פיזיקה אטומית

פיסיקה אטומית, המחקר המדעי של מבנה האטום, מצבי האנרגיה שלו והאינטראקציה שלו עם חלקיקים אחרים ועם שדות חשמליים ומגנטיים. פיזיקה אטומית הוכחה כיישום מוצלח להפליא של מכניקת הקוונטים, שהיא אחת מאבני היסוד של הפיזיקה המודרנית.

הרעיון שהחומר עשוי מאבני בניין בסיסיות מתוארך ליוונים הקדמונים, שהשערו כי אדמה, אוויר, אש ומים עשויים להוות את היסודות הבסיסיים שמהם בנוי העולם הפיזי. הם גם פיתחו אסכולות שונות על אופיו האולטימטיבי של החומר. אולי המדהים ביותר היה בית הספר האטומיסטי שנוסד על ידי היוונים העתיקים לאוקיפוס ממילטוס ודמוקריטוס של תראקיה בערך 440 לפני הספירה. מסיבות פילוסופיות גרידא, וללא תועלת מהעדויות הניסיוניות, הם פיתחו את התפיסה שהחומר מורכב מאטומים בלתי ניתנים לחלוקה ובלתי ניתנים להפרדה. האטומים בתנועה בלתי פוסקת דרך החלל שמסביב ומתנגשים זה בזה כמו כדורי ביליארד, בדומה לתורת הקינטית המודרנית של הגזים. עם זאת, ההכרח לביטול (או ריק) בין האטומים העלה שאלות חדשות שלא ניתן היה לענות עליהן בקלות. מסיבה זו, התמונה האטומיסטית נדחתה על ידי אריסטו ובית הספר האתונאי לטובת הרעיון שהעניין הוא רציף. הרעיון בכל זאת התמיד, והוא הופיע שוב כעבור 400 שנה בכתביו של המשורר הרומי לוקרטיוס, ביצירתו De rerum natura (על טבע הדברים).

מעט יותר נעשה כדי לקדם את הרעיון שחומר עשוי להיות עשוי מחלקיקים זעירים עד המאה ה -17. הפיזיקאי האנגלי אייזק ניוטון, ב- Principia Mathematica (1687), הציע כי ניתן להסביר את החוק של בויל, הקובע כי תוצר הלחץ ונפח הגז קבוע באותה טמפרטורה, אם ניתן להניח שהגז הוא מורכב מחלקיקים. בשנת 1808 הציע הכימאי האנגלי ג'ון דלטון כי כל יסוד מורכב מאטומים זהים, ובשנת 1811 העלה הפיזיקאי האיטלקי אמדאו אבוגדרו כי חלקיקי היסודות עשויים להיות מורכבים משני אטומים או יותר דבוקים זה בזה. אבוגדרו כינה מולקולות קונגלומרטציות כאלה, ועל בסיס עבודה ניסיונית, הוא שיער שהמולקולות בגז של מימן או חמצן נוצרות מזוגות אטומים.

במהלך המאה ה -19 התפתח הרעיון של מספר מצומצם של יסודות, שכל אחד מהם מורכב מסוג מסוים של אטום, שיכול לשלב במספר כמעט בלתי מוגבל של דרכים ליצירת תרכובות כימיות. באמצע המאה התיאוריה הקינטית של גזים ייחסה בהצלחה תופעות כמו לחץ וצמיגות של גז לתנועות של חלקיקים אטומיים ומולקולריים. עד שנת 1895 המשקל ההולך וגדל של הוכחות כימיות והצלחת התיאוריה הקינטית לא הותירו ספק בכך שהאטומים והמולקולות היו אמיתיים.

המבנה הפנימי של האטום התברר רק בראשית המאה העשרים עם עבודתם של הפיזיקאי הבריטי ארנסט רתרפורד ותלמידיו. עד למאמציו של רתרפורד, מודל פופולרי של האטום היה המודל שנקרא "פודינג שזיף", אותו תומך הפיזיקאי האנגלי ג'וזף ג'ון תומסון, שקבע כי כל אטום מורכב ממספר אלקטרונים (שזיפים) המשובצים בג'ל של מטען חיובי (פודינג); המטען השלילי הכולל של האלקטרונים מאזן בדיוק את המטען החיובי הכולל, ומניב אטום שהוא ניטרלי חשמלי. רתרפורד ערכה סדרת ניסויי פיזור שקראו תיגר על המודל של תומסון. רתרפורד הבחין שכאשר קרן של חלקיקי אלפא (שכיום ידועים כגרעיני הליום) פגעה ברדיד זהב דק, חלק מהחלקיקים הוסטו לאחור. סטיות כה גדולות לא עולות בקנה אחד עם מודל פודינג השזיף.

עבודה זו הובילה למודל האטומי של רתרפורד, בו גרעין כבד של מטען חיובי מוקף בענן של אלקטרונים קלים. הגרעין מורכב מפרוטונים טעונים חיוביים ומניטרונים אלקטרוניים ניטרליים, שכל אחד מהם מסיבי פי 1,836 כמו האלקטרון. מכיוון שהאטומים הם כה דקים, יש להסיק על תכונותיהם על ידי טכניקות ניסוי עקיפות. העיקרי מבין אלה הוא ספקטרוסקופיה, המשמשת למדידה ופרשנות של הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת או נספגת על ידי אטומים כאשר הם עוברים מעברים ממצב אנרגיה אחד למשנהו. כל יסוד כימי מקרין אנרגיה באורכי גל ייחודיים, המשקפים את המבנה האטומי שלהם. באמצעות הנהלים של מכניקת הגלים, ניתן לחשב את האנרגיות של האטומים במצבי אנרגיה שונים ואת אורכי הגל האופייניים שהם פולטים מקבועים פיזיקליים יסודיים מסוימים - כלומר, מסת אלקטרונים ומטען, מהירות האור וקבועה של פלאנק. בהתבסס על קבועים יסודיים אלה, התחזיות המספריות של מכניקת הקוונטים יכולות להסביר את מרבית המאפיינים הנצפים של אטומים שונים. בפרט, מכניקת הקוונטים מציעה הבנה מעמיקה של סידור האלמנטים בטבלה המחזורית, ומראה, למשל, שאלמנטים באותו טור בטבלה צריכים להיות בעלי תכונות דומות.

בשנים האחרונות כוחם ודיוקם של לייזרים חוללו מהפכה בתחום הפיזיקה האטומית. מצד אחד, לייזרים הגדילו באופן דרמטי את הדיוק איתם ניתן למדוד את אורכי הגל האופייניים של האטומים. לדוגמא, סטנדרטים מודרניים של זמן ותדר מבוססים על מדידות של תדרי מעבר בסזיום אטומי (ראה שעון אטומי), והגדרת המטר כיחידת אורך קשורה כעת למדידות תדרים דרך מהירות האור. בנוסף, לייזרים אפשרו טכנולוגיות חדשות לחלוטין לבידוד אטומים בודדים במלכודות אלקטרומגנטיות ולקירורם לאפס מוחלט. כאשר האטומים מובאים למעשה לנוח במלכודת, הם יכולים לעבור מעבר שלבים מכניים קוונטיים ליצירת נוזלים מיותרים המכונה עיבוי בוס-איינשטיין, תוך שהם נשארים בצורה של גז מדולל. במצב חדש זה של החומר, כל האטומים נמצאים באותו מצב קוונטי קוהרנטי. כתוצאה מכך האטומים מאבדים את זהותם האישית, ותכונותיהם המכאניות הגליות הקוונטיות הופכות לדומיננטיות. לאחר מכן כל העיבוי מגיב להשפעות חיצוניות כישות קוהרנטית יחידה (כמו אסכולה של דגים), במקום כאוסף אטומים בודדים. עבודות אחרונות הראו כי ניתן לשלוף מהמלכודת קרן אטומית קוהרנטית כדי ליצור "לייזר אטום" המקביל לקרן קוהרנטית של פוטונים בלייזר קונבנציונאלי. לייזר האטום נמצא עדיין בשלב מוקדם של פיתוח, אך יש לו פוטנציאל להפוך למרכיב מרכזי בטכנולוגיות עתידיות לייצור מכשירים מיקרואלקטרוניים וניידים אחרים.