Fizică atomică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare

Fizica atomică este o ramură a fizicii microscopice ce se ocupă cu studiul atomilor ca un sistem izolat de electroni și un nucleu atomic. În principal se studiază aranjarea electronilor în jurul nucleului. De asemenea, se studiază și procesul prin care aranjarea electronilor se modifică. Aceasta include și ionii și atomii neutrii.

Termenul de fizică atomică este cel mai des asociat cu fizica nucleară, deoarece în general atomic și nuclear sunt sinonime pentru majoritatea populației. Specialiștii fizicieni diferențiază fizica atomică și fizica nucleară. În cazul fizicii nucleare se studiază strict numai nucleul atomului.

Atomii izolați[modificare | modificare sursă]

În cadrul fizicii atomice, atomii sunt întotdeauna considerați izolați – un singur nucleu înconjurat de unul sau mai mulți electroni legați. 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 și excitarea de către fotoni sau coliziunea cu particule atomice.

Modelarea atomilor în izolare nu pare realistă, însă atomii din gaz și plasmă interacționează între ei pe o durată de timp enormă în comparație cu procesele atomice studiate. Astfel, atomii pot fi considerați izolați. Fizica atomică oferă bazele teoriei ce se folosește în fizica plasmei și fizica atmosferei.

Electroni[modificare | modificare sursă]

Configurația electronilor se referă la aranjarea electronilor în cadrul unui atom. Precum alte particule elementare, electronii sunt supuși legilor mecanicii cuantice. Stările cuantice ale unui electron sunt date de funcția undă cu valori în spațiu și timp.

Electronii se mută dintr-un nivel de energie în altul numai prin emisia sau absorbția de energie cuantică – sub forma de foton.

Cunoașterea configurației electronilor într-un atom are aplicații în înțelegerea structurii tabelului periodic din chimie. De asemenea, aceste date se folosesc pentru descrierea legăturilor chimice ce fac atomii să se țină apropiați. În același fel se pot explica și unele proprietăți ciudate ale laserelor și a semiconductoarelor.

Stări cuantice[modificare | modificare sursă]

Un sistem mecanic cuantic poate avea numai anumite stări. În consecință numai anumite nivele de energie sunt posibile. Nivelul de energie se referă, în general, la configurația 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 același nivel este obținut de mai multe stări ale sistemului mecanic cuantic.

Energia dintre electroni[modificare | modificare sursă]

Nivelul de energie este întotdeauna definit. Măsurarea valorii în sine nu are sens. Ceea ce are sens este măsurarea diferenței dintre două nivele de energie A și B. Astfel se poate determina câtă energie este necesară pentru trecerea din starea A în starea B. Diferența de nivel de energie între electroni ne permite să calculăm spectrul de emisie și de absorbție a atomilor în interacțiunea cu fotoni.

Funcția de undă[modificare | modificare sursă]

Cu ajutorul funcției de undă se poate determina probabilitatea de a găsi o particulă în regiunea dorită a spațiului. Funcția este folosită pentru descrierea oricărui sistem fizic. Cu aceasta se face maparea posibilelor stări ale sistemului în numere complexe. Evoluția în timp poate fi calculată folosind legea mecanicii cuantice: ecuația lui Schrödinger. Valorile funcției sunt numere complexe ce reprezintă amplitudini de probabilitate ca sistemul să se găsească în oricare stare posibilă. În cadrul atomilor, funcția ne dă configurările posibile ale electronilor.

Orbitalul atomic[modificare | modificare sursă]

Orbitalul atomic este o funcție 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 numește și lista de stări cuantice posibile ale electronului.

Starea unui electron într-un atom este dată de patru numere cuantice. Aceste numere sunt proprietățile orbitalului în care se găsește electronul:

  • Numărul cuantic principal, notat n ≥ 1. Acesta cuantifică energia per total a orbitalului și distanța electronului față de nucleul atomului. În funcție de acesta, nivelurile electronice se împart în pături K, L, M, etc.
  • Numărul cuantic azimutal, notat l, cu valori între 0 și n-1. Acesta împarte o pătură în subpături, determinând tipul orbitalului, cunoscut și ca numărul de noduri în graficul densității.
  • Numărul cuantic magnetic, notat m, cu valori între - și +, inclusiv 0. Determină transferul de energie al unui orbital atomic datorat câmpului magnetic extern (efectul Zeeman). Acest număr indică orientarea în spațiu 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.

Conform principiului de excludere al lui Pauli, nu există doi electroni într-un atom cu același set de valori ale celor patru numere cuantice.

Istoric[modificare | modificare sursă]

Primii pași spre dezvoltarea studiului fizicii atomice s-au făcut din momentul în care s-a descoperit fapte in sprijinul ipotezei alcătuirii din atomi a substanțelor 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.

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Bibliografie[modificare | modificare sursă]

Modele atomice
Modelul atomic Thomson | Modelul atomic Rutherford | Modelul atomic Bohr | Modelul atomic Bohr-Sommerfeld | Modelul vectorial al atomului