понятия, рассматриваемые в атомной физике
Электрон, его заряд, масса, характеристика движения в электромагнитном поле. Ядерное строение атома. Строение атома. Уровни энергии атомов. Спектры, спектральные серии, уровни энергии. Кванты света. Корпускулярно -- волновой дуализм. Уравнение Шредингера. Рентгеновские лучи.
Задание: Каково соотношение сечений ядер ($\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_2}$) ${}^{209}_{83}{Bi}$ и ${}^{27}_{13}{Al}$?
Решение:
Допустим, что ядро атома является шаром радиуса $r$. В таком случае площадь его поперечного сечения ($\sigma $) найдем как:
\[\sigma =\pi r^2\left(1.1\right).\]Радиус ядра определяют, используя число нуклонов в ядре (массовое число A):
\[r=r_0A^{\frac{1}{3}}\left(1.2\right),\]где $r_0$ -- коэффициент одинаковый для всех ядер. Подставим правую часть выражения (1.2) вместо $r$ в уравнение (1.1), получим:
\[\sigma =\pi {r_0}^2A^{\frac{2}{3}}\left(1.3\right).\]Запишем выражение (1.3) для висмута и алюминия:
\[{\sigma }_1=\pi {r_0}^2{A_1}^{\frac{2}{3}}\ \left(1.4\right)\ и\ \] \[{\sigma }_2=\pi {r_0}^2{A_2}^{\frac{2}{3}}\ \left(1.5\right),\]где $A_1=209$ -- массовое число висмута, $A_2=27$ -- массовое число алюминия. Используя выражения (1.4) и (1.5) найдем искомое соотношение:
\[\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_2}={\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^{\frac{2}{3}}.\]Проведем вычисления:
\[\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_2}={\left(\frac{209}{27}\right)}^{\frac{2}{3}}=3,91.\]Ответ: $\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_2}=3,91.$
Задание: Примените соотношение неопределенностей и оцените минимальные размеры атома водорода, если кинетическая энергия электрона в нем составляет $10эВ=10\cdot 1,6\cdot 10^{-19}Дж$.
Решение:
За основу решения задачи примем соотношение неопределенностей Гейзенберга для координаты и импульса:
\[\triangle x\triangle p\ge \hbar \ \left(2.1\right),\]где $\triangle x$ -- неопределенность координаты, $\triangle p$ -- неопределенность импульса электрона.
Обозначим линейные размеры атома через l. В таком случае электрон атома находится в пределах области с неопределенностью $\triangle x=\frac{l}{2}$. В таком случае выражение (2.1) можно переписать в виде:
\[\frac{l}{2}\triangle p\ge \hbar \ \left(2.2\right).\]Из выражения (2.2) выразим $l$ получаем:
\[l\ge \frac{2\hbar }{\triangle p}\left(2.3\right).\]Следуя логике, положим, что неопределенность импульса $\triangle p\le p.$ Импульс связан с кинетической энергией $E_k$ выражением вида:
\[p=\sqrt{2mE_k}\left(2.4\right).\]Проведем замену $\triangle p$ величиной p определенной в (2.4). Эта замена не увеличит $l.$ Перейдем от неравенства (2.3) к равенству:
\[l_{min}=\frac{2\hbar }{\sqrt{2mE_k}}.\]Проведем вычисления:
\[l_{min}=\frac{2\cdot 1,05\cdot {10}^{-34}}{\sqrt{2\cdot 9,1\cdot {10}^{-31}\cdot 10\cdot 1,6\cdot 10^{-19}}}=123(пм).\]Ответ: $l_{min}=123$ пм.
