Atoms ir vielas mazākā daļiņa, kam piemīt noteikta ķīmiskā elementa īpašības. Atoms sastāv no kodola, kuru veido protoni un neitroni. Atoms satur vienu vai vairākus elektronus, kas ir saistīti ar kodolu ar Kulona spēkiem. Protonu skaits kodolā nosaka to, kādam ķīmiskajam elementam pieder atoms. Vienam vai vairākiem atomiem savienojoties ar ķīmiskās saites palīdzību, veidojas molekulas.
atomu un molekulu fizika
fizikas apakšnozare, kas pēta brīvus atomus, to uzbūvi, savstarpējo mijiedarbību (tai skaitā, veidojot ķīmisko saiti), kā arī mijiedarbību ar elektromagnētisko starojumu un stacionāriem laukiem, visbiežāk – elektrisko un magnētisko
Saistītie šķirkļi
Satura rādītājs
Teorētiskā un praktiskā nozīme
Atomu un molekulu fizika ir viens no pamatelementiem izpratnē par vielas uzbūvi, kurā balstās mūsdienu fizika, ķīmija, kā arī tehnoloģijas. Mūsdienās atomu fizika nodrošina precīzā laika standartu, kas tiek definēts, izmantojot pārejas starp cēzija (Cs) atoma enerģijas stāvokļiem. Saskaņā ar šo definīciju viena sekunde ir laiks, kas atbilst 9 192 631 770 svārstību periodiem starojumam, kurš rodas, cēzija atomam pārejot starp pamatstāvokļa supersīkstruktūras līmeņiem.
Vieta zinātnes klasifikācijā. Galvenie sastāvelementi
Atomu un molekulu fizika balstās kvantu fizikā. Tā izmanto kvantu fizikas pamatvienādojumus, lai aprakstītu kodola un elektronu mijiedarbību atomos, ķīmiskās saites veidošanos molekulās, atomu un molekulu mijiedarbību ar elektromagnētisko starojumu, kā arī to mijiedarbību ar ārējiem laukiem. Pētāmo daļiņu skaitam pieaugot, atomu un molekulu fizika robežojas ar cietvielu fiziku un ķīmisko fiziku.
Atomu un molekulu fizika sastāv no divām daļām, kas ir vienotas, ja aplūko pētniecībā izmantotās metodes, bet atšķiras ar pētniecības objektu. Atomu fizika pēta atsevišķus relatīvi izolētus atomus un jonus, to savstarpējo mijiedarbību, kā arī mijiedarbību ar gaismu un ārējiem laukiem, piemēram, ar elektrisko un magnētisko lauku. Savukārt molekulu fizika pēta nelielas (sastāv no neliela skaita atomu) molekulas gāzveida fāzē, kad to mijiedarbība ar apkārtējo vidi ir neliela, kā arī ķīmiskās saites veidošanos un molekulu mijiedarbību ar gaismu un ārējiem laukiem.
Mūsdienās līdzās atomu un molekulu fizikai tiek lietots termins 'atomu, molekulu un optiskā fizika' (atomic, molecular and optical physics), kas uzsver šo daļiņu mijiedarbības ar elektromagnētisko starojumu īpašo lomu atomu un molekulu izpētē.
Galvenās teorijas
Atomu un molekulu fizikas pamatā ir kvantu teorija. Visbiežāk atomu un molekulu aprakstam izmanto nerelatīvistisko kvantu mehāniku. Tās pamatvienādojuma risināšanai tiek lietota perturbāciju teorija dažādās tuvinājuma pakāpēs. Lai aprakstītu atomu mijiedarbību ar gaismu, izmanto pusklasiskās metodes (semiclassical methods), kurās atoms vai molekula tiek aprakstīti, izmantojot kvantu mehāniku, bet gaisma – klasiski. Šāda pieeja dod precīzus rezultātus, taču ir izņēmumi, visbiežāk, ja gaismas intensitāte ir maza. Šādos gadījumos gaisma tiek aprakstīta kvantu optikas terminos un atomu mijiedarbība ar gaismu analizēta, izmantojot kvantu mehāniku. Šāda apraksta pamatā ir kvantu optika un Džeina-Kamingsa modelis (Jaynes-Cummings model).
Molekulu struktūras aprakstam izmanto molekulāro orbitāļu teoriju, kurā tiek pieņemts, ka, veidojoties molekulai, daļa elektronu, kas sākotnēji saistīti ar vienu vai otru atomu, kļūst kopīgi visai molekulai. Arī šī teorija balstās kvantu mehānikā.
Pētniecības metodes
Vienlaikus ar teorētiskā apraksta metodēm atomu un molekulu pētniecībā lieto vairākas eksperimentālās metodes. Tiek izmantotas spektroskopiskās metodes visplašākajā spektrālajā diapazonā, sākot no mikroviļņiem un beidzot ar rentgenstariem. Kopš 20. gs. 60.–70. gadiem lāzeru izmantošana spektroskopijā pavērusi jaunas iespējas atomu un molekulu izpētē. Lāzeri ļauj noteikt atomu un molekulu parametrus ar ļoti augstu precizitāti. Piemēram, ar lāzeru spektroskopiskajām metodēm Ridberga konstanti (R), kas raksturo atomu enerģētiskos līmeņus, var noteikt ar relatīvo precizitāti 6 x 10-12. Lāzeri ļauj atdzesēt atomus līdz temperatūrai, kas ir mazāka par vienu desmitmiljono daļu grāda virs absolūtās nulles. Šādā temperatūrā atomi iegūst jaunas un negaidītas īpašības. Tie atrodas Bozes-Einšteina kondensāta stāvoklī, ko dažkārt uzskata par jaunu vielas agregātstāvokli. Šādā stāvoklī atomi zaudē savas individuālās īpašības un sāk uzvesties kā vienots ansamblis, kļūstot līdzīgi fotoniem lāzera starā. Tas ļauj veidot “atomu lāzerus”, ko izmanto augstas precizitātes eksperimentos (piemēram, gravitācijas viļņu detektēšanai).
Līdzās spektroskopiskajām metodēm atomu un molekulu izpētē lieto atomu un molekulu kūļu metodes, kas organizē atomus un molekulas tā, lai tie pārvietotos šaura kūļa veidā ar precīzi zināmu daļiņu kustības ātrumu. Tas ļauj pētīt, piemēram, atomu un molekulu sadursmes precīzi kontrolētā veidā, kad zināms gan atomu un molekulu kustības virziens, gan ātrums. Ja kūlī atrodas molekulas un tās iespējams telpiski orientēt, paveras jaunas iespējas pētīt ķīmisko reakciju stereodinamiku. Tas nozīmē, ka ķīmiskajā reakcijā iespējams kontrolēt individuālu reakcijas dalībnieku savstarpējo orientāciju. Piemēram, iespējams pateikt, vai atoms, kas reaģē ar molekulu, pielido molekulai no sāniem vai no gala un kā reakcijas varbūtība atkarīga no daļiņu sadursmes ātruma.
Īsa vēsture
Atomu un molekulu fizikas pirmsākumi saistīti ar Seno Grieķiju, kad apmēram 4. gs. p. m. ē. sengrieķu filozofs Leikips (Λεύκιππος) ieviesa atoma jēdzienu, ar to apzīmējot mazāko tālāk nedalāmo daļiņu. Atoma jēdzienu tālāk attīstīja Leikipa skolnieks Dēmokrits no Abdērām (Δημόκριτος ο Αβδηρίτης). Mazāko nedalāmo daļiņu eksistence nebūt nebija acīmredzama un pašsaprotama. Piemēram, Aristotelis (Ἀριστοτέλης) un viņa skolnieki uzskatīja, ka viela ir nepārtraukta un tātad dalāma daļās bezgalīgi. Diskusijas par atomiem un to eksistenci nebija tikai tā laika Senās Grieķijas zinātnes prerogatīva. Visdažādākie viedokļi šajā jautājumā atrodami arī Indijas vēdiskajā literatūrā (piemēram, Adživikas un Čarvakas skolu filozofi Indijā par atomiem runāja jau apmēram 4. gs. p. m. ē.). Viduslaikos atomismu attīstīja islāma zinātnieki, apvienojot Senās Grieķijas un Indijas domātāju idejas. Pazīstamākie islāma atomisma ideju paudēji ir saistāmi ar Ašarītu skolu un filozofu Al Gazāli (أبو حامد محمد بن محمد الغزالي, Abū Ḥāmid Muḥammad ibn Muḥammad al-Ghazālī).
Līdz pat 20. gs. sākumam dalījās viedokļi par to, vai viela ir nepārtraukta un bezgalīgi dalāma vai sastāv no atomiem. Vēl 19. gs. vidū Lielbritānijas Karaliskā biedrība (The Royal Society) – tā laika prestižākais zinātnieku forums – rīkoja diskusijas par un pret atoma jēdzienu. Diskusijas norima par labu atoma eksistencei tikai 20. gs. sākumā, pateicoties atomu eksperimentālai izpētei. 1905. gadā Alberts Einšteins (Albert Einstein) publicēja rakstu, kas skaidroja Brauna kustību kā ziedputekšņu sadursmes ar atomiem un molekulām, kā rezultātā ziedputekšņi tiek pārvietoti. Nedaudz pirms tam (1897) angļu fiziķis Džozefs Tomsons (Sir Joseph John Thomson) veica eksperimentus, kuros konstatēja elektrona, kas ir viena no atomu veidojošajām daļiņām, eksistenci. 1909. gadā Jaunzēlandē dzimušais fiziķis Ernests Rezerfords (Ernest Rutherford) Mančestras Universitātē (University of Manchester) kopā ar studentiem Hansu Geigeru (Hans Geiger) un Ernestu Mārsdenu (Sir Ernest Marsden) atklāja atoma kodola eksistenci. Pēc šiem atklājumiem atomu un līdz ar to arī molekulu eksistence vairs nebija apstrīdama. Jautājums bija par to uzbūvi: kā elektroni un kodoli veido atomus un kā atomi, tiem mijiedarbojoties, veido molekulas. Pirmo moderno atomu uzbūves teoriju 1913. gadā piedāvāja dāņu fiziķis Nīlss Bors (Niels Henrik David Bohr). Fizikas vēsturē šis modelis zināms kā Bora-Zommerfelda atoma modelis, jo tā vispārināšanā būtisku ieguldījumu deva vācu fiziķis Arnolds Zommerfelds (Arnold Sommerfeld). Izveidojoties mūsdienu kvantu mehānikai, atoma uzbūves modelis tika būtiski uzlabots. To apraksta Šrēdingera vienādojums, kodolam un elektroniem atomā savstarpēji mijiedarbojoties.
Līdz ar atoma apraksta rašanos bija pavērts ceļš, lai mūsdienu fizikas līmenī varētu izskaidrot molekulu uzbūves teoriju. Tās pamatā ir priekšstati par ķīmisko saiti, kas sasaista atomus molekulā. Balstoties Šrēdingera vienādojumos un risinot tos visvienkāršākajai iespējamajai molekulai – ūdeņraža molekulārajam jonam (divi protoni, ko saista viens elektrons) –, divi vācu fiziķi Valters Heitlers (Walter Heinrich Heitler) un Frics Londons (Fritz Wolfgang London) no 1928. gada līdz 1930. gadam radīja pirmo ķīmiskās saites teoriju.
20. gs. 60. un 70. gados atomu un molekulu fizikā ienāca lāzeri un attīstījās lāzeru spektroskopija, kas ļāva atomu un molekulu uzbūvi un īpašības pētīt ar nebijušu precizitāti. Uz lāzeru spektroskopijas bāzes 90. gados izveidojās metodes, kas, izmantojot gaismu, ļāva precīzi kontrolēt atomu un molekulu stāvokļus, – manipulēt ar šīm daļiņām. Tas bija pamats, lai 20. gs. 90. gados izveidotu metodes, kā atomus atdzesēt līdz neiedomājami zemai temperatūrai un iegūt Bozes-Einšteina kondensāta stāvokli.
Pašreizējais attīstības stāvoklis
Mūsdienās, 21. gs., tiek pētīti individuāli atomi un to mijiedarbība ar individuāliem gaismas kvantiem. Iespēja ar atomiem manipulēt sasniegusi tādu izpratnes un tehnoloģisko līmeni, ka atomi tiek izmantoti kā instrumenti citu fizikālu procesu pētījumos, – piemēram, lai veidotu “atomu lāzerus” vai mērītu fizikālos laukus ar ļoti augstu precizitāti. Ar atomu un molekulu palīdzību tiek veidoti detektori gravitācijas viļņu un tumšās matērijas meklēšanai.
Galvenās pētniecības iestādes
Pētniecība atomu un molekulu fizikā notiek gandrīz katrā universitātē un daudzos pētniecības institūtos. Kā vadošie Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV) jāmin Masačūsetsas Tehnoloģiju Institūts (Massachusetts Institute of Technology), Hārvarda Universitāte (Harvard University) Bostonā, Stenforda Universitāte (Stanford University) Paloalto un Kalifornijas Universitāte Bērklijā (University of California, Berkeley). Izcila pētniecība atomu un molekulu fizikā norit arī Vācijas institūtos – Maksa Planka Kvantu Optikas Institūtā (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) Garhingā pie Minhenes un Minhenes Ludviga Maksimiliāna Universitātē (Ludwig-Maximilians-Universität München). Kastlera un Brosela laboratorija (Laboratoire Kastler Brossel) Parīzē specializējusies pētījumos, kas saistīti ar atomu mijiedarbību ar gaismu, it īpaši ar lāzera starojumu, un darbojas ciešā sadarbībā ar Francijas Nacionālo zinātniskās pētniecības centru (Centre national de la recherche scientifique, CNRS), Augstāko normālskolu (École normale supérieure), Pjēra un Marijas Kirī Universitāti (Université Pierre et Marie Curie) un Franču koledžu (Collège de France).
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi, kuros tiek publicēti pētījumi atomu un molekulu fizikā, ir žurnāli Advances in Atomic Molecular and Optical Physics (kopš 1965. gada, izdod Academic Press Inc. Elsevier, līdz 1989. gadam – Advances in Atomic and Molecular Physics); Molecular Physics (kopš 1958. gada, izdod Taylor and Francis Ltd); Physical Review A (kopš 1970. gada, izdod American Physical Society); Journal of Physics B – Atomic Molecular and Optical Physics (1968–1987 Journal of Physics B – Atomic and Molecular Physics, izdod Institute of hysics Publishing Ltd); Journal of Molecular Spectroscopy (kopš 1992. gada, izdod Academic Press Inc Elsevier Science).
Ievērojamākie pētnieki
Lai arī atomu fizikas pirmsākumi meklējami jau Senajā Grieķijā, savu mūsdienu veidolu tā ieguva tikai 20. gs. sākumā. Atomu pirmie modeļi tika izveidoti, apkopojot Dž. Tomsona un E. Rezerforda elektronu un kodolu pētījumus. Saskaņā ar Dž. Tomsona atoma uzbūves modeli, kurš pazīstams ar nosaukumu rozīņu pudiņa modelis, atoms ir pozitīvi lādēta lode, kuras iekšienē atrodas negatīvi lādēti elektroni, līdzīgi kā rozīnes pudiņā. Savukārt japāņu fiziķis Hantaro Nagaoka (長岡 半太郎, Nagaoka Hantarō) piedāvāja atoma modeli, kurā elektroni ir sakārtoti ap kodolu vairāku gredzenu formā, līdzīgi kā planētas Saturna gredzeni. Pirms kvantu mehānikas izveidošanās piedāvātie atomu modeļi kulminēja ar N. Bora un A. Zommerfelda atoma modeli, kas piedāvāja uzskatu, ka elektroni ap kodolu kustas tāpat kā planētas ap Sauli. Kad radās kvantu teorija, viens no pirmajiem uzdevumiem, ko 1926. gadā atrisināja austriešu fiziķis Ervīns Šrēdingers (Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger), izmantojot kvantu mehānikas vienādojumu – Šrēdingera vienādojumu –, bija ūdeņraža atoma apraksts ar kvantu mehānikas palīdzību. Dažu nākamo gadu laikā šī teorija tika pielietota molekulu aprakstam. Nozīmīgākie pētnieki šajā jomā ir vācu fiziķi Valters Heitlers (Walter Heinrich Heitler) un F. Londons.