Atomphysik

In der Atomphysik werden Atome immer isoliert betrachtet. Atommodelle bestehen aus einem einzigen Kern, der von einem oder mehreren gebundenen Elektronen umgeben sein kann. Sie befasst sich weder mit der Bildung von Molekülen (obwohl ein Großteil der Physik identisch ist), noch untersucht sie Atome im festen Zustand als kondensierte Materie. Sie befasst sich mit Prozessen wie Ionisierung und Anregung durch Photonen oder Stöße mit Atomteilchen.

Auch wenn die Modellierung von Atomen isoliert betrachtet nicht realistisch erscheint, so sind doch die Zeitskalen für Atom-Atom-Wechselwirkungen im Vergleich zu den allgemein betrachteten atomaren Prozessen riesig. Das bedeutet, dass die einzelnen Atome so behandelt werden können, als wären sie isoliert, was sie in den allermeisten Fällen auch tun. Durch diese Betrachtung liefert die Atomphysik die zugrundeliegende Theorie in der Plasmaphysik und der Atmosphärenphysik, auch wenn beide sich mit sehr großen Atomzahlen befassen.

Elektronen bilden fiktive Schalen um den Kern. Diese befinden sich von Natur aus in einem Grundzustand, können aber durch die Absorption von Energie aus Licht (Photonen), Magnetfeldern oder Wechselwirkung mit einem kollidierenden Teilchen (typischerweise anderen Elektronen) angeregt werden.

Elektronen, die eine Schale bevölkern, sollen sich in einem gebundenen Zustand befinden. Die Energie, die notwendig ist, um ein Elektron aus seiner Schale zu entfernen (es ins Unendliche zu bringen), wird als Bindungsenergie bezeichnet. Jede Energiemenge, die das Elektron über diese Menge hinaus aufnimmt, wird entsprechend der Energieerhaltung in kinetische Energie umgewandelt. Man sagt, dass das Atom den Prozess der Ionisierung durchlaufen hat.

Falls das Elektron eine geringere Energiemenge als die Bindungsenergie absorbiert, geht es in einen angeregten Zustand über. Nach einer statistisch ausreichenden Zeitspanne geht ein Elektron in einem angeregten Zustand in einen niedrigeren Zustand über. Die Energieänderung zwischen den beiden Energieniveaus muss berücksichtigt werden (Energieerhaltung). In einem neutralen Atom wird das System ein Photon der Energiedifferenz aussenden. Wenn das angeregte Atom jedoch zuvor ionisiert wurde, insbesondere wenn eines seiner inneren Schalenelektronen entfernt wurde, kann ein als Auger-Effekt bekanntes Phänomen auftreten, bei dem die Energiemenge auf eines der gebundenen Elektronen übertragen wird, wodurch es in das Kontinuum eintritt. Dies ermöglicht es, ein Atom mit einem einzigen Photon mehrfach zu ionisieren.

Es gibt ziemlich strenge Auswahlregeln bezüglich der elektronischen Konfigurationen, die durch Lichtanregung erreicht werden können - wie auch immer, es gibt keine solchen Regeln für die Anregung durch Kollisionsprozesse.

Die meisten Bereiche der Physik lassen sich zwischen theoretischer Arbeit und experimenteller Arbeit aufteilen, und die Atomphysik bildet da keine Ausnahme. In der Regel, aber nicht immer, ist es so, dass der Fortschritt in abwechselnden Zyklen von einer experimentellen Beobachtung bis zu einer theoretischen Erklärung verläuft, gefolgt von einigen Vorhersagen, die durch das Experiment bestätigt oder nicht bestätigt werden können, und so weiter. Natürlich kann der aktuelle Stand der Technik zu einem bestimmten Zeitpunkt Einschränkungen hinsichtlich dessen mit sich bringen, was experimentell und theoretisch erreicht werden kann, so dass es beträchtliche Zeit dauern kann, bis die Theorie verfeinert ist.

Einer der frühesten Schritte auf dem Weg zur Atomphysik war die Erkenntnis, dass die Materie aus Atomen zusammengesetzt ist, im modernen Sinne der Grundeinheit eines chemischen Elements. Diese Theorie wurde im 18. Jahrhundert von dem britischen Chemiker und Physiker John Dalton entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt war noch nicht klar, was Atome sind, obwohl sie anhand ihrer Eigenschaften (in Masse) in einem Periodensystem beschrieben und klassifiziert werden konnten.

Der eigentliche Beginn der Atomphysik ist gekennzeichnet durch die Entdeckung der Spektrallinien und die Versuche zur Beschreibung des Phänomens, vor allem durch Joseph von Fraunhofer. Das Studium dieser Linien führte zum Bohrschen Atommodell und zur Geburt der Quantenmechanik. Bei dem Versuch, die Atomspektren zu erklären, wurde ein völlig neues mathematisches Modell der Materie enthüllt. Was die Atome und ihre Elektronenhüllen betrifft, so führte dies nicht nur zu einer besseren Gesamtbeschreibung, d.h. dem Atomorbitalmodell, sondern es lieferte auch eine neue theoretische Grundlage für die Chemie (Quantenchemie) und die Spektroskopie.

Seit dem Zweiten Weltkrieg haben sich sowohl die theoretischen als auch die experimentellen Bereiche in rasantem Tempo weiterentwickelt. Dies ist auf die Fortschritte in der Computertechnik zurückzuführen, die größere und ausgefeiltere Modelle der atomaren Struktur und der damit verbundenen Kollisionsprozesse ermöglicht hat. Ähnliche technologische Fortschritte bei Beschleunigern, Detektoren, der Erzeugung von Magnetfeldern und Lasern haben die experimentelle Arbeit sehr unterstützt.

• Teilchenphysik
• Isomere Verschiebung