Atomfizika

Lítium atom Bohr-modell szerinti energiaszintjeinek illusztrációja

Az atomfizika a fizika egyik alapvető ága, amely az anyag atomos szerkezetével, annak törvényszerűségeivel, a makroszkopikus anyagjellemzők mikroszkopikus magyarázataival foglalkozik.

Az atomfizika szoros kapcsolatban áll többek között a kémiával, az anyagtudománnyal, a szilárdtestfizikával, elméleteit a kvantummechanika posztulátumaira alapozza. Elméletei, illetve kísérleti módszerei összefüggnek a molekulafizikáéival. Az atomfizika továbbá kapcsolatban áll az optikával, mivel egyrészt magyarázza annak sok fontos alapjelenségét, továbbá az optika fontos kísérleti eszközöket biztosít az anyag szerkezetének megismerésére.

Legismertebb művelői közé tartozik Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Born, Fermi, illetve Hartree. A 20. század kiemelkedő magyar atomfizikusai például Kovács István és Bay Zoltán.

Elnevezése

Bár sok atomfizikai szakkönyvben közölnek kitekintésszerű magfizikai bevezetőt, az atomfizika tárgyköréhez nem tartozik szorosan az atommagok jellemzése. Annak módszerei, modelljei, témái az atomfizikáéitól eltérnek.

Továbbá megjegyzendő, hogy egyes magfizikával kapcsolatos szakkifejezések magyar köznyelvben élő változata is utal nevében az atomfizikára, mely félreértéshez vezethet. Ilyen kifejezés például a nukleáris fegyverre az atombomba, de például a szaknyelvben is atomerőműnek nevezik a maghasadáson alapuló energiatermelő létesítményt, atomreaktornak pedig ezen létesítmény fő elemét, továbbá sok magfizikusra (pl. Teller Ede, Szilárd Leó) a köznyelvben atomfizikusként hivatkoznak.

Témái

Izolált atomok modelljei

A fotoeffektus jelenségének alapelve

Az atomfizika elsődleges témája az anyag építőköveinek, az atomoknak a leírása. Elméleteivel ezek felépítését és elektronszerkezetének energiaállapotait magyarázza. Bár nem elsődleges célja az atomi kölcsönhatások leírása, fontos alapul szolgál az atomi kötéseket tárgyaló molekulafizika és a tömbi anyag jellemzőit leíró szilárdtestfizika számára. Azonban az izolált atomok modelljeinek vannak közvetlenül észlelhető következményei is, például jól jellemzik a gázok vonalas színképvonalait, a fényelektromos jelenséget, az Auger-effektust stb. Az elektronhéjak jellemzésével lehetőséget ad a fény és az anyag kölcsönhatásainak megértésére, a szerkezetre vonatkozó modellek pedig például a szóráskísérletek, például a Compton- és a Thomson-szórás magyarázatára születtek.

Az anyag atomos szerkezete

Az anyagot felépítő atomok elektronjai által képviselt karakterisztikus energiaszinteket az atommodellek adják meg. Ezek segítségével bizonyos anyagi folyamatok és jelenségek magyarázhatók, így az atomfizika nem csak az izolált atom kölcsönhatásainak leírásához nyújt alapot, de a tömbi anyag egyes jelenségeit is atomfizikai elvekből lehet levezetni.

Az atomi elektronpályák leírása során az atomfizika definiálja az alapállapot, a kötött, és a gerjesztett állapot fogalmát, melyekkel értelmezi az ionizációt, a legerjesztődést, egyes kémiai folyamatokat stb. Az atomi átmenetek tárgyalásánál meghatároz megengedett és tiltott átmeneteket, melyek a spektroszkópiai vizsgálatok során alapvető jelentőségű anyagjellemzők.

Története

Atomizmus az ókorban

Az elv, hogy az anyagot apró részecskék építik fel, igen régi: az ókorban Indiában és Görögországban is megjelent. Maga az atom kifejezés Leukipposztól, és Démokritosztól származik, ahogy a görög atomizmus elve is. Ez még nem a mai értelemben vett, kísérleteken és elméleteken alapuló atomfizikai elképzelés volt, inkább filozófiai-teológiai érvrendszer. A 19. századi atomelméletek ennek megfelelően alig kapcsolódtak az ókori atomizmushoz.

A modern atommodellek előzményei

Az atomelmélet egyik legfontosabb hipotézisét Avogadro (1811) tette, eszerint azonos hőmérsékletű és nyomású gázok azonos térfogatai egy azon számú molekulát foglalják magukban. Hőtani összefüggés szerint a Boltzmann-állandó és az Avogadro-állandó közti összefüggés: $R=kN_{A}$, így R (univerzális gázállandó - 8,31 J/mol·K) ismeretében N_A kiszámítható.

1827-ben Robert Brown figyelte meg folyadékban szuszpendált pollenszemcsék jellegzetes véletlenszerű mozgását, s bár a megfigyelteket fizikailag nem magyarázta, a jelenséget róla nevezték Brown-mozgásnak. Egy évszázaddal később Einstein egy dolgozatában magyarázatot adott a Brown-mozgásra, egészen egzaktul azonban Wiener írta le (1918) valószínűségszámítási módszerekkel (néha ezért a Brown-mozgást Wiener-folyamatnak is nevezik).

Thomson-atommodell

A Thomson- és a Ruherford-modell közti különbség

A Thomson-féle atommodell azt feltételezte, hogy az atom teljes térfogatát egy pozitív töltésű térrész alkotja, melyben pontszerűen találhatók az elektronok. Ez ugyan megmagyarázta, hogy az atom kívülről semleges töltésű, de számos hiányosságot mutatott, egyes szóráskísérletek sem voltak magyarázhatóak ezen modell alapján.

Rutherford-atommodell

1911-ben Rutherford olyan kísérletet mutatott be, mely szerint az atom az addig feltételezett kompakt szerkezeti elképzelésétől teljesen eltér. A kísérletben alfa-részecske aranyfólián való szóródását vizsgálta, melynek eredményeképpen megállapítható volt, hogy az α-részecskék csak igen kis hányada szenvedett nagy mértékű elhajlást (visszaszórást), nagyobb hányaduk irányváltoztatás nélkül haladt át a fólián. Ez arra utalt, hogy az atom belsejében a töltések elrendeződése a Thomson-modellel ellentétben igen egyenetlen: egy kicsi, pozitív töltésű magot egy nagy térrész vesz körül, melyben negatív elektronok találhatók. Feltételezte, hogy a mag csupán mintegy 3000-ed része a teljes atomsugárnak, az elektronok pedig a Coulomb-vonzás révén kerülnek pályájukra.

Bohr-modell

1913-ban Bohr új alapra helyezte az atommodelljét. Az akkor még nem teljesen tisztázott kvantumelmélet posztulátumaira alapozva dolgozta ki elméletét a legegyszerűbb atom esetére. Ekkor jött létre a hidrogén atommodellje, mely választ adott többek közt a hidrogén vonalas színképének létrejöttére, illetve a színképben látható frekvenciák által reprezentált energiaszintek eredetére. Eredményei sok ellentmondást oldottak fel, például az elektronpályák és az atommag közti energetikai viszonyt illetően.

Sommerfeld-sorfejtés

A Zeeman-effektus szemléltető ábrája

A Sommerfeld-féle atommodell létrejöttének előzményei a Zeeman- és a Stark-effektus értelmezése iránti igény volt. 1914-ben J. Stark egyik dolgozatában számolt be kísérleti eredményeiről, melyek a hidrogén színképvonalainak elektromos erőtérben történő felhasadását tanulmányozta. Ezen megfigyelésre támaszkodva Sommerfeld továbbfejlesztette a Bohr-modellt, a körpályákon kívül ellipszispályákat is megengedett. Az állapotokat itt már három kvantumszám jellemezte, s alkalmasnak látszott magasabb rendszámú elemek leírására is.

De Broglie-hipotézis

Az 1920-as évekre a fizikusok rájöttek, hogy a Bohr-elmélet számos hiányosságot mutat: például hogyan lehet magyarázni, hogy csak bizonyos energiaszintek lehetségesek, vagy miért vannak egy elem minden atomjának ugyanazon tulajdonságai, annak ellenére, hogy egy atomban lévő elektronok elvileg végtelen variációs számú helyzettel és hozzá tartozó sebességgel rendelkezhetnek. Nem adott választ többek között a több elektronnal rendelkező atomok abszorpciós és emissziós tulajdonságaira, valamint túlhangsúlyozta az anyag részecske mivoltát.

Az elemi részek kettős természetére vonatkozó hipotézist először de Broglie vetette fel 1924-ben, és dolgozatában már akkor feltette, hogy ez valószínűleg általános érvényű lehet minden anyagi részecskére: De Broglie szerint minden anyagra és sugárzásra is igaz, hogy a részecske E energiája és annak f frekvenciája közötti kapcsolatot az Einstein által a fotonra felírt, majd Planck által általánosított

$E=hf$

összefüggés írja le.

E szerint a részecske p impulzusa és λ hullámhossza közötti kapcsolatot a

$\lambda ={\frac {h}{p}},$

de Broglie egyenlet fejezi ki, ahol h a Planck-állandó.

A Davisson-Germer kísérlet

ahol E a teljes relativisztikus energia, h a Planck állandó (6,63·10⁻³⁴ Js). Később elektronnyalábbal végzett interferométeres vizsgálatokkal igazolták de Broglie-hipotézisének helyességét, sőt kimutatták, hogy proton- és atomnyalábokkal is hasonló jelenség játszódik le.

A de Broglie-hipotézist Davisson és Germer elektronnyaláb nikkel egykristályon történő diffrakciójával vizsgálták, ez hasonló alapkoncepción alapul, mint a röntgensugarak kristályrácson való elhajlása. A kísérletben az intenzitás változását vizsgálták a gyorsítófeszültség függvényében, és azt találták, hogy az elektronhullámok egymással interferálnak, ezzel igazolták az anyaghullám elméletet.

A részecske-hullám dualizmus egyik következménye és a kvantummechanika legfontosabb aspektusa, amit de Broglie publikációi nyomán Heisenberg dolgozott ki (1927), az ún. határozatlansági reláció. Ebben a modellben tulajdonképpen a Bohr-féle atommodell továbbfejlesztéséről van szó, amely Heisenberg és t szimultán tetszőleges pontossággal nem lehet meghatározni, ennek mértéke $\Delta x\Delta p_{x}\gtrsim h$, $\Delta y\Delta p_{y}\gtrsim h$, $\Delta z\Delta p_{z}\gtrsim h$.

Kvantummechanikai atommodell

A de Broglie-féle modell továbbfejlesztésére irányuló törekvések 1926-ban értek célba, ekkor jelent meg Schrödinger új, hullámmechanikai alapvetéseiről szóló tanulmánya és Heisenberg mátrix mechanikai elmélete. Sokan úgy gondolják, hogy e két rendszer egyesítése hozta létre a kvantummechanikát mint tudományágat. Az új modell nem vett figyelembe számos akkor már létező jelenséget, többek között az elektronspin létezését, és nem számolt a relativitáselmélet posztulátumaival sem. Később ezt a hiányosságot Dirac pótolta a nemrelativisztikus kvantumelmélettel, melyben a legtöbb ellentmondás feloldódott. A klasszikus tárgyalásmód mégis a Schrödinger-féle interpretáció. Ebben az U külső potenciáltérben mozgó m tömegű elemi részecskéhez egy olyan Ψ (x,y,z,t) hullámfüggvényt rendelünk, mely kielégíti a

$i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\Psi =-\hbar ^{2}/2m\centerdot \Delta \Psi +U\Psi$

egyenletet. Ez az időtől függő Schrödinger-egyenlet. Az állapotfüggvényből képzett ΨΨ* mennyiség az elektron tömegsűrűségét jelenti, ennek értelmében az egyes elemi részecskét nem pontszerűnek tekintjük, hanem egy tömeg-sűrűségfüggvénnyel leírt tömegkontinuumnak. Ennek értelmében Schrödinger az atomot az atommagként és az akörül folytonosan eloszlatott elektronfelhő rendszereként írja le. A Schrödinger-egyenletből - a kontinuitási tételhez hasonlóan - a megmaradási tétel vezethető le, mely a következő alakban írható le: ${\frac {\partial }{\partial t}}\rho +divJ=0$,

itt J az áramlás sűrűségére jellemző mennyiség. Noha ezen értelmezés számos fizikai problémára magyarázatot ad, néhány meggondolás arra enged következtetni, hogy az elemi részek oszthatatlanságára vonatkozó tapasztalati tény ellentmondásba kerülhet, ily módon az elmélet egyes interpretációival.

Az egyik legfontosabb kvantummechanikai modell a lineáris harmonikus oszcillátor, amely molekulák vibrációs tulajdonságait, a fonon viselkedését és több fizikai rendszer leírását könnyíti meg. Itt nem részletezendő számítások során azt kapjuk, hogy atomi (elemi) rendszereknél az energia kvantáltságának legkisebb értéke arányos az (elemi) frekvenciával:$E_{0}={\frac {1}{2}}\hbar \omega$,

amely a zérusponti energia, ami összhangban van a kísérleti számított értékekkel, mely szerint a fény intenzitása a hőmérséklet csökkenésével nem zérushoz, hanem egy véges értékhez tart.

Neves atomfizikusok

A klasszikus atomfizika képviselői

• John Dalton
• Joseph von Fraunhofer
• Johannes Rydberg
• Joseph John Thomson
• Ernest Rutherford

Modern atomfizikusok

• Bay Zoltán
• Niels Bohr
• Max Born
• Clinton Davisson
• Enrico Fermi
• Kovács István
• Douglas Hartree
• Nevill Mott
• John C. Slater
• George Paget Thomson
• Wigner Jenő

Szakfolyóiratok

Az alkalmazott fizikai kutatásban és alapkutatásban használatos szakfolyóiratok közül az alábbiaknak kiemelt témája az atomfizika:

• Applied Physics A
• Applied Physics Letters
• Journal of Applied Physics
• Journal of Chemical Physics
• Journal of Physics B
• Nature Physics
• Physical Review A
• Physical Review Letters
• Physics Letters A

Források

• Kiss Dezső: Kísérleti atomfizika: Egyetemi tankönyv. Budapest: ELTE Eötvös Kiadó. 1998. ISBN 978-963-463-166-8  
• Hevesi: Bevezetés az atomfizikába: Atomhéjfizika [egyetemi tankönyv]. Szeged: JATEPress. 2013. ISBN 978-963-315-114-3  
• Lecture schedule and course notes. physics.bu.edu. (Hozzáférés: 2017. április 24.)
• Dr. Budó Ágoston – Dr. Mátrai Tibor – Hornyák László: Kísérleti fizika III. kötet: Optika és atomfizika. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó. 1999. ISBN 963 19 0309 5 Hozzáférés: 2017. április 25.  

További információk

• ELTE Fizikai Intézet. fizika.elte.hu. [2017. február 28-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. április 24.)