Atoomfysica

Geïsoleerde atomen

In de atoomfysica worden atomen altijd geïsoleerd beschouwd. Atoommodellen bestaan uit een enkele kern die omgeven kan zijn door een of meer gebonden elektronen. Zij houdt zich niet bezig met de vorming van moleculen (hoewel veel van de fysica identiek is), noch onderzoekt zij atomen in vaste toestand als gecondenseerde materie. Zij houdt zich bezig met processen zoals ionisatie en excitatie door fotonen of botsingen met atomaire deeltjes.

Het modelleren van atomen in isolatie lijkt misschien niet realistisch, maar als men atomen in een gas of plasma beschouwt, zijn de tijdschalen voor atoom-atoom interacties enorm in vergelijking met de atomaire processen die over het algemeen worden beschouwd. Dit betekent dat de afzonderlijke atomen kunnen worden behandeld alsof elk atoom op zichzelf staat, wat het overgrote deel van de tijd ook het geval is. Door deze overweging levert de atoomfysica de onderliggende theorie in de plasmafysica en de atmosfeerfysica, ook al hebben beide te maken met zeer grote aantallen atomen.

Elektronische configuratie

Elektronen vormen fictieve schillen rond de kern. Deze bevinden zich van nature in een grondtoestand, maar kunnen worden geëxciteerd door de absorptie van energie van licht (fotonen), magnetische velden, of interactie met een botsend deeltje (meestal andere elektronen).

Van elektronen die een schil bevolken, wordt gezegd dat zij zich in een gebonden toestand bevinden. De energie die nodig is om een elektron uit zijn schil te verwijderen (tot oneindig) wordt de bindingsenergie genoemd. Elke hoeveelheid energie die door het elektron boven deze hoeveelheid wordt geabsorbeerd, wordt omgezet in kinetische energie volgens de wet van behoud van energie. Men zegt dat het atoom het ionisatieproces heeft ondergaan.

Indien het elektron een hoeveelheid energie absorbeert die kleiner is dan de bindingsenergie, zal het overgaan naar een aangeslagen toestand. Na een statistisch voldoende lange tijd zal een elektron in een aangeslagen toestand overgaan naar een lagere toestand. De verandering in energie tussen de twee energieniveaus moet worden verantwoord (behoud van energie). In een neutraal atoom zal het systeem een foton met het verschil in energie uitzenden. Indien het geëxciteerde atoom echter eerder is geïoniseerd, met name indien een van de elektronen uit de binnenste schil is verwijderd, kan een verschijnsel optreden dat bekend staat als het Auger-effect, waarbij de hoeveelheid energie wordt overgedragen op een van de gebonden elektronen waardoor deze in het continuüm terechtkomt. Hierdoor kan men een atoom met één enkel foton meervoudig ioniseren.

Er zijn tamelijk strikte selectieregels voor de elektronische configuraties die kunnen worden bereikt door excitatie door licht, maar dergelijke regels zijn er niet voor excitatie door botsingsprocessen.

Geschiedenis en ontwikkelingen

De meeste gebieden in de natuurkunde kunnen worden verdeeld in theoretisch werk en experimenteel werk, en de atoomfysica vormt daarop geen uitzondering. Het is gewoonlijk het geval, maar niet altijd, dat de vooruitgang in afwisselende cycli verloopt van een experimentele waarneming, via een theoretische verklaring, gevolgd door enkele voorspellingen die al dan niet door experimenten kunnen worden bevestigd, enzovoort. Natuurlijk kan de huidige stand van de technologie op een gegeven moment beperkingen opleggen aan wat experimenteel en theoretisch kan worden bereikt, zodat het veel tijd kan vergen om de theorie te verfijnen.

Een van de eerste stappen in de richting van de atoomfysica was de erkenning dat materie was samengesteld uit atomen, in de moderne betekenis van de basiseenheid van een chemisch element. Deze theorie werd ontwikkeld door de Britse chemicus en natuurkundige John Dalton in de 18e eeuw. In dit stadium was het nog niet duidelijk wat atomen waren, hoewel zij aan de hand van hun eigenschappen (in bulk) in een periodiek systeem konden worden beschreven en ingedeeld.

Het echte begin van de atoomfysica wordt gemarkeerd door de ontdekking van spectraallijnen en pogingen om dit verschijnsel te beschrijven, met name door Joseph von Fraunhofer. De studie van deze lijnen leidde tot het atoommodel van Bohr en tot de geboorte van de kwantummechanica. Bij het zoeken naar een verklaring voor atoomspectra kwam een geheel nieuw wiskundig model van de materie aan het licht. Wat atomen en hun elektronenschillen betreft, leverde dit niet alleen een betere algemene beschrijving op, d.w.z. het atomaire orbitaal model, maar het verschafte ook een nieuwe theoretische basis voor de chemie (kwantumchemie) en de spectroscopie.

Sinds de tweede wereldoorlog hebben zowel de theoretische als de experimentele gebieden een snelle vooruitgang geboekt. Dit kan worden toegeschreven aan de vooruitgang in de computertechnologie, die grotere en meer gesofisticeerde modellen van de atoomstructuur en de daarmee verbonden botsingsprocessen mogelijk heeft gemaakt. Soortgelijke technologische vorderingen op het gebied van versnellers, detectoren, magnetische veldgeneratoren en lasers hebben de experimentele werkzaamheden sterk ondersteund.

Belangrijke atoomfysici

Verwante pagina's

• Deeltjesfysica
• Isomere verschuiving