Atoomfysica

Atoomfysica, de wetenschappelijke studie van de structuur van het atoom, zijn energietoestanden en zijn interacties met andere deeltjes en met elektrische en magnetische velden. De atoomfysica is een spectaculair succesvolle toepassing van de kwantummechanica gebleken, een van de hoekstenen van de moderne fysica.

Het idee dat materie uit fundamentele bouwstenen bestaat, dateert van de oude Grieken, die speculeerden dat aarde, lucht, vuur en water de basiselementen zouden kunnen vormen waaruit de fysieke wereld is opgebouwd. Ze ontwikkelden ook verschillende stromingen over de uiteindelijke aard van materie. Misschien wel de meest opmerkelijke was de atomistische school die rond 440 voor Christus door de oude Grieken Leucippus van Miletus en Democritus van Thracië werd gesticht. Om puur filosofische redenen, en zonder voordeel van experimenteel bewijs, ontwikkelden ze het idee dat materie bestaat uit ondeelbare en onverwoestbare atomen. De atomen bewegen onophoudelijk door de omringende leegte en botsen als biljartballen op elkaar, net als de moderne kinetische gastheorie. De noodzaak van een leegte (of vacuüm) tussen de atomen bracht echter nieuwe vragen met zich mee die niet gemakkelijk te beantwoorden waren. Om deze reden werd het atomistische beeld door Aristoteles en de Atheense school verworpen ten gunste van het idee dat materie continu is. Het idee bleef echter bestaan ​​en verscheen 400 jaar later in de geschriften van de Romeinse dichter Lucretius, in zijn werk De rerum natura (On the Nature of Things).

Er werd weinig meer gedaan om het idee te verspreiden dat materie tot de 17e eeuw uit kleine deeltjes zou kunnen bestaan. De Engelse natuurkundige Isaac Newton stelde in zijn Principia Mathematica (1687) voor dat de wet van Boyle, die stelt dat het product van de druk en het volume van een gas constant is bij dezelfde temperatuur, zou kunnen worden verklaard als wordt aangenomen dat het gas samengesteld uit deeltjes. In 1808 suggereerde de Engelse chemicus John Dalton dat elk element uit identieke atomen bestaat, en in 1811 veronderstelde de Italiaanse natuurkundige Amedeo Avogadro dat de deeltjes van elementen kunnen bestaan ​​uit twee of meer aan elkaar geplakte atomen. Avogadro noemde zulke conglomeraties moleculen en op basis van experimenteel werk vermoedde hij dat de moleculen in een gas van waterstof of zuurstof worden gevormd uit atomenparen.

In de 19e eeuw ontstond het idee van een beperkt aantal elementen, elk bestaande uit een bepaald type atoom, die op een bijna onbeperkt aantal manieren konden combineren om chemische verbindingen te vormen. Halverwege de eeuw schreef de kinetische gastheorie met succes fenomenen als de druk en viscositeit van een gas toe aan de bewegingen van atomaire en moleculaire deeltjes. Tegen 1895 liet het groeiende gewicht van chemisch bewijs en het succes van de kinetische theorie weinig twijfel bestaan ​​dat atomen en moleculen echt waren.

De interne structuur van het atoom werd echter pas in het begin van de 20e eeuw duidelijk met het werk van de Britse natuurkundige Ernest Rutherford en zijn studenten. Tot de inspanningen van Rutherford was een populair model van het atoom het zogenaamde 'plum-pudding'-model geweest, bepleit door de Engelse natuurkundige Joseph John Thomson, die van mening was dat elk atoom bestaat uit een aantal elektronen (pruimen) die in een gel zijn ingebed positieve lading (pudding); de totale negatieve lading van de elektronen brengt precies de totale positieve lading in evenwicht, wat een atoom oplevert dat elektrisch neutraal is. Rutherford voerde een reeks verstrooiingsexperimenten uit die het model van Thomson in twijfel trokken. Rutherford merkte op dat toen een straal van alfadeeltjes (waarvan nu bekend is dat ze heliumkernen zijn) een dunne goudfolie trof, sommige deeltjes achteruit werden afgebogen. Dergelijke grote doorbuigingen waren niet in overeenstemming met het pruimenpuddingsmodel.

Dit werk leidde tot het atoommodel van Rutherford, waarin een zware kern van positieve lading wordt omgeven door een wolk van lichtelektronen. De kern bestaat uit positief geladen protonen en elektrisch neutrale neutronen, die elk ongeveer 1.836 keer zo massief zijn als het elektron. Omdat atomen zo klein zijn, moeten hun eigenschappen worden afgeleid door indirecte experimentele technieken. De belangrijkste hiervan is spectroscopie, die wordt gebruikt om de elektromagnetische straling die door atomen wordt uitgezonden of geabsorbeerd te meten en te interpreteren terwijl ze overgangen van de ene energietoestand naar de andere ondergaan. Elk chemisch element straalt energie uit op verschillende golflengten, die hun atoomstructuur weerspiegelen. Door de procedures van golfmechanica kunnen de energieën van atomen in verschillende energietoestanden en de karakteristieke golflengten die ze uitzenden worden berekend uit bepaalde fundamentele fysische constanten - namelijk elektronenmassa en -lading, de lichtsnelheid en de constante van Planck. Op basis van deze fundamentele constanten kunnen de numerieke voorspellingen van de kwantummechanica de meeste van de waargenomen eigenschappen van verschillende atomen verklaren. In het bijzonder biedt de kwantummechanica een diep begrip van de rangschikking van elementen in het periodiek systeem, wat bijvoorbeeld aantoont dat elementen in dezelfde kolom van de tabel vergelijkbare eigenschappen moeten hebben.

In de afgelopen jaren hebben de kracht en precisie van lasers een revolutie teweeggebracht in de atoomfysica. Enerzijds hebben lasers de precisie waarmee de karakteristieke golflengten van atomen gemeten kunnen worden, drastisch vergroot. Moderne standaarden van tijd en frequentie zijn bijvoorbeeld gebaseerd op metingen van overgangsfrequenties in atomair cesium (zie atoomklok), en de definitie van de meter als lengte-eenheid is nu gerelateerd aan frequentiemetingen door de lichtsnelheid. Bovendien hebben lasers geheel nieuwe technologieën mogelijk gemaakt om individuele atomen in elektromagnetische vallen te isoleren en af ​​te koelen tot bijna absoluut nul. Wanneer de atomen in wezen in de val worden gebracht, kunnen ze een kwantummechanische faseovergang ondergaan om een ​​supervloeistof te vormen die bekend staat als een Bose-Einstein-condensatie, terwijl ze in de vorm van een verdund gas blijven. In deze nieuwe materietoestand bevinden alle atomen zich in dezelfde coherente kwantumtoestand. Als gevolg hiervan verliezen de atomen hun individuele identiteit en worden hun kwantummechanische golfachtige eigenschappen dominant. Het gehele condensaat reageert dan op invloeden van buitenaf als een enkele coherente entiteit (zoals een school vissen), in plaats van als een verzameling van individuele atomen. Recent werk heeft aangetoond dat een coherente atoombundel uit de val kan worden gehaald om een ​​"atoomlaser" te vormen die analoog is aan de coherente bundel van fotonen in een conventionele laser. De atoomlaser bevindt zich nog in een vroege ontwikkelingsfase, maar heeft het potentieel om een ​​sleutelelement te worden van toekomstige technologieën voor de fabricage van micro-elektronische en andere apparaten op nanoschaal.