Atom fiziği

Atom fiziği, atomun yapısının, enerji durumlarının ve diğer parçacıklarla ve elektrik ve manyetik alanlarla etkileşimlerinin bilimsel çalışması. Atom fiziğinin, modern fiziğin temel taşlarından biri olan kuantum mekaniğinin olağanüstü başarılı bir uygulaması olduğu kanıtlanmıştır.

Maddenin temel yapı taşlarından oluştuğu fikri, yeryüzünün, havanın, ateşin ve suyun fiziksel dünyanın inşa edildiği temel unsurları oluşturabileceğini düşünen antik Yunanlılara aittir. Ayrıca maddenin nihai doğası hakkında çeşitli düşünce okulları geliştirdiler. Belki de en dikkat çekici olanı, antik Yunanlılar Miletus Leucippus ve Trakya Demokritosu tarafından M.Ö. 440 civarında kuruldu. Tamamen felsefi nedenlerden ötürü ve deneysel kanıtların yararı olmadan, maddenin bölünmez ve yok edilemez atomlardan oluştuğu fikrini geliştirdiler. Atomlar, çevredeki boşluktan durmaksızın hareket halindedir ve bilardo topları gibi, modern kinetik gaz teorisi gibi birbirleriyle çarpışırlar. Bununla birlikte, atomlar arasında boşluk (veya boşluk) ihtiyacı, kolayca cevaplanamayan yeni sorular ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle, atomist resim Aristoteles ve Atina okulu tarafından maddenin sürekli olduğu düşüncesi lehine reddedildi. Yine de fikir devam etti ve 400 yıl sonra Roma şair Lucretius'un yazılarında De rerum natura (Nesnelerin Doğası Üzerine) adlı eserinde yeniden ortaya çıktı.

Maddenin 17. yüzyıla kadar küçük parçacıklardan oluşabileceği fikrini geliştirmek için biraz daha fazla şey yapıldı. İngiliz fizikçi Isaac Newton, Principia Mathematica'da (1687), gazın basıncının ve hacminin ürününün aynı sıcaklıkta sabit olduğunu belirten Boyle yasasının, birinin gaz olduğunu varsayarsa açıklanabileceğini önerdi. parçacıklardan oluşur. 1808'de İngiliz kimyager John Dalton, her elementin aynı atomlardan oluştuğunu öne sürdü ve 1811'de İtalyan fizikçi Amedeo Avogadro, element parçacıklarının birbirine yapışmış iki veya daha fazla atomdan oluşabileceğini öne sürdü. Avogadro bu tür konglomerasyon molekülleri olarak adlandırdı ve deneysel çalışma temelinde, bir hidrojen veya oksijen gazındaki moleküllerin atom çiftlerinden oluştuğunu tahmin etti.

19. yüzyıl boyunca, her biri belirli bir atom tipinden oluşan ve kimyasal bileşikler oluşturmak için neredeyse sınırsız sayıda yolla birleşebilen sınırlı sayıda eleman fikri geliştirildi. Yüzyılın ortalarında gazların kinetik teorisi, bir gazın basıncı ve viskozitesi gibi fenomenleri atomik ve moleküler parçacıkların hareketlerine başarıyla bağladı. 1895'e kadar artan kimyasal kanıt ağırlığı ve kinetik teorinin başarısı, atomların ve moleküllerin gerçek olduğuna dair çok az şüphe bıraktı.

Bununla birlikte, atomun iç yapısı, İngiliz fizikçi Ernest Rutherford ve öğrencilerinin çalışmaları ile sadece 20. yüzyılın başlarında netleşti. Rutherford'un çabalarına kadar, popüler bir atom modeli, her bir atomun bir jele gömülü bir dizi elektrondan (erik) oluştuğunu iddia eden İngiliz fizikçi Joseph John Thomson tarafından savunulan “erik-puding” modeli idi. pozitif yük (puding); elektronların toplam negatif yükü, toplam pozitif yükü tam olarak dengeler ve elektriksel olarak nötr olan bir atom verir. Rutherford, Thomson'un modeline meydan okuyan bir dizi saçılma deneyi gerçekleştirdi. Rutherford, (şimdi helyum çekirdeği olarak bilinen) bir alfa parçacığı ışınının ince bir altın folyoya çarptığında, bazı parçacıkların geriye doğru saptırıldığını gözlemledi. Bu büyük sapmalar erik pudingi modeliyle tutarsızdı.

Bu çalışma Rutherford'un ağır bir pozitif yük çekirdeğinin bir ışık elektron bulutu ile çevrili olduğu atom modeline yol açtı. Çekirdek, her biri elektrondan yaklaşık 1.836 kat daha büyük olan pozitif yüklü protonlardan ve elektriksel olarak nötronlardan oluşur. Atomlar çok küçük olduğundan, özellikleri dolaylı deneysel tekniklerle çıkarılmalıdır. Bunların başında, bir enerji durumundan diğerine geçişler sırasında atomlar tarafından yayılan veya emilen elektromanyetik radyasyonu ölçmek ve yorumlamak için kullanılan spektroskopidir. Her kimyasal element enerjiyi atomik yapılarını yansıtan farklı dalga boylarında yayar. Dalga mekaniği prosedürleri yoluyla, çeşitli enerji durumlarındaki atomların enerjileri ve yaydıkları karakteristik dalga boyları, bazı temel fiziksel sabitlerden (yani, elektron kütlesi ve yükü, ışık hızı ve Planck sabiti) hesaplanabilir. Bu temel sabitlere dayanarak, kuantum mekaniğinin sayısal tahminleri, farklı atomların gözlemlenen özelliklerinin çoğunu açıklayabilir. Özellikle, kuantum mekaniği, örneğin, tablonun aynı sütunundaki elemanların benzer özelliklere sahip olması gerektiğini gösteren, periyodik tablodaki elemanların düzenini derinlemesine anlar.

Son yıllarda lazerlerin gücü ve hassasiyeti atom fiziği alanında devrim yarattı. Bir yandan, lazerler atomların karakteristik dalga boylarının ölçülebildiği hassasiyeti önemli ölçüde artırdı. Örneğin, modern zaman ve frekans standartları atom sezyumdaki geçiş frekanslarının ölçümlerine dayanmaktadır (atom saatine bakınız) ve metrenin uzunluk birimi olarak tanımlanması şimdi ışığın hızı boyunca frekans ölçümleriyle ilgilidir. Ayrıca, lazerler elektromanyetik tuzaklarda tek tek atomların izole edilmesi ve mutlak sıfıra yakın soğutulması için tamamen yeni teknolojiler yaratmıştır. Atomlar esasen tuzakta dinlenmeye getirildiklerinde, seyreltik bir gaz formunda kalırken Bose-Einstein yoğunlaşması olarak bilinen bir süper akışkan oluşturmak için kuantum mekanik faz geçişine uğrayabilirler. Bu yeni madde durumunda, tüm atomlar aynı tutarlı kuantum halindedir. Sonuç olarak, atomlar bireysel kimliklerini kaybederler ve kuantum mekanik dalga benzeri özellikleri baskın hale gelir. Daha sonra tüm kondens, tek tek atomlar topluluğu yerine tek bir tutarlı varlık (balık okulu gibi) olarak dış etkilere yanıt verir. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, geleneksel bir lazerde fotonların uyumlu ışığına benzer bir "atom lazeri" oluşturmak üzere tuzaktan tutarlı bir atom ışınının çıkarılabileceğini göstermiştir. Atom lazeri hala gelişimin erken bir aşamasındadır, ancak mikroelektronik ve diğer nano ölçekli cihazların üretimi için gelecekteki teknolojilerin önemli bir unsuru olma potansiyeline sahiptir.