atomska i molekularna fizika

atomska i molekularna fizika, grana fizike koja se bavi istraživanjem strukture atoma i atomske strukture pojedinih molekula, njihovih energijskih stanja i međudjelovanja s ostalim česticama i električnim i magnetskim poljima. Uspješan je primjer primjene kvantne mehanike. Važniji su ogranci atomska spektrometrija i molekularna spektroskopija, atomski i molekularni snopovi, atomski, molekularni i elektronski sudari, atomska i molekularna fizika na površinama, ionizacija i fizika plazme, lasersko hlađenje i atomske stupice, atomska optika, fotonima inducirana dinamika, klasteri, nelinearna optika i spektroskopija. U nas se laserska spektroskopija razvija u Institutu za fiziku i Institutu Ruđer Bošković u Zagrebu.

Povijest razvoja

Prvo atomističko tumačenje strukture tvari dali su Leukip i Demokrit oko 440. pr. Kr. Smatrali su da se tvar sastoji od nedjeljivih i neuništivih atoma u neprestanom kretanju i sudaranju kroz okolnu prazninu, slično suvremenoj kinetičkoj teoriji plinova. Aristotel je odbacio atomizam i smatrao da je tvar kontinuirana.

Isaac Newton je u djelu Matematički principi filozofije prirode (1687) objasnio izotermni plinski zakon (prema kojemu je pri stalnoj temperaturi umnožak tlaka i volumena plina konstantan: pV = konst) pretpostavkom da se plin sastoji od slobodnih čestica. John Dalton je u djelu Novi sustav kemijske filozofije (1808) pretpostavio da se svaki kemijski element sastoji od identičnih atoma, a Amedeo Avogadro je na temelju eksperimentalnog rada pretpostavio (1811) da se čestice plina mogu sastojati od dva ili više povezanih atoma. Joseph Fraunhofer izumio je moderni spektroskop (1814) i mjerenjem valnih duljina spektralnih linija otkrio da su relativni položaji linija u spektrima pojedinih kemijskih elemenata stalni te razvio metodu prepoznavanja kemijskih elemenata s pomoću spektra.

Sredinom XIX. st. kinetička teorija plinova uspješno je gibanjem atomskih i molekularnih čestica opisala tlak, viskoznost plina, Brownovo gibanje i dr. Dmitrij Ivanovič Mendeljejev poredao je tada poznate kemijske elemente (1869) po rastućim relativnim atomskim masama i u tablici im dao mjesta na temelju njihovih svojstava koja su se periodično ponavljala. U konačnoj verziji (1871) periodnoga sustava elemenata ostavio je prazna mjesta za do tada nepoznate elemente, predvidjevši im svojstva.

Potkraj XIX.vst. počinje se prepoznavati unutarnja struktura atoma. Joseph John Thomson otkrio je da se katodno zračenje, neovisno o materijalu katode, sastoji od čestica međusobno jednakoga količnika električnoga naboja i mase (e/m). Te čestice nazvane su elektronimaRobert Andrews Millikan (1909) izmjerio je električni naboj elektrona, tj. elementarni električni nabojFranck-Hertzov pokus (1914) potvrdio je pretpostavku o postojanju stacionarnih stanja i diskretnih energijskih razina u atomima.

Uporaba maseralasera unaprijedila je atomsku i molekularnu fiziku zbog preciznosti kojom se mogu mjeriti svojstvene valne duljine atomskih i molekularnih spektara i zato što su laseri omogućili nove tehnologije za izoliranje pojedinih atoma u atomskim stupicama i njihovo hlađenje gotovo do temperature apsolutne nule.

Modeli atoma

Thomsonov model atoma (model voćnoga kolača) postavio je Joseph John Thomson 1904. Po tome modelu atom je električki pozitivno nabijena kugla promjera 10−10 m u kojoj plivaju električki negativni elektroni promjera 10−15 m kao grožđice u voćnom kolaču. Model nije mogao objasniti spektre.

Rutherfordov model atoma (planetarni model atoma) postavio je Ernest Rutherford 1911. kako bi objasnio raspršenje alfa-čestica na zlatnoj foliji koje je uočio u pokusu (većina alfa-čestica prolazila je kroz zlatnu foliju neznatno odstupajući od prvobitnoga smjera, manji dio se jače otklanjao, a jedna od osam tisuća alfa-čestica odbijala se unatrag). Pretpostavio je da atomska jezgra sadržava gotovo cjelokupnu masu atoma i da sićušni električki negativno nabijeni elektroni kruže oko pozitivno nabijene jezgre, slično kao što planeti kruže oko Sunca. U planetarnome modelu promjer atoma je 10−10 m, a promjer jezgre 10−14 m, pa je atom prilično prazan. Rutherfordov model prkosio je zakonu elektrodinamike prema kojemu svaka ubrzana čestica nabijena električnim nabojem zrači elektromagnetske valove, što znači da bi i elektron koji kruži oko jezgre atoma trebao zračiti elektromagnetske valove, izgubiti kinetičku energiju i po spiralnoj putanji pasti na atomsku jezgru.

Bohrov model atoma postavio je Niels Bohr (1913) kako bi objedinio eksperimentalne činjenice iz Rutherfordova pokusa s raspršenjem alfa-čestica na zlatnoj foliji, sačuvao elektrodinamičke zakone i objasnio Balmerovu formulu za linijski spektar vodika. Uveo je dva postulata: 1) elektron se oko jezgre može gibati samo po strogo određenim kružnim putanjama i tada ne zrači elektromagnetske valove i ne gubi energiju; polumjeri tih putanja su: r = nh/2πmev, gdje je n prirodni broj (poslije nazvan glavni kvantni broj), h Planckova konstanta, me masa elektrona i v brzina elektrona; 2) kad elektron prelazi iz orbite većega polumjera u orbitu manjega polumjera (kvantni skok), emitira elektromagnetsko zračenje energije koja je jednaka razlici energija na pojedinim orbitama: hv = E1 − E2. Bohrov model atoma točno je predviđao valne duljine spektralnih linija vodika, ali ne i ostalih kemijskih elemenata.

Kvantnomehanički model atoma pretpostavlja da su elektroni istodobno čestice i valovi (de Broglieva relacija, Louis Victor de Broglie), da je nemoguće istodobno poznavati položaj i brzinu elektrona (Heisenbergove relacije neodređenosti, Werner Heisenberg) i da se elektroni vjerojatno nalaze u određenim područjima oko jezgre (orbitalama) koje se razlikuju po obliku i energijama. Schrödingerova jednadžba valna je jednadžba kojom se mogu opisati stanja elektrona, a njezino je rješenje valna funkcija.

atomska i molekularna fizika. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 17.9.2019. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=4480>.