Лекция

Что изучает атомная физика?

Любое вещество — воздух, вода, тело человека, звёзды — состоит из атомов. Почему атомы устойчивы? Почему каждый элемент испускает свет только характерных для него цветов? Почему медь хорошо проводит электрический ток, а стекло — нет? На эти вопросы отвечает атомная физика.

Атомная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства атомов и молекул, их взаимодействие с электромагнитным излучением и друг с другом, а также квантовые закономерности, управляющие этими явлениями.

Атомная физика — родина квантовой механики и теоретическая основа химии, физики твёрдого тела, астрофизики, лазерной техники и электроники. Из неё выделились ядерная физика (ядро в центре атома) и физика элементарных частиц.

Этапы развития атомистики

1. Натурфилософская атомистика

В V веке до н. э. Левкипп и Демокрит выдвинули идею о том, что материя состоит из неделимых частиц — атомов (греч. «атомос» — неделимый) и пустоты. Эпикур и Лукреций развили это учение. Учёные Средней Азии, в том числе Абу Райхан Беруни в переписке с Ибн Синой, обсуждали вопрос о делимости вещества. Однако в этот период идеи не опирались на опыт.

2. Химическая и кинетическая атомистика (XVIII–XIX века)

• Дж. Дальтон (1808) — на основе закона кратных отношений показал, что каждый элемент состоит из атомов с определённой массой.
• А. Авогадро (1811) — в равных объёмах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.
• Д. И. Менделеев (1869) — периодический закон элементов.
• Клаузиус, Максвелл, Больцман — молекулярно-кинетическая теория; Эйнштейн (1905) и Перрен (1908) измерили $N_A$ по броуновскому движению и строго доказали существование атомов.
• М. Фарадей (1833) — законы электролиза указали на дискретность электрического заряда: $F = N_A e$.

3. Открытие внутреннего строения атома (1895–1913)

• 1895 — рентгеновские лучи; 1896 — Беккерель открыл радиоактивность.
• 1897 — Дж. Дж. Томсон измерил удельный заряд $e/m$ катодных лучей и открыл электрон.
• 1900 — М. Планк ввёл квант энергии $\varepsilon = h\nu$ для объяснения теплового излучения.
• 1905 — А. Эйнштейн объяснил фотоэффект с помощью квантов света (фотонов).
• 1909–1913 — Р. Милликен точно измерил элементарный заряд $e$ методом масляных капель.
• 1911 — Э. Резерфорд по рассеянию альфа-частиц предложил ядерную модель атома.
• 1913 — Н. Бор создал квантовую теорию атома водорода.

4. Эпоха квантовой механики (с 1924 года до наших дней)

Де Бройль (1924) выдвинул идею о волновых свойствах частиц; Гейзенберг (1925) и Шрёдингер (1926) создали квантовую механику; принцип Паули (1925) и спин электрона (Уленбек и Гаудсмит, 1925) объяснили периодическую систему; Дирак (1928) нашёл релятивистское уравнение. С середины XX века появились квантовая электродинамика, лазеры (1960), атомные часы, лазерное охлаждение и конденсат Бозе–Эйнштейна (1995).

Масштабы микромира

Для описания явлений микромира прежде всего нужно знать порядки величин. Размер атома можно оценить по плотности вещества $\rho$, молярной массе $M$ и числу Авогадро $N_A$: объём, приходящийся на один атом, равен

$$V_1 = \frac{M}{\rho N_A},\qquad d \approx \sqrt[3]{V_1}.$$

Атом примерно в $10^4$–$10^5$ раз больше ядра, однако более 99,9 % массы атома сосредоточено в ядре. Поэтому плотность ядерного вещества огромна: $\rho_{\text{я}} \approx 2\cdot10^{17}\ \text{кг/м}^3$.

Единица энергии — электронвольт

1 электронвольт — энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 В: $1\ \text{эВ} = 1{,}602\cdot10^{-19}\ \text{Дж}$.

Удобная связь энергии фотона с длиной волны: $E\,[\text{эВ}] = \dfrac{hc}{\lambda} = \dfrac{1239{,}8}{\lambda\,[\text{нм}]}$. Энергия теплового движения при комнатной температуре $kT \approx 0{,}026$ эВ — её недостаточно для возбуждения атома, поэтому при обычных условиях атомы находятся в основном состоянии.

Фундаментальные постоянные

Во всех формулах атомной физики участвуют несколько фундаментальных постоянных (с 2019 года $h$, $e$, $k$, $N_A$ имеют в СИ точные значения):

Из них вытекают естественные масштабы атомной физики. Например, боровский радиус и постоянная тонкой структуры:

$$a_0 = \frac{4\pi\varepsilon_0\hbar^2}{m_e e^2} = 0{,}529\cdot10^{-10}\ \text{м},\qquad \alpha = \frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\hbar c} \approx \frac{1}{137}.$$

Здесь $a_0$ — характерный размер атома водорода, $\alpha$ — безразмерное число, определяющее силу электромагнитного взаимодействия.

Пример

Условие. Оцените размер молекулы воды ($M = 18$ г/моль, $\rho = 1000$ кг/м³).

Решение. Объём, приходящийся на одну молекулу: $V_1 = \dfrac{M}{\rho N_A} = \dfrac{0{,}018}{1000\cdot 6{,}022\cdot10^{23}} = 2{,}99\cdot10^{-29}\ \text{м}^3$. Размер: $d \approx \sqrt[3]{V_1} = 3{,}1\cdot10^{-10}\ \text{м} = 0{,}31\ \text{нм}$.

Ответ: $d \approx 0{,}3$ нм — это подтверждает, что атомные размеры имеют порядок $10^{-10}$ м.

Современная атомистика

Сегодня атомы — не только теоретический объект, но и объект непосредственного наблюдения и управления. Сканирующий туннельный микроскоп (Бинниг и Рорер, 1981) показывает отдельные атомы на поверхности и позволяет перемещать их поодиночке. Метод лазерного охлаждения позволил охладить атомы до микрокельвинов и получить конденсат Бозе–Эйнштейна. Оптические атомные часы достигли относительной точности $10^{-18}$. В квантовых компьютерах отдельные ионы и атомы используются как кубиты.

В интерактивной модели «шкала времени» на странице лекции последовательно просмотрите основные открытия атомной физики, а в модели «масштаб» увеличивайте изображение от ядра до Вселенной и сравните размеры атома и ядра.