АТОМНАЯ ФИЗИКА

Атомная физика возникла на рубеже XIX и XX столетий на основе исследований оптических спектров газов, открытия электрона и радиоактивности. На первом этапе своего развития (первая четверть XX в.) атомная физика занималась главным образом выявлением строения атома и изучением его свойств. Опыты Э. Резерфорда по рассеянию а-частиц тонкой металлической фольгой (1908—1911) привели к созданию планетарной модели атома; используя эту модель, Н. Бор (1913) и А. Зоммерфельд (1915) разработали первую количественную теорию атома (см. Атом). Последующие исследования свойств электрона и атомов завершились созданием в середине 20-х гг. квантовой механики — физической теории, описывающей законы микромира и позволяющей количественно рассматривать явления, в которых участвуют микрочастицы (см. Квантовая механика).

Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной физики. В то же время атомная физика играет роль своеобразного «испытательного полигона» для квантовой механики. Представления и выводы квантовой механики, часто не согласующиеся с нашим повседневным опытом, проходят экспериментальную проверку в атомной физике. Ярким примером могут служить знаменитые опыты Франка — Герца (1913) и Штерна — Герлаха (1922); ниже остановимся на них подробнее.

К началу XX в. был накоплен богатый материал по оптическим спектрам атомов. Было установлено, что каждому химическому элементу соответствует свой линейчатый спектр, характеризующийся закономерным, упорядоченным расположением спектральных линий. Квантовая механика связывает наблюдаемые закономерности в спектре с системой энергетических уровней данного атома. В 1913 г. немецкие физики Дж. Франк и Г. Герц выполнили опыт, давший прямое экспериментальное подтверждение тому, что внутренняя энергия атома квантуется и поэтому может изменяться лишь дискретно, т. е. определенными порциями. Они измерили энергию свободных электронов, затрачиваемую на возбуждение атомов ртути. Основной элемент установки — стеклянный откачанный баллон с тремя впаянными электродами: катодом, анодом, сеткой (прообраз современного вакуумного триода). В баллоне находились пары ртути под давлением 1 мм рт. ст. Электроны, покинувшие катод, ускорялись в поле между катодом и сеткой (ускоряющее напряжение U) и затем тормозились в поле между сеткой и анодом (тормозящее напряжение U¹). На пути от катода к аноду электроны сталкивались с атомами ртути. Напряжение U¹ выбиралось значительно меньше, чем U\ поэтому от анода отталкивались только достаточно медленные электроны — те, которые потеряли энергий) в результате неупругих столкновений с атомами ртути. В опыте измерялась сила анодного тока в зависимости от ускоряющего напряжения U. Экспериментальная кривая имеет ряд четких максимумов, отстоящих друг от друга на 4,9 В. Вид этой кривой объясняется так. При U< 4,9 В столкновения электронов с атомами ртути являются упругими (возбуждение атомов не происходит), поэтому сила тока плавно нарастает с увеличением U. По достижении значения U = 4,9 В начинаются неупругие столкновения, связанные с возбуждением атомов ртути; в результате сила тока резко падает. При дальнейшем повышении U ток снова нарастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 9,8 В, когда электрон оказывается в состоянии возбудить два атома. При достижении 14,7 В электроны способны испытать три неупругих столкновения с атомами ртути и т. д. При напряжении 4,9 В электрон приобретает энергию 4,9 эВ. Таким образом вид кривой 1(10 показывает, что для возбуждения атома ртути необходима энергия, равная 4,9 эВ. Это и есть, очевидно, та самая порция энергии, которой атом ртути обменивается с электроном.

При более тщательной постановке опытов этого типа удалось обнаружить возбуждение следующих энергетических уровней атомов: для ртути это 6,7; 8,3 эВ и т. д. (10,4 эВ — потенциал ионизации). Наблюдение свечения газа показывает при этом появление полного спектра для атомов ртути.

Движущийся вокруг атомного ядра электрон можно уподобить элементарному электрическому току; он порождает магнитное поле. Магнитные поля различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома. Для его характеристики вводится векторная величина, называемая магнитным моментом. Если электроны полностью заполняют ту или иную оболочку (1s, 2s, 2р и т. д.), то их магнитные поля взаимно компенсируются; магнитные моменты соответствующих атомов равны нулю.

В 1922 г. в Германии О. Штерн и В. Герлах выполнили опыт, показавший, что магнитный момент атома пространственно квантуется. Они посылали пучок атомов, имеющих магнитный момент, сквозь неоднородное магнитное поле и исследовали отклонения атомов под действием этого поля. Степень и характер отклонения зависят от ориентации магнитного момента атома по отношению к направлению поля. Если бы в пучке находились атомы со всевозможными ориентациями магнитных моментов, то наблюдалось бы непрерывное угловое «размытие» первоначального пучка. На опыте же наблюдалось четкое расщепление пучка атомов на несколько пучков; это и означало, что магнитный момент атома пространственно квантуется — его проекция на направление магнитного поля может иметь лишь некоторые определенные (дискретные) значения.

Обратимся к распределению отклонений атомов натрия в неоднородном магнитном поле (оно получено в 1930 г.). Это распределение имеет два четких максимума. У атома натрия три заполненные оболочки (1s, 2s, 2р) и один 3s-электрон. Электронное облако s-электронов сферически симметрично (см. Атом), поэтому их движение в поле ядра не приводит к появлению магнитного момента. Чтобы объяснить наблюдаемое расщепление пучка атомов натрия на две составляющие, необходимо принять, что у электрона есть собственный магнитный момент, не связанный с движением электрона вокруг ядра. Этот магнитный момент условно связывают с вращением электрона вокруг собственной оси и называют спиновым моментом (см. Спин). Магнитный же момент электрона, связанный с его движением вокруг ядра, называют орбитальным моментом. Итак, в случае атома натрия взаимно скомпенсированы как орбитальные, так и спиновые моменты электронов заполненных оболочек; орбитальный момент 3s-электрона равен нулю, а спиновый момент этого электрона обусловливает расщепление пучка атомов натрия в неоднородном магнитном поле. Тот факт, что наблюдается расщепление на два пучка, означает, что спиновый момент электрона имеет две проекции на направление магнитного поля.

В 30-х гг. нашего столетия начался новый этап в развитии атомной физики. В эти годы выяснилось, что природа взаимодействий, ответственных за процессы внутри атомного ядра и объясняющих стабильность либо радиоактивность ядер, является совершенно иной по сравнению с взаимодействиями, обусловливающими процессы, происходящие в электронных оболочках атома (см. Единство сил природы). В связи с этим из атомной физики выделилось отдельное научное направление, связанное с исследованиями физики атомных ядер; в 40-х гг. это направление оформилось в самостоятельную физическую науку — ядерную физику. Наконец, в 50-х гг. от ядерной физики отпочковалось направление, связанное с изучением систематики и взаимопревращений элементарных частиЦ, — физика элементарных частиц.

В итоге выявился вполне определенный круг вопросов, составляющих содержание современной атомной физики. Ее не интересуют процессы, происходящие в атомном ядре, равно как и взаимопревращения элементарных частиц. Атомная физика изучает процессы с участием атомов или ионов, притом только такие процессы, которые не приводят к каким-либо изменениям в атомных ядрах. Следовательно, речь идет о процессах, затрагивающих лишь электронные оболочки атомов. К подобным

процессам относятся: изменения состояний электронов в атоме под действием внешних электрических или магнитных полей (так, под действием внешних полей происходит расщепление энергетических уровней атомов); поглощение и испускание атомами электромагнитного излучения (см. Спектроскопия, Рентгеновские лучи, Фотоэффект, Лазеры); столкновения атомов со свободными электронами, а также с другими атомами, ионами, молекулами (в результате столкновений с электронами или другими микрообъектами атомы могут возбуждаться, переходить из возбужденного состояния в менее возбужденное, превращаться в ионы, см. Электрический разряд в газах); взаимодействия электронных оболочек различных атомов, приводящие к образованию молекул и кристаллов. Все эти процессы обусловлены электромагнитным взаимодействием. Вероятности указанных процессов вычисляют, используя аппарат квантовой механики.

Современная атомная физика исследует также специальный тип атомов, называемых мезоатомами. Мезоатом возникает из обычного атома в результате замены одного из электронов мюоном (μ-), антимезоном (π-, К-), антипротоном либо отрицательно заряженным гипероном (см. Адроны, Лептоны). Существуют и аномальные «водородные» атомы — позитроний, мюоний, у которых роль протона играют позитроны или положительно заряженные антимюоны (μ+). Все эти атомы нестабильны; их время жизни ограничено временем жизни указанных выше частиц или процессами е+ е- и рр-аннигиляции. Мезоатомы образуются в процессе торможения частиц — в результате захвата отрицательно заряженных частиц кулоновским полем атомных ядер или при захвате позитронами и антимюонами атомных электронов. Опыты с различными аномальными атомами представляют большой интерес как для исследования свойств вещества, так и для изучения ядер и элементарных частиц.