Física atómica
La física atómica es la rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los átomos (electrones y núcleos atómicos) así como las interacciones materia-materia y luz-materia en la escala de átomos individuales.[1] El estudio de la física atómica incluye la forma en la cual los electrones están organizados alrededor del núcleo y los procesos mediante los cuales este orden puede modificarse, también comprende los iones, así como a los átomos neutros y a cualquier otra partícula que sea considerada parte de los átomos. La física atómica incluye tratamientos tanto clásicos como cuánticos, ya que puede tratar sus problemas desde puntos de vista microscópicos y macroscópicos.
La física atómica y la física nuclear tratan cuestiones distintas, la primera trata con todas las partes del átomo, mientras que la segunda lo hace solo con el núcleo del átomo, siendo este último especial por su complejidad. Se podría decir que la física atómica trata con las fuerzas electromagnéticas del átomo y convierte al núcleo en una partícula puntual, con determinadas propiedades intrínsecas de masa, carga y espín.
La investigación actual en física atómica se centra en actividades tales como el enfriamiento y captura de átomos e iones, lo cual es interesante para eliminar «ruido» en las medidas y evitar imprecisiones a la hora de realizar otros experimentos o medidas (por ejemplo, en los relojes atómicos); aumentar la precisión de las mediciones de constantes físicas fundamentales, lo cual ayuda a validar otras teorías como la relatividad o el modelo estándar; medir los efectos de correlación electrónica en la estructura y dinámica atómica y la medida y comprensión del comportamiento colectivo de los átomos de gases que interactúan débilmente (por ejemplo, en un condensado de Bose-Einstein de pocos átomos).
Átomos aislados
La física atómica considera principalmente a los átomos de forma aislada. Los modelos atómicos consistirán en un solo núcleo que puede estar rodeado por uno o más electrones enlazados. No se ocupa de la formación de moléculas (aunque gran parte de la física es idéntica), ni examina los átomos en estado sólido como materia condensada. Se ocupa de procesos como la ionización y excitación por fotones o colisiones con partículas atómicas.
Si bien modelar átomos de forma aislada puede no parecer realista, si uno considera átomos en un gas o plasma, las escalas de tiempo para las interacciones átomo-átomo son enormes en comparación con los procesos atómicos que generalmente se consideran. Esto significa que los átomos individuales pueden tratarse como si cada uno estuviera aislado, como ocurre en la gran mayoría de las veces. Mediante esta consideración, la física atómica proporciona la teoría subyacente en la física del plasma y la física atmosférica, aunque ambas tratan con un gran número de átomos.
Configuración electrónica
Los electrones forman capas alrededor del núcleo. Estos normalmente están en un estado fundamental, pero pueden ser excitados por la absorción de energía de la luz (fotones), campos magnéticos o la interacción con una partícula en colisión (típicamente iones u otros electrones).
Se dice que los electrones que pueblan una capa están en un estado ligado. La energía necesaria para sacar un electrón de su capa (llevándolo al infinito) se llama energía de enlace. Cualquier cantidad de energía absorbida por el electrón en exceso de esta cantidad se convierte en energía cinética de acuerdo con el principio de conservación de la energía. Se dice que el átomo ha sufrido el proceso de ionización.
Si el electrón absorbe una cantidad de energía menor que la energía de enlace, pasará a un estado excitado. Después de cierto tiempo, el electrón en un estado excitado "saltará" (sufrirá una transición) a un estado más bajo. En un átomo neutro, el sistema emitirá un fotón de la diferencia de energía, ya que la energía se conserva.
Si un electrón interno ha absorbido más que la energía de enlace (de modo que el átomo se ioniza), entonces un electrón más externo puede sufrir una transición para llenar el orbital interno. En este caso, se emite un fotón visible o un rayo X característico, o puede tener lugar un fenómeno conocido como efecto Auger, donde la energía liberada se transfiere a otro electrón ligado, haciendo que entre en el continuo. El efecto Auger permite multiplicar la ionización de un átomo con un solo fotón.
Existen reglas de selección bastante estrictas en cuanto a las configuraciones electrónicas que se pueden alcanzar mediante la excitación por luz; sin embargo, no existen tales reglas para los procesos de excitación por colisión.
Historia y desarrollos
Uno de los primeros pasos hacia la física atómica fue el reconocimiento de que la materia estaba compuesta de átomos. Forma parte de los textos escritos en el siglo VI aC al siglo II aC como los de Demócrito o en el Vaisheshika Sutra o los escritos por Kanada. Esta teoría fue desarrollada más tarde en el sentido moderno de la unidad básica de un elemento químico por el químico y físico británico John Dalton en el siglo XVIII. En esta etapa, no estaba claro qué eran los átomos, aunque podían describirse y clasificarse por sus propiedades (a granel). La invención del sistema periódico de elementos por parte de Mendeleev fue otro gran paso adelante.
El verdadero comienzo de la física atómica está marcado por el descubrimiento de las líneas espectrales y los intentos de describir el fenómeno, sobre todo por parte de Joseph von Fraunhofer. El estudio de estas líneas condujo al modelo atómico de Bohr y al nacimiento de la mecánica cuántica. Al tratar de explicar los espectros atómicos, se reveló un modelo matemático completamente nuevo de la materia. En lo que respecta a los átomos y sus capas de electrones, esto no solo proporcionó una mejor descripción general, es decir, el modelo orbital atómico, sino que también proporcionó una nueva base teórica para la química (química cuántica) y la espectroscopia.
Desde la Segunda Guerra Mundial, tanto los campos teóricos como los experimentales han avanzado a un ritmo acelerado. Esto se puede atribuir al progreso en la tecnología informática, que ha permitido modelos más grandes y sofisticados de la estructura atómica y los procesos de colisión asociados. Avances tecnológicos similares en aceleradores, detectores, generación de campos magnéticos y láseres han ayudado mucho al trabajo experimental.
Físicos atómicos destacados
- Niels Bohr (1885–1962), físico danés; Premio Nobel de Física 1922 (estructura de los átomos y su radiación), modelo de Bohr del átomo, principio de correspondencia , principio de complementariedad
- Steven Chu (nacido en 1948), físico y político estadounidense; Premio Nobel de Física 1997 (átomos que influyen con láseres, enfriamiento por láser ), trampas atómicas y relojes atómicos , mediciones en física atómica
- Claude Cohen-Tannoudji (nacido en 1933), físico francés; 1997 Premio Nobel de Física (enfriamiento y atrapamiento de átomos con luz láser), mecánica cuántica, física nuclear y molecular
- Edward Uhler Condon (1902-1974), físico estadounidense; Principio de Franck-Condon , energía atómica, radar
- Paul Dirac (1902-1984), físico británico y cofundador de la física cuántica, Premio Nobel de Física 1933 (teoría atómica, con Schrödinger); Peine de Dirac, Estadística de Fermi-Dirac, Mar de Dirac, Espinor de Dirac, Ecuación de Dirac, Función de Dirac, Distribución delta, Constante de Dirac, Medida de Dirac, Hipótesis de Dirac, Postulado del monopolo magnético
- Enrico Fermi (1901-1954), físico nuclear ítalo-estadounidense; Premio Nobel de Física 1938, mecánica cuántica, estadística cuántica, estadística de Fermi-Dirac para fermiones , regla de oro de Fermi, superficie de Fermi, resonancia de Fermi , modelo de Thomas-Fermi, primera reacción en cadena nuclear controlada, bomba atómica, gas de Fermi, fermio , nivel de Fermi, Fermi problemas
- Robert Hofstadter (1915-1990), físico estadounidense, Premio Nobel de Física 1961 por su trabajo sobre la dispersión de electrones en núcleos atómicos , determinando el tamaño y la distribución de carga en protones y neutrones .
- Robert Oppenheimer (1904-1967), físico teórico estadounidense, director científico del Proyecto Manhattan para desarrollar la bomba atómica
- Ernest Rutherford (1871-1937), físico experimental británico; Premio Nobel de Química 1908 (desintegración radiactiva de los elementos y química de las sustancias radiactivas), descubridor del núcleo atómico, autor del modelo atómico de Rutherford, postulado del neutrón
- Arnold Sommerfeld (1868-1951), matemático y físico teórico alemán; modelo atómico de Bohr-Sommerfeld, constante de estructura fina, teoría de los metales de Sommerfeld
- Johannes Diderik van der Waals (1837–1923), físico holandés, Premio Nobel de Física 1910, atracción entre átomos, fuerzas de Van der Waals, radio de Van der Waals, ecuación de Van der Waals
Véase también
Referencias
- Demtröder, W. (2006). Atoms, molecules and photons : an introduction to atomic-, molecular-, and quantum-physics. Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-32346-4. OCLC 262692011.
Bibliografía
- Bransden, BH; Joachain, CJ (2002). Physics of Atoms and Molecules (2nd Edition edición). Prentice Hall. ISBN 0-582-35692-X.
- Foot, CJ (2004). Atomic Physics. Oxford University Press. ISBN 0-19-850696-1.
- Herzberg, Gerhard (1979). Atomic Spectra and Atomic Structure. New York: Dover. ISBN 978-0-486-60115-1.
- Condon, E.U.; Shortley, G.H. (1935). The Theory of Atomic Spectra. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-09209-8.
- Cowan, Robert D. (1981). The Theory of Atomic Structure and Spectra. University of California Press. ISBN 978-0-520-03821-9.
- Lindgren, I.; Morrison, J. (1986). Atomic Many-Body Theory (Second edición). Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-16649-0.
Enlaces externos
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- Estructura del átomo Teoría VS