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 studiază aranjarea electronilor în jurul nucleului, dar și procesele 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 materiale solide 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 după un interval de timp enorm 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 unui atom aflați într-o stare energetică (nivel enegetic) permisă a atomului sunt electroni legați. Energia necesară pentru ca electronul să devină liber este energia de ionizare. Atunci când electronul primește o cantitate de energie mai mică decât energia de ionizare el poate trece într-o stare de excitare, adică într-o stare energetic permisă în acel atom. Electronii aflați într-o stare de excitare se dezexcită, revenind la starea fundamentalăi prin emisia de energie electromagnetică (fotoni).

Cunoașterea configurației electronilor într-un atom are aplicații în înțelegerea structurii tabelului periodic al elementelor. De asemenea, aceste date se folosesc pentru descrierea legăturilor chimice ale moleculelor. Deasemenea e utilă în explicare proprietăților 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 valorile posibile ale energiei electronilor în atomi sau molecule. Spectrul energetic al unui sistem cu valori discrete ale energiei se numește cuantificat. 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 crespunde mai multor stări ale sistemului mecanic cuantic. Numărul de stări cuantice ce corespund aceluiași nivel energetic reprezintă degenerarea respectivului nivel.

Tanziții energetice[modificare | modificare sursă]

Nu numai măsurarea valorii energiei nivelelor în sine este importantă ci și 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 pentru electroni ne permite să calculăm spectrul de emisie și de absorbție a atomilor (spectrul de frecvențe al radiațiilor electromagnetice emise sau absorbite).

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 într-o 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, este un număr natural notat n ≥ 1. Acesta cuantifică energia orbitalului. Fiecare atom are, în general, mai mulți orbitali, asociați fiecărei valori a lui n; acești orbitali împreună sunt numiți pături de electroni. În funcție de acesta, nivelurile electronice (păturile) sunt K, L, M, N, O, P, Q etc.
  • Numărul cuantic azimutal, notat l, cu valori între 0 și n-1. Acesta cuantifică momentul cinetic orbital. Pentru nivelul energetic (pătura) cu numărul cuantic principal n sunt n subnivele (subpături) s,p,d,f,g,h,i,k etc determinând forma orbitalului; numărul cuantic azimutal arată numărul de noduri la nivelul nucleului în graficul densității probabilității de localizre.
  • Numărul cuantic magnetic, notat m, cu valori între -l și +l, inclusiv 0. Acesta cuantifică momentul magnetic orbital al electronului într-o direcție anume arbitrară (specificată) a câmpului magnetic extern. Determină modificarea energiei unui orbital atomic datorată unui câmp magnetic extern (efectul Zeeman). Acest număr cuantifică orientarea în spațiu a momentului cinetic.Numărul cuantic magnetic indică numărul orbitalilor disponibili într-un subnivel, și este folosit pentru a calcula componenta azimut a orientării orbitalului în spațiu.
  • Numărul cuantic de spin, notat s este pentru electron 1/2. Numărul cuantic magnetic de spin ms ia valori între -s și +s din 1 în 1, adică 2s+1 valori. În cazul electronuluilui valorile posibile ale lui ms sunt -½ și +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 (n, l, m, ms).

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]

[1]

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