Ατομική φυσική

Διάγραμμα εξήγησης της εκπομπής άλφα.

Η ατομική φυσική είναι ο κλάδος της φυσικής που ασχολείται με τα άτομα και τις δυνάμεις που ανταλλάσσουν μεταξύ τους.

Ιστορία της ατομικής φυσικής

Από την απαρχή του κόσμου ο άνθρωπος είχε διάφορα ερωτήματα για την φύση που τον περιβάλλει. Για τον λόγο αυτό άλλωστε αναπτύχθηκε και η Φυσική. Ο πρώτος Έλληνας που διατύπωσε θεωρίες που είναι όσο το δυνατόν πλησιέστερα στην σημερινή θεωρία ήταν ο Δημόκριτος. Ο Δημόκριτος, χωρίς να έχει τα σημερινά τεχνικά μέσα, διατύπωσε την θεωρία ότι το άτομο αποτελείται από ένα μικρό σωματίδιο στο κέντρο του (το οποίο και ονόμασε πυρήνα) και γύρω από το οποίο περιφέρονται άλλα σωματίδια.

Κατά τον Μεσαίωνα, η άποψη του Δημόκριτου υπερίσχυσε και ήταν η κοινώς αποδεκτή.

Το μόνο που ήταν γνωστό τόσο στον Δημόκριτο, όσο και στους κατοπινούς του μέχρι τον Τόμσον, ήταν ότι το άτομο εμφανίζεται ηλεκτρικά ουδέτερο. Δεν δείχνει δηλαδή προτίμηση φόρτισης με θετικά ή αρνητικά φορτία, παρά μόνο μετά την ανθρώπινη παρέμβαση (βλ. το πείραμα με το κεχριμπάρι και τα λεπτά φύλλα χαρτιού).

Το 1897 ο Τζόζεφ Τόμσον (Joseph John Thomson) κατέληξε μετά από πειράματα στο λεγόμενο "μοντέλο του σταφιδόψωμου". Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, θετικό και αρνητικό φορτίο συνυπάρχουν στο άτομο και κινούνται ελεύθερα μέσα σε αυτό. Αν παρομοιαστεί το άτομο με ένα σταφιδόψωμο, οι σταφίδες αποτελούν το αρνητικό φορτίο το οποίο κινείται ανεξέλεγκτα μέσα στο σταφιδόψωμο και το ψωμί είναι το θετικό φορτίο. Ο Τόμσον τιμήθηκε το 1906 με το Βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου, τα ισότοπα και την εφεύρεση του ατομικού φασματόμετρου.

Το 1911 ο καθηγητής του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, Έρνεστ Ράδερφορντ (Ernest Rutherford), έκανε ένα σημαδιακό πείραμα το οποίο απέδειξε ότι το μοντέλο του Τόμσον ήταν λανθασμένο. Στο πείραμα αυτό βομβάρδιζε ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο με σωματίδια άλφα. Πίσω από το μεταλλικό φύλλο υπήρχε φθορίζουσα οθόνη. Στο πείραμα συνεργάστηκε με τον Geiger. Το αποτέλεσμα του πειράματος ήταν ότι η εκτροπή της δέσμης των σωματιδίων άλφα αφού χτυπούσαν τον στόχο, ήταν προς όλες τις κατευθύνσεις, ακόμα και στις 180 μοίρες. Όταν ο Geiger του ανέφερε τα αποτελέσματα, η αντίδραση του Ράδερφοντ ήταν η εξής: "Ήταν το πιο απίστευτο πράγμα που έχω δει ποτέ στην ζωή μου. Ήταν σαν να έλεγες ότι βομβαρδίζεις ένα λεπτό φύλλο χαρτί με ένα βλήμα 15 ιντσών (381 χιλιοστά ή 38,1 εκατοστά) και το βλήμα χτυπά το χαρτί, ανακλάται, έρχεται προς το μέρος σου και σε σκοτώνει". Η συμπεριφορά αυτή δεν μπορεί να ερμηνευθεί από το μοντέλο του σταφιδόψωμου του Τόμσον, και επομένως το μοντέλο είναι άχρηστο. Για να εξηγήσει την συμπεριφορά αυτή ο Ράδερφορντ υπέθεσε ότι το άτομο μοιάζει αρκετά με το ηλιακό σύστημα. Υπάρχει ένα θετικά φορτισμένο κέντρο (ο πυρήνας) και τα αρνητικά σωματίδια (τα ηλεκτρόνια του Τόμσον) περιφέρονται γύρω από αυτό. Παρόμοια εικόνα για το άτομο είχε και ο Δημόκριτος στην αρχαιότητα.

Το επόμενο μοντέλο ήρθε από τον Νιλς Μπορ (Niels Bohr). Οι αδυναμίες του μοντέλου του Ράδερφορντ ήταν ότι:

1. Όταν ένα φορτίο κινείται, εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με αποτέλεσμα να χάνει ενέργεια και να σταματά. Αφού τα ηλεκτρόνια του Ράδερφορντ κινούνται κυκλικά και χάνουν ενέργεια καθώς κινούνται, θα έπρεπε να πέφτουν πάνω στον πυρήνα, πράγμα που ασφαλώς δε συμβαίνει.
2. Η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας έχει κβαντισμένες τιμές και όχι συνεχείς. Μπορεί δηλαδή να πάρει συγκεκριμένες τιμές (π.χ. 1 ή 2) και όχι ενδιάμεσες (π.χ. 1,2 ή 1,5). Το γεγονός αυτό δε μπορούσε να ερμηνευθεί με το μοντέλο του Ράδερφορντ

Για τον λόγο αυτό ο Μπορ, το 1913, πρότεινε τα δύο αξιώματα που εξηγούν τις αδυναμίες του μοντέλου του Ράδερφορντ και αποτελούν το λεγόμενο Ατομικό Πρότυπο του Bohr.

1. Η κλασσική θεωρία ακτινοβολίας δεν ισχύει για τα ατομικά συστήματα και
2. Τα δέσμια ηλεκτρόνια των ατόμων βρίσκονται σε ενεργειακά σταθερές στάθμες.

Με το πέρασμα του χρόνου, διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο του Μπορ ήταν ελλιπές και χρειαζόταν διορθώσεις. Διαπιστώθηκε από τον Γιόχαν Μπάλμερ Johann Jakob Balmer ότι κάποιες από τις γραμμές των ατομικών φασμάτων εκπομπής δεν ήταν μονές, αλλά πολλαπλές. Αποτελούνταν και από άλλες δηλαδή γραμμές παραπλήσιας συχνότητας αλλά μικρότερης έντασης από την κύρια γραμμή. Έτσι, προτάθηκε το μοντέλο ότι κάθε γραμμή (και επομένως κάθε ηλεκτρονιακή τροχιά) αποτελείται από μικρότερες, το πολύ τρεις.

Η τελική μετατροπή ήρθε από τον Γερμανό θεωρητικό φυσικό Άρνολντ Σόμερφιλντ (Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld). Ο Σόμερφιλντ, λαμβάνοντας υπ' όψιν την ειδική θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, πρότεινε ότι οι τροχιές των ηλεκτρονίων δεν είναι κυκλικές, αλλά ελλειπτικές. Αυτό συνεπάγεται ότι η ταχύτητα των ηλεκτρονίων μεταβάλλεται συνεχώς, κάτι που έχει ως άμεση συνέπεια το γεγονός ότι η ενέργεια των ηλεκτρονίων μεταβάλλεται συνεχώς.

Προτεινόμενες θεωρίες

Η Ατομική Φυσική είναι τομέας της φυσικής που δεν παρουσιάζει πλέον μεγάλο ενδιαφέρον για τους φυσικούς αφού τα πάντα είναι γνωστά. Η ερευνητική δραστηριότητα των Φυσικών στρέφεται στη Πυρηνική Φυσική. Για τον λόγο αυτό πλέον (από το τέλος της δεκαετίας του 1960 περίπου) δεν υπάρχουν προτεινόμενες θεωρίες και μοντέλα υπό εξέταση.

Βοηθητικές έννοιες

Κβαντικός αριθμός -- Σπιν -- Κυματοσυνάρτηση -- Ατομικό φάσμα -- Λέιζερ -- Ολογραφία -- Φθορισμός -- Φωσφορισμός

Πηγές

• Serway, Physics for Scientists & Engineers, τόμος IV Σύγχρονη Φυσική, απόδοση στα ελληνικά από τον Λεωνίδα Κ. Ρεσβάνη.