ฟิสิกส์อะตอม

ฟิสิกส์อะตอมการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมสถานะพลังงานและการโต้ตอบกับอนุภาคอื่น ๆ และกับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ฟิสิกส์ของอะตอมได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นการนำกลศาสตร์ควอนตัมที่ประสบความสำเร็จมาใช้ซึ่งเป็นหนึ่งในเสาหลักของฟิสิกส์สมัยใหม่

ความคิดที่ว่าสสารสร้างขึ้นจากการสร้างพื้นฐานให้กับชาวกรีกโบราณซึ่งคาดการณ์ว่าโลกอากาศไฟและน้ำอาจเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่โลกทางกายภาพถูกสร้างขึ้น พวกเขายังพัฒนาโรงเรียนต่าง ๆ เกี่ยวกับความคิดเกี่ยวกับธรรมชาติของสสาร บางทีสิ่งที่น่าสังเกตมากที่สุดก็คือโรงเรียน Atomist ที่ก่อตั้งโดยชาวกรีกโบราณ Leucippus of Miletus และ Democritus of Thrace ประมาณ 440 bc เพื่อเหตุผลทางปรัชญาอย่างหมดจดและโดยไม่ได้รับประโยชน์จากหลักฐานการทดลองพวกเขาได้พัฒนาความคิดที่ว่าสสารนั้นประกอบด้วยอะตอมที่ไม่สามารถแยกได้และไม่สามารถทำลายได้ อะตอมเคลื่อนที่อย่างไม่หยุดหย่อนผ่านช่องว่างรอบ ๆ และชนกันเหมือนลูกบอลบิลเลียดเหมือนกับทฤษฎีจลน์ของแก๊ส อย่างไรก็ตามความจำเป็นสำหรับโมฆะ (หรือสุญญากาศ) ระหว่างอะตอมทำให้เกิดคำถามใหม่ที่ไม่สามารถตอบได้อย่างง่ายดาย ด้วยเหตุนี้รูปภาพอทูสต์ถูกปฏิเสธโดยอริสโตเติลและโรงเรียนชาวเอเธนส์เพื่อสนับสนุนแนวคิดที่ว่าสสารนั้นต่อเนื่อง อย่างไรก็ตามความคิดนี้ยังคงมีอยู่และปรากฏขึ้นอีก 400 ปีต่อมาในงานเขียนของกวีโรมัน Lucretius ในงานของเขา De rerum natura (กับธรรมชาติของสิ่งต่าง ๆ)

มีการทำอีกเล็กน้อยเพื่อพัฒนาความคิดที่ว่าสสารอาจทำจากอนุภาคขนาดเล็กจนถึงศตวรรษที่ 17 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ Isaac Newton ใน Principia Mathematica ของเขา (2230) เสนอว่ากฎของ Boyle ซึ่งระบุว่าผลผลิตของความดันและปริมาตรของก๊าซคงที่ที่อุณหภูมิเดียวกันสามารถอธิบายได้หากมีการสันนิษฐานว่าก๊าซนั้น ประกอบด้วยอนุภาค ในปี 1808 นักเคมีชาวอังกฤษ John Dalton แนะนำว่าแต่ละองค์ประกอบประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกันและในปี 1811 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Amedeo Avogadro ตั้งสมมติฐานว่าอนุภาคขององค์ประกอบอาจประกอบด้วยอะตอมสองอะตอมหรือมากกว่านั้นติดกัน Avogadro เรียกว่ากลุ่มโมเลกุลดังกล่าวและบนพื้นฐานของงานทดลองเขาคาดเดาว่าโมเลกุลในก๊าซไฮโดรเจนหรือออกซิเจนนั้นเกิดจากอะตอมคู่

ระหว่างศตวรรษที่ 19 มีการพัฒนาความคิดเกี่ยวกับองค์ประกอบจำนวน จำกัด แต่ละอะตอมประกอบด้วยอะตอมชนิดหนึ่งซึ่งสามารถรวมกันได้หลายวิธีเพื่อสร้างสารประกอบทางเคมี ในช่วงกลางศตวรรษที่ทฤษฎีจลน์ของก๊าซประสบความสำเร็จในการแสดงปรากฏการณ์เช่นความดันและความหนืดของก๊าซกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคอะตอมและโมเลกุล ในปีพ. ศ. 2438 น้ำหนักเพิ่มขึ้นของหลักฐานทางเคมีและความสำเร็จของทฤษฎีจลน์ศาสตร์แทบไม่ต้องสงสัยเลยว่าอะตอมและโมเลกุลเป็นของจริง

อย่างไรก็ตามโครงสร้างภายในของอะตอมนั้นชัดเจนในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ด้วยผลงานของนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเออร์เนสต์รัทเธอร์ฟอร์ดและนักเรียนของเขา จนกระทั่งความพยายามของรัทเธอร์ฟอร์ดรูปแบบที่ได้รับความนิยมของอะตอมเป็นแบบที่เรียกว่า "พลัมพุดดิ้ง" ซึ่งได้รับการสนับสนุนโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษโจเซฟจอห์นทอมสันซึ่งถือได้ว่าอะตอมแต่ละอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่ง ของประจุบวก (พุดดิ้ง); ประจุลบทั้งหมดของอิเล็กตรอนจะทำให้เกิดประจุบวกทั้งหมดอย่างสมดุลทำให้เกิดอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้า รัทเธอร์เฟิร์ดดำเนินการทดลองแบบกระจัดกระจายที่ท้าทายโมเดลของทอมสัน รัทเธอร์ฟอร์ดตั้งข้อสังเกตว่าเมื่อลำแสงของอนุภาคอัลฟา (ซึ่งบัดนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อฮีเลียมนิวเคลียส) พุ่งเข้าหาแผ่นฟอยล์สีทองบางอนุภาคบางส่วนถูกเบี่ยงเบนไปทางด้านหลัง การเบี่ยงเบนขนาดใหญ่ดังกล่าวไม่สอดคล้องกับแบบจำลองพลัมพุดดิ้ง

งานนี้นำไปสู่รูปแบบอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดซึ่งมีนิวเคลียสประจุบวกจำนวนมากล้อมรอบด้วยกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนแสง นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและนิวตรอนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งแต่ละนิวเคลียสมีขนาดใหญ่กว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1,836 เท่า เนื่องจากอะตอมเป็นนาทีดังนั้นคุณสมบัติของพวกเขาจะต้องอนุมานโดยเทคนิคการทดลองทางอ้อม หัวหน้ากลุ่มนี้คือสเปกโทรสโกปีซึ่งใช้ในการวัดและตีความการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาหรือถูกดูดซับโดยอะตอมเมื่อพวกมันผ่านการเปลี่ยนสถานะจากสถานะพลังงานหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง องค์ประกอบทางเคมีแต่ละชนิดแผ่พลังงานออกมาในช่วงความยาวคลื่นเฉพาะซึ่งสะท้อนโครงสร้างอะตอมของมัน ผ่านขั้นตอนของกลศาสตร์คลื่นพลังงานของอะตอมในสถานะพลังงานต่าง ๆ และความยาวคลื่นลักษณะที่ปล่อยออกมาอาจคำนวณได้จากค่าคงตัวทางกายภาพพื้นฐานบางอย่างคือมวลของอิเล็กตรอนและประจุความเร็วของแสงและค่าคงที่ของพลังค์ ขึ้นอยู่กับค่าคงที่พื้นฐานเหล่านี้การทำนายเชิงตัวเลขของกลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายคุณสมบัติส่วนใหญ่ของอะตอมที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งกลศาสตร์ควอนตัมให้ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับการจัดองค์ประกอบในตารางธาตุการแสดงตัวอย่างองค์ประกอบนั้นในคอลัมน์เดียวกันของตารางควรมีคุณสมบัติที่คล้ายกัน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาพลังและความแม่นยำของเลเซอร์ได้ปฏิวัติวงการฟิสิกส์อะตอม ในอีกด้านหนึ่งเลเซอร์ได้เพิ่มความแม่นยำอย่างมากซึ่งสามารถวัดความยาวคลื่นลักษณะของอะตอมได้ ยกตัวอย่างเช่นมาตรฐานสมัยใหม่ของเวลาและความถี่จะขึ้นอยู่กับการวัดความถี่ช่วงเปลี่ยนผ่านในอะตอมซีเซียม (ดูนาฬิกาอะตอม) และคำจำกัดความของมิเตอร์เป็นหน่วยความยาวตอนนี้เกี่ยวข้องกับการวัดความถี่ผ่านความเร็วของแสง นอกจากนี้เลเซอร์ยังได้สร้างเทคโนโลยีใหม่ที่เป็นไปได้ทั้งหมดสำหรับแยกอะตอมเดี่ยว ๆ ในกับดักแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่ออะตอมถูกนำตัวไปพักผ่อนในกับดักพวกมันสามารถผ่านการเปลี่ยนสถานะควอนตัมเชิงกลเพื่อก่อให้เกิด superfluid ที่รู้จักกันในชื่อการควบแน่นของ Bose-Einstein ในขณะที่ยังคงอยู่ในรูปของก๊าซเจือจาง ในสถานะใหม่ของสสารอะตอมทั้งหมดอยู่ในสถานะควอนตัมที่สอดคล้องกัน ผลที่ตามมาคืออะตอมสูญเสียตัวตนของตนเองและคุณสมบัติทางกลของควอนตัมเชิงกลกลายเป็นส่วนสำคัญ คอนเดนเสททั้งหมดจึงตอบสนองต่ออิทธิพลภายนอกในฐานะหน่วยงานที่เชื่อมโยงกันเดียว (เช่นโรงเรียนของปลา) แทนที่จะเป็นกลุ่มอะตอมเดี่ยว ผลงานล่าสุดได้แสดงให้เห็นว่าลำแสงที่ต่อเนื่องกันของอะตอมสามารถสกัดได้จากกับดักเพื่อสร้าง“ อะตอมเลเซอร์” ซึ่งคล้ายกับลำแสงโฟตอนที่ต่อเนื่องกันของเลเซอร์ธรรมดา เลเซอร์อะตอมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา แต่มันมีศักยภาพที่จะกลายเป็นองค์ประกอบสำคัญของเทคโนโลยีในอนาคตสำหรับการผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ระดับนาโนอื่น ๆ