Fisica atomica

La fisica atomica considera sempre gli atomi isolati. I modelli atomici consistono in un singolo nucleo che può essere circondato da uno o più elettroni legati. Non si occupa della formazione di molecole (anche se gran parte della fisica è identica), né esamina gli atomi allo stato solido come materia condensata. Si occupa di processi come la ionizzazione e l'eccitazione tramite fotoni o collisioni con particelle atomiche.

Mentre modellare gli atomi in isolamento può non sembrare realistico, se si considerano gli atomi in un gas o plasma, allora le scale temporali per le interazioni atomo-atomo sono enormi in confronto ai processi atomici che sono generalmente considerati. Questo significa che i singoli atomi possono essere trattati come se ognuno fosse isolato, come la maggior parte delle volte è. Con questa considerazione la fisica atomica fornisce la teoria sottostante alla fisica del plasma e alla fisica atmosferica, anche se entrambe hanno a che fare con un numero molto grande di atomi.

Gli elettroni formano gusci nozionali intorno al nucleo. Questi sono naturalmente in uno stato di terra, ma possono essere eccitati dall'assorbimento di energia dalla luce (fotoni), da campi magnetici o dall'interazione con una particella in collisione (in genere altri elettroni).

Gli elettroni che popolano un guscio sono detti in uno stato vincolato. L'energia necessaria per rimuovere un elettrone dal suo guscio (portandolo all'infinito) è chiamata energia di legame. Qualsiasi quantità di energia assorbita dall'elettrone in eccesso rispetto a questa quantità è convertita in energia cinetica secondo la conservazione dell'energia. Si dice che l'atomo ha subito il processo di ionizzazione.

Nel caso in cui l'elettrone assorba una quantità di energia inferiore all'energia di legame, passerà a uno stato eccitato. Dopo una quantità di tempo statisticamente sufficiente, un elettrone in uno stato eccitato subirà una transizione verso uno stato inferiore. Il cambiamento di energia tra i due livelli energetici deve essere contabilizzato (conservazione dell'energia). In un atomo neutro, il sistema emetterà un fotone della differenza di energia. Tuttavia, se l'atomo eccitato è stato precedentemente ionizzato, in particolare se uno dei suoi elettroni del guscio interno è stato rimosso, può verificarsi un fenomeno noto come effetto Auger dove la quantità di energia viene trasferita a uno degli elettroni legati facendolo andare nel continuo. Questo permette di moltiplicare la ionizzazione di un atomo con un solo fotone.

Ci sono regole di selezione piuttosto rigide per quanto riguarda le configurazioni elettroniche che possono essere raggiunte dall'eccitazione tramite la luce, mentre non ci sono regole simili per l'eccitazione tramite processi di collisione.

La maggior parte dei campi della fisica può essere divisa tra lavoro teorico e lavoro sperimentale, e la fisica atomica non fa eccezione. Di solito accade, ma non sempre, che il progresso vada a cicli alternati da un'osservazione sperimentale, attraverso una spiegazione teorica seguita da alcune previsioni che possono o non possono essere confermate dall'esperimento, e così via. Naturalmente, lo stato attuale della tecnologia in un dato momento può porre delle limitazioni su ciò che può essere raggiunto sperimentalmente e teoricamente, quindi può essere necessario un tempo considerevole per perfezionare la teoria.

Uno dei primi passi verso la fisica atomica fu il riconoscimento che la materia era composta da atomi, nel senso moderno di unità di base di un elemento chimico. Questa teoria fu sviluppata dal chimico e fisico britannico John Dalton nel XVIII secolo. In questa fase, non era chiaro cosa fossero gli atomi, anche se potevano essere descritti e classificati in base alle loro proprietà (in blocco) in una tabella periodica.

Il vero inizio della fisica atomica è segnato dalla scoperta delle linee spettrali e dai tentativi di descrivere il fenomeno, in particolare da Joseph von Fraunhofer. Lo studio di queste linee ha portato al modello dell'atomo di Bohr e alla nascita della meccanica quantistica. Cercando di spiegare gli spettri atomici si rivelò un modello matematico della materia completamente nuovo. Per quanto riguarda gli atomi e i loro gusci di elettroni, non solo si ottenne una migliore descrizione generale, cioè il modello degli orbitali atomici, ma anche una nuova base teorica per la chimica (chimica quantistica) e la spettroscopia.

Dalla seconda guerra mondiale, sia il campo teorico che quello sperimentale sono avanzati ad un ritmo rapido. Questo può essere attribuito al progresso della tecnologia informatica, che ha permesso modelli più grandi e sofisticati della struttura atomica e dei processi di collisione associati. Simili progressi tecnologici negli acceleratori, nei rivelatori, nella generazione di campi magnetici e nei laser hanno notevolmente assistito il lavoro sperimentale.

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