La physique atomique en bref. Physique atomique

2 1.Introduction 1.1. Le sujet de la physique atomique, sa brève histoire de développement, ses buts et objectifs 1.2. Définitions de base. Électron, proton, neutron, atome, ion, molécule, nucléide, noyau atomique, élément chimique, isotopes 1.3. Propriétés nucléaires et d'enveloppe de l'atome 1.4. Unités de mesure des grandeurs physiques en physique atomique. Électron-volt. Mole, constante d'Avogadro, unité de masse atomique, masse atomique relative. Echelles d'énergies, longueurs, fréquences, masses en physique atomique et nucléaire 1.5. Classique, relativiste et physique quantique. Dynamisme et énergie 1.6. Photon. Échelle d'énergie photonique (échelle de rayonnement électromagnétique)

3 Physique atomique La physique atomique (physique de l'atome et phénomènes atomiques) est une branche de la physique qui étudie la structure et les propriétés des atomes, ainsi que les processus élémentaires auxquels participent les atomes. Les objets d'étude de la physique atomique sont à la fois les atomes et. molécules, ions atomiques et moléculaires, atomes exotiques et autres microparticules Dans les phénomènes étudiés dans le cadre de la physique atomique, le rôle principal est joué par les interactions électromagnétiques. Les résultats des recherches dans le domaine de la physique atomique servent de base à la compréhension des liaisons chimiques. , phénomènes optiques et tunnels, procédés dans le plasma, liquides neutres, solides (y compris semi-conducteurs et nanomatériaux) Base théorique La physique atomique elle-même est la théorie quantique et l'électrodynamique quantique. Il n'y a pas de frontière claire entre la physique atomique et les autres branches de la physique, et ce conformément à ces dernières. classement international, la physique atomique est incluse dans le domaine de la physique atomique, moléculaire et de l'optique

4 Bref historique développement de la physique atomique Le concept d'« atome » était utilisé par les scientifiques grecs de l'Antiquité (V – II siècles avant JC) pour désigner le plus petit, particules indivisibles, dont est constitué tout ce qui existe dans le monde. La confirmation expérimentale des concepts atomistiques a été obtenue au 19ème siècle dans la recherche chimique et physique. L'idée selon laquelle l'atome est constitué de parties chargées positivement et négativement a été étayée dans la seconde moitié du 19ème siècle. En 1897, J. .J. Thomson a découvert l'électron et il a rapidement été prouvé qu'il faisait partie intégrante de tous les atomes. L'idée d'un atome en tant que système constitué d'un noyau atomique et d'une couche électronique a été étayée par E. Rutherford en 1911. Après cela. L'idée est devenue généralement acceptée, de la physique atomique, la physique nucléaire et, un peu plus tard, la physique a émergé particules élémentaires

5 Bref historique du développement de la physique atomique Les bases de la physique atomique moderne ont été posées au début du 20e siècle, lorsque, sur la base du modèle de l'atome d'E. Rutherford et du développement des concepts quantiques de M. Planck (1900 ) et A. Einstein (1905), N. Bohr a donné des explications les propriétés les plus importantes atome (1913) et deux postulats « quantiques » ont été avancés. Selon le premier d'entre eux, il existe des états spéciaux (stationnaires) de l'atome dans lesquels ce dernier n'émet pas d'énergie, bien que les particules chargées (électrons) y soient incluses. la composition subit un mouvement accéléré. Selon le deuxième postulat, le rayonnement de l'atome se produit lors de la transition d'un état stationnaire à un autre, et la fréquence ν de ce rayonnement est déterminée à partir de la condition h = E – E (règle de fréquence de Bohr), où h est la constante de Planck, E et E sont les valeurs de l'énergie atomique dans les états initial et final. Le premier postulat reflète le fait de la stabilité de l'atome, le deuxième de la discrétion des fréquences dans les spectres atomiques.

6 Bref historique du développement de la physique atomique La théorie de Bohr, incapable d'expliquer de manière exhaustive les propriétés des atomes et des molécules, a été remplacée par une théorie quantique cohérente créée dans les années 20 et 30 du 20e siècle (W. Heisenberg, E. Schrödinger , P. Dirac) Néanmoins, les postulats de Bohr conservent toujours leur signification et font partie intégrante des fondements de la physique des phénomènes microscopiques dans le cadre des phénomènes microscopiques modernes. théorie des quanta maximum donné explication complète propriétés de l'atome : principes de formation des spectres optiques et de rayons X, comportement des atomes dans les champs magnétiques (effet Zeeman) et électrique (effet Stark), obtenus base théorique tableau périodique des éléments et nature des liaisons chimiques, des méthodes de calcul ont été développées structure électronique atomes, molécules et solides (méthode des champs autocohérents de Hartree-Fock), de nouveaux dispositifs ont été créés pour étudier la structure et les propriétés de la matière (microscope électronique), le développement d'idées de théorie quantique (hypothèse du spin, principe de Pauli, etc.), à son tour, s'est appuyé sur des recherches expérimentales dans le domaine de la physique atomique (spectres de raies d'atomes, effet photoélectrique, structure fine et hyperfine des raies spectrales, expériences de Frank et Hertz, Davisson et Germer, Stern et Gerlach, effet Compton, découverte du deutérium et d'autres isotopes, effet Auger, etc.)

7 Bref historique du développement de la physique atomique Dans le deuxième tiers du 20e siècle, dans le cadre de la physique atomique et sur la base des idées de la théorie quantique, de nouvelles méthodes expérimentales de recherche physique ont été développées : la résonance paramagnétique électronique (RPE) , spectroscopie photoélectronique (PES), spectroscopie par impact électronique (EI), des dispositifs pour leur mise en œuvre ont été créés (maser, laser, etc.) Les principes fondamentaux de la théorie quantique (interférence des états quantiques, décalage de niveaux de Lamb, etc.) ont directement confirmé expérimentalement, de nouvelles méthodes de calcul de la structure électronique de la matière ont été proposées (théorie fonctionnelle de la densité), de nouvelles méthodes ont été prédites phénomènes physiques(superradiation) Des méthodes ont été développées pour des études expérimentales de processus se produisant avec des atomes uniques, des ions et des électrons retenus par des champs électriques et magnétiques d'une configuration spéciale (pièges atomiques et ioniques).

8 Bref historique du développement de la physique atomique Nouveaux résultats dans le domaine de la physique atomique dans le dernier tiers du 20e siècle - début du XXIe les siècles sont principalement associés à l'utilisation de lasers. Dans la pratique scientifique, les méthodes de spectroscopie laser, y compris non linéaires, sont largement utilisées, sur la base desquelles il est devenu possible d'effectuer des mesures spectroscopiques avec des atomes et des molécules uniques, de déterminer les caractéristiques de hautement états excités des atomes et étudier la dynamique des processus intra-atomiques et intramoléculaires durant jusqu'à plusieurs femtosecondes (10-15 s). À l'aide de lasers, il a été possible de réaliser et d'étudier en détail les processus multiphotoniques d'interaction du rayonnement avec systèmes atomiques (effet photoélectrique multiphotonique, multiplication de fréquence), ainsi que refroidissement d'atomes individuels à des températures ultra-basses Recherche théorique dernières décennies dans le domaine de la physique atomique sont associés à des progrès rapides technologie informatique et visent à développer des méthodes et des moyens efficaces pour calculer la structure électronique et les propriétés des systèmes atomiques multiélectroniques, en tenant compte de l'énergie de corrélation électronique, des corrections de mécanique quantique relativiste et d'électrodynamique quantique

9 Physique atomique La recherche dans le domaine de la physique atomique a permis de trouver de nombreux résultats scientifiques et applications pratiquesÀ des fins industrielles, pour déterminer la composition élémentaire d'une substance, des méthodes d'analyse spectrale atomique sont utilisées, notamment EPR, FES et SEM. Pour résoudre des problèmes géologiques, biologiques et médicaux, des méthodes d'analyse atomique spectrale laser à distance et locale sont utilisées pour ; à des fins industrielles et techniques, la séparation laser des isotopes est réalisée expérimentalement et méthodes théoriques la physique atomique sont utilisées en astrophysique (détermination de la composition et caractéristiques physiques substances des étoiles et du milieu interstellaire, recherche des atomes de Rydberg), métrologie ( horloge atomique) et d'autres domaines scientifiques et technologiques

10 Buts et objectifs du cours de physique atomique L'objectif principal de la discipline « Physique de l'atome et phénomènes atomiques » dans le cadre du cours physique générale, c'est former connaissances de base sur la physique des phénomènes microscopiques au niveau atomique-moléculaire et la capacité de les appliquer pour résoudre problèmes appliqués Pour atteindre cet objectif, les tâches suivantes sont résolues : – analyse du développement de l'atomistique et de la formation des concepts quantiques ; – étude des faits expérimentaux les plus importants de la physique atomique et de leurs relations ; – identifier les spécificités des micro-phénomènes et l'incohérence de la théorie classique pour les expliquer ; – apprendre les bases mécanique quantique et méthodes pour résoudre des problèmes de mécanique quantique ; – étude systématique et explication basée sur la théorie quantique de la structure et des propriétés des atomes et des molécules, de leur comportement dans champs externes et en interaction les uns avec les autres

12 Électron L'électron est une particule élémentaire stable avec une charge électrique négative. La valeur absolue de la charge de l'électron est égale à la charge élémentaire q e = –e –1,610 –19 C. Masse de l'électron m e = m –31 kg. Le spin de l'électron est ½. Le moment magnétique de l'électron est approximativement égal en amplitude au magnéton de Bohr μ e – μ B – –4 eV/T Le symbole e ou e est utilisé pour désigner un électron – Les électrons forment les couches électroniques. de tous les atomes et ions L'électron a un positron antiparticulaire (e +)

15 Proton Le proton est une particule élémentaire stable avec une charge électrique positive La charge d'un proton est égale à la charge élémentaire q p = e –19 C Masse du proton m p 1836m e –27 kg Le spin du proton est ½ Moment magnétique d'un proton μ p – 8 eV/T Le proton est désigné par le symbole p ou p + Un proton possède un antiproton antiparticule (p –)

16 Annihilation d'un antiproton Un antiproton (piste bleue) entre en collision avec un proton dans une chambre à bulles. Il en résulte quatre pions positifs (pistes rouges) et quatre négatifs (pistes vertes). La piste jaune appartient à un muon. qui est né de la désintégration du pion

17 Neutron Le neutron est une particule élémentaire avec une charge électrique nulle. La durée de vie d'un neutron à l'état libre est d'environ 886 s. La masse du neutron m n 1839m e –27 kg est de ½ malgré son absence. charge électrique, le neutron a un moment magnétique μ n – –8 eV/T Le neutron est désigné par le symbole n ou n 0 Le neutron a un antineutron antiparticulaire Les protons et les neutrons sont collectivement appelés nucléons Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons

18 Neutron Puisque les neutrons n'ont pas de charge électrique, ils ne laissent pas de traces dans les chambres de détection de particules. Cependant, les neutrons peuvent être détectés par leur interaction avec d'autres particules chargées. L'image colorisée montre les traces de particules dans une chambre à nuages ​​remplie d'un mélange. d'hydrogène gazeux, alcool éthylique et de l'eau Un faisceau de neutrons pénètre dans la chambre par le bas et provoque la transmutation des atomes d'oxygène et de carbone qui composent les molécules d'alcool éthylique

19 Atome Microparticule atomique constituée d'un noyau atomique et d'électrons environnants (coquille électronique) Un noyau chargé positivement contient des électrons chargés négativement par les forces d'attraction électrique Puisque le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons, et en même temps de la charge électrique de un neutron égal à zéro, proton à charge élémentaire e, la charge électronique est égale à e, puis avec le nombre d'électrons dans la coquille, égal au nombre protons dans le noyau, la charge électrique totale de l'atome est nulle. Les dimensions du noyau (~ 10 – 15 – 10 – 14 m) sont cependant extrêmement petites par rapport aux dimensions de l'atome (~ 10 – 10 m). , en raison du fait que la masse du proton (ainsi que du neutron) est presque 2 mille fois plus de masseélectron, presque toute la masse de l'atome () est concentrée dans le noyau

20 Atome d'or Au Une image d'un atome d'or individuel a été obtenue à l'aide d'un microscope électronique à transmission Grossissement d'un facteur de 35 mm jusqu'à une taille de 35 mm

22 Atomes de silicium Si Image colorisée d'atomes de silicium obtenue à l'aide d'un microscope électronique à transmission La cellule unitaire du cristal est représentée. Les liaisons entre atomes sont également visibles, augmentées d'un facteur allant jusqu'à 35 mm.

24 Atomes d'uranium U Image colorisée d'atomes d'uranium obtenue au microscope électronique à transmission Petits points forme correcte– atomes individuels, formations plus grandes – amas constitués de 2 à 20 atomes La taille du champ de vision est d'environ 100 Å. Augmenté d'un facteur de 35 mm

25 Microcristaux d'uranyle UO 2 2+ Une image colorée de microcristaux d'uranyle a été obtenue à l'aide d'un microscope électronique à transmission. Chaque tache représente. un seul atome uranium Augmenté d'un facteur de 35 mm

27 Élément chimique, nucléide, isotopes Les atomes ayant un certain nombre de protons Z dans le noyau appartiennent au même élément chimique. Le nombre Z est appelé numéro atomique élément chimique. Un ensemble d’atomes avec un certain nombre de protons Z et de neutrons N dans le noyau est appelé un nucléide. Les nucléides sont désignés en ajoutant le numéro de masse A au nom de l'élément, égal au montant Z + N (par exemple oxygène-16, uranium-235), ou en plaçant le chiffre A à côté du symbole de l'élément (16 O, 235 U). Les nucléides d’un même élément sont appelés isotopes. La masse de l'atome le plus léger de l'atome d'hydrogène, constitué d'un proton et d'un électron, est égale à m H 1,67·10 –27 kg. Les masses des atomes restants sont environ A fois supérieures à m H. Il existe 90 éléments chimiques et plus de 300 nucléides différents trouvés dans la nature ; 270 d'entre eux sont stables, les autres sont radioactifs. Certains nucléides radioactifs sont obtenus artificiellement.

31 Ions Le processus de suppression ou d'ajout d'électrons à un atome est appelé ionisation. Lorsque le nombre d'électrons dans la coquille est inférieur à Z, un ion atomique positif est obtenu lorsque Z est supérieur à Z, il est donc négatif. L'ion est un atome (ou une molécule) chargé électriquement qui est formé par détachement ou addition d'un ou plusieurs électrons à un atome (ou une molécule) neutre.

32 Ions Les ions chargés positivement sont appelés cations, anions chargés négativement. Les ions sont désignés par un symbole chimique avec un indice qui indique la multiplicité (la quantité de charge en unités de charge élémentaire) et le signe de l'ion : H –, Na +, UO 2 2+ Les ions peuvent être représentés comme formations durables(généralement dans des solutions ou des cristaux) et instables (dans des gaz dans des conditions ordinaires) Les cations atomiques peuvent être obtenus jusqu'à une charge de +(Z – 1). Ainsi, par exemple, U 90+ et U 91+ ont été obtenus dans des accélérateurs d'ions. Les anions atomiques avec une charge de 2 ou plus n'existent pas à l'état libre.

34 Molécule Une molécule est la plus petite particule stable d'une substance, composée de plus d'un atome. Une molécule est caractérisée par une certaine composition. noyaux atomiques, nombre d'électrons et structure spatiale Pour indiquer la composition quantitative et qualitative des molécules, des formules chimiques sont utilisées : O 2 (molécule d'oxygène), H 2 O (molécule d'eau), CH 4 (molécule de méthane), C 6 H 6 (molécule de benzène), C 60 (fullerène molécule)

39 Molécule d'ADN Une image colorée d'une molécule d'ADN a été obtenue à l'aide d'un microscope électronique à transmission dans une caméra avec vide poussé l'échantillon d'ADN est recouvert d'une fine couche de platine. Le revêtement métallique donne une image très contrastée. microscope électronique

40 Propriétés nucléaires et de coque de l'atome Propriétés nucléaires Propriétés de coque Déterminées par la composition du noyau : radioactivité, capacité à participer à des réactions nucléaires, etc. Déterminées par la structure de la coque électronique : chimique, physique (électrique, magnétique, optique, etc. .) 42 Énergie Unité d'énergie en L'unité SI est le joule (J), cependant, pour les quantités d'énergie des objets et des phénomènes de la physique atomique, une telle unité est rarement utilisée. On utilise plus couramment une unité d'énergie extra-système appelée. l'électron-volt (eV, eV). Un électron-volt est l'énergie acquise par une particule chargée d'une charge élémentaire, passant par une différence de potentiel accélératrice de 1 volt : 1 eV = J Pour mesurer les énergies en physique atomique et nucléaire, multiples (keV, 1 keV = 10 3 eV, MeV, 1 MeV = 10 6 eV) et sous-multiples (μeV, 1 μeV = 10 –6 eV) unités électron-volt, ainsi que quelques autres : Rydberg (Ry), Hartree (Ha, ou unité atomique, au.) Rydberg numériquement égal à l'énergie ionisation d'un atome d'hydrogène à partir de l'état fondamental à l'approche d'une masse nucléaire infinie : 1 Ry eV Hartree est égale à la valeur absolue de l'énergie potentielle d'un électron à l'état fondamental d'un atome d'hydrogène à l'approche d'une masse nucléaire infinie : 1 Ha = 2 Ry eV Les énergies des états des systèmes atomiques, ainsi que les transitions entre les états peuvent être mesurées dans d'autres unités

43 Masse L'unité de masse SI est le kilogramme (kg), mais pour mesurer les masses des objets en physique atomique, une unité de mesure extra-systémique est utilisée, appelée unité de masse atomique (a.m.u.) (12 C) : 1 a . e. m kg 1 une. e.m. est approximativement égale à la masse d'un proton ou d'un neutron. La masse atomique relative est la masse d'un atome, exprimée en a. e.m. constante d'Avogadro N A constante physique, numériquement égal au nombre d'atomes dans 12 g de l'isotope pur carbone 12 : N A mol –1 Mole (unité SI de quantité d'une substance) contient par définition N A éléments structurels(atomes, molécules, ions).

44 Longueur L'unité SI de longueur est le mètre (m). 1 mètre égale à la distance, quelle lumière se déplace dans le vide dans un intervalle de temps égal à 1/seconde. À l'exception des mesures des longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique dans la gamme radio, une telle unité de longueur est rarement utilisée en physique atomique, et à la place, des sous-unités multiples d'un mètre sont utilisées pour mesurer les dimensions linéaires, ainsi que les longueurs d'onde : centimètre (cm , 1 cm = 10 –2 m), millimètre ( mm, 1 mm = 10–3 m), micromètre (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), nanomètre (nm, 1 nm = 10–9 m) , picomètre (pm, 1 pm = 10-12 m ) et autres, ainsi que des unités extra-systémiques : angström (Å, 1 Å = 0,1 nm = 10 –10 m), bore (ou rayon de Bohr) (1 bohr Å )

45 Temps L'unité de durée des intervalles de temps en SI est la ou les secondes. Actuellement, la seconde est déterminée sur la base de ce qu'on appelle. étalon de temps atomique : une seconde (ou seconde atomique) est égale aux périodes de rayonnement électromagnétique correspondant à la transition énergétique entre deux niveaux de la structure hyperfine de l'état fondamental de l'isotope 133 Cs (césium-133). les processus en physique atomique sont généralement mesurés en unités inférieures à la seconde : nano-, pico- ou femtosecondes (ns, ps, fs, 1 fs = 10 –15 s)

46 Échelles des grandeurs physiques en physique atomique et nucléaire Les phénomènes de la physique atomique sont caractérisés par des tailles de 10 à 12 m (sous-couches internes d'atomes lourds) jusqu'à des dixièmes de nanomètre (taille des atomes et des petites molécules), des énergies de 10 à 6 eV (structure ultrafine des niveaux) à 10,5 eV (énergie de liaison des électrons de la sous-couche interne), temps allant de dizaines de femtosecondes (durée des impulsions laser ultracourtes) à des milliers de secondes (durée de vie des états métastables des atomes). Les tailles moléculaires typiques sont de 0,1 à 1 nm. La distance internucléaire de la plus petite molécule (H 2) est égale à nm. Les macromolécules d'ADN et de nombreux polymères peuvent avoir des dimensions macroscopiques. Ainsi, la longueur d’une hélice d’ADN dépliée peut atteindre plusieurs centimètres pour une largeur d’environ 2 nm.

47 Photon Photon, ou quantum de rayonnement électromagnétique (champ), particule élémentaire sans masse et sans charge électrique. Dans le vide, un photon se déplace avec une vitesse c. Un photon a un spin égal à 1. Projections du spin sur le. instructions, perpendiculaire à la direction propagation d'un photon, déterminer l'état de sa polarisation. Le photon est désigné par le symbole γ.

La physique atomique est née au tournant des XIXe et XXe siècles sur la base de l'étude des spectres optiques des gaz, de la découverte de l'électron et de la radioactivité. Dans la première étape de son développement (le premier quart du XXe siècle), la physique atomique visait principalement à identifier la structure de l'atome et à étudier ses propriétés. Les expériences d'E. Rutherford sur la diffusion de particules alpha par une fine feuille métallique (1908-1911) ont conduit à la création d'un modèle planétaire de l'atome ; Grâce à ce modèle, N. Bohr (1913) et A. Sommerfeld (1915) développèrent la première théorie quantitative de l'atome (voir Atome). Des études ultérieures sur les propriétés de l’électron et des atomes ont abouti à la création au milieu des années 20. mécanique quantique - théorie physique, qui décrit les lois du micromonde et permet une considération quantitative des phénomènes auxquels participent les microparticules (voir Mécanique quantique).

La mécanique quantique est le fondement théorique de la physique atomique. En même temps, la physique atomique joue le rôle d’une sorte de « site d'essai" pour la mécanique quantique. Concepts et conclusions de la mécanique quantique, souvent incompatibles avec les nôtres expérience quotidienne, subissent des tests expérimentaux en physique atomique. Un exemple frappant Les célèbres expériences de Frank-Hertz (1913) et de Stern-Gerlach (1922) peuvent servir d'exemple ; Examinons-les plus en détail ci-dessous.

Au début du 20e siècle. Une matière riche s’est accumulée sur le spectre optique des atomes. Il a été constaté que chaque élément chimique possède son propre spectre de raies, caractérisé par un arrangement régulier et ordonné de raies spectrales. La mécanique quantique relie les modèles observés dans le spectre au système de niveaux d'énergie d'un atome donné. En 1913, les physiciens allemands J. Frank et G. Hertz ont réalisé une expérience qui a directement confirmé expérimentalement que énergie interne l'atome est quantifié et ne peut donc changer que discrètement, c'est-à-dire dans certaines parties. Ils ont mesuré l’énergie des électrons libres dépensée pour exciter les atomes de mercure. L'élément principal de l'installation est un cylindre de verre sous vide avec trois électrodes soudées : une cathode, une anode et une grille (le prototype d'une triode à vide moderne). La bouteille contenait de la vapeur de mercure sous une pression de 1 mmHg. Art. Les électrons quittant la cathode ont été accélérés dans le champ entre la cathode et la grille (tension d'accélération U) puis décélérés dans le champ entre la grille et l'anode (tension de freinage U 1). Sur le chemin de la cathode à l’anode, les électrons sont entrés en collision avec des atomes de mercure. La tension U 1 a été choisie pour être nettement inférieure à U\ ; par conséquent, seuls les électrons suffisamment lents ont été repoussés de l'anode (ceux qui avaient perdu de l'énergie) à la suite de collisions inélastiques avec des atomes de mercure. Dans l'expérience, l'intensité du courant anodique a été mesurée en fonction de la tension accélératrice U. La courbe expérimentale présente un certain nombre de maxima clairs, espacés de 4,9 V les uns des autres. L'apparence de cette courbe est expliquée comme suit. Chez toi< 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.

Avec un montage plus minutieux d'expériences de ce type, il a été possible de détecter l'excitation des niveaux d'énergie des atomes suivants : pour le mercure, il est de 6,7 ; 8,3 eV, etc. (10,4 eV est le potentiel d'ionisation). L'observation de la lueur du gaz montre l'apparition d'un spectre complet pour les atomes de mercure.

Un électron se déplaçant autour d’un noyau atomique peut être assimilé à un courant électrique élémentaire ; il génère un champ magnétique. Champs magnétiques différents électrons, en s'additionnant, forment le champ magnétique de l'atome. Pour le caractériser, nous introduisons quantité de vecteur, appelé moment magnétique. Si les électrons remplissent complètement l'une ou l'autre couche (1s, 2s, 2p, etc.), alors leurs champs magnétiques s'annulent ; les moments magnétiques des atomes correspondants sont nuls.

En 1922, en Allemagne, O. Stern et W. Gerlach ont réalisé une expérience qui a montré que moment magnétique l'atome est quantifié spatialement. Ils ont envoyé un faisceau d'atomes ayant un moment magnétique à travers un champ magnétique non uniforme et ont étudié les déviations des atomes sous l'influence de ce champ. Le degré et la nature de la déviation dépendent de l'orientation du moment magnétique de l'atome par rapport à la direction du champ. Si le faisceau contenait des atomes avec toutes les orientations possibles des moments magnétiques, alors un « flou » angulaire continu du faisceau d’origine serait observé. Expérimentalement, une nette division d'un faisceau d'atomes en plusieurs faisceaux a été observée ; cela signifiait que le moment magnétique de l'atome était quantifié spatialement - sa projection dans la direction du champ magnétique ne pouvait avoir que certaines valeurs spécifiques (discrètes).

Passons à la distribution des déviations des atomes de sodium dans un champ magnétique non uniforme (obtenue en 1930). Cette distribution a deux maxima clairs. L'atome de sodium possède trois couches remplies (1s, 2s, 2p) et un électron 3s. Le nuage électronique d'électrons s est à symétrie sphérique (voir Atome), de sorte que leur mouvement dans le champ du noyau ne conduit pas à l'apparition d'un moment magnétique. Pour expliquer la division observée d'un faisceau d'atomes de sodium en deux composants, il est nécessaire de supposer que l'électron possède son propre moment magnétique, qui n'est pas associé au mouvement de l'électron autour du noyau. Ce moment magnétique est classiquement associé à la rotation de l'électron autour de son propre axe et est appelé moment de spin (voir Spin). Le moment magnétique de l’électron, associé à son mouvement autour du noyau, est appelé moment orbital. Ainsi, dans le cas de l'atome de sodium, les moments orbitaux et de spin des électrons des couches remplies sont mutuellement compensés ; le moment orbital de l'électron 3s est nul et le moment de spin de cet électron provoque la division d'un faisceau d'atomes de sodium dans un champ magnétique non uniforme. Le fait qu’une division en deux faisceaux soit observée signifie que le moment de spin de l’électron a deux projections sur la direction du champ magnétique.

Dans les années 30 notre siècle a commencé nouvelle étape dans le développement de la physique atomique. Au cours de ces années, il est devenu clair que la nature des interactions responsables des processus à l'intérieur du noyau atomique et expliquant la stabilité ou la radioactivité des noyaux est complètement différente par rapport aux interactions qui déterminent les processus se produisant dans les couches électroniques de l'atome (voir Unité des forces de la nature). À cet égard, une direction scientifique distincte a émergé de la physique atomique, liée à la recherche sur la physique des noyaux atomiques ; dans les années 40 Cette direction a pris forme dans une science physique indépendante - la physique nucléaire. Enfin, dans les années 50. De la physique nucléaire est née une direction liée à l'étude de la systématique et des interconversions des particules élémentaires - la physique des particules élémentaires.

À la fin, cela a été complètement révélé certain cercle questions qui constituent le contenu de la physique atomique moderne. Elle ne s'intéresse pas aux processus se déroulant dans le noyau atomique, ni aux interconversions des particules élémentaires. La physique atomique étudie les processus impliquant des atomes ou des ions, et uniquement les processus qui n'entraînent aucune modification des noyaux atomiques. Par conséquent, nous parlons de processus qui affectent uniquement les coques électroniques des atomes. À similaire

les processus comprennent : des changements dans les états des électrons dans un atome sous l'influence de champs électriques ou magnétiques externes (par exemple, sous l'influence de champs externes, les niveaux d'énergie des atomes sont divisés) ; absorption et émission de rayonnement électromagnétique par les atomes (voir Spectroscopie, Rayons X, Effet photoélectrique, Lasers) ; collisions d'atomes avec des électrons libres, ainsi qu'avec d'autres atomes, ions, molécules (à la suite de collisions avec des électrons ou d'autres micro-objets, les atomes peuvent être excités, passer d'un état excité à un état moins excité, se transformer en ions , voir Décharge électrique dans les gaz) ; interactions entre les couches électroniques de divers atomes, conduisant à la formation de molécules et de cristaux. Tous ces processus sont provoqués interaction électromagnétique. Les probabilités de ces processus sont calculées à l'aide des appareils de la mécanique quantique.

La physique atomique moderne étudie également un type particulier d’atomes appelés mésoatomes. Un mésoatome naît d'un atome ordinaire suite au remplacement de l'un des électrons par un muon (μ-), un antimeson (π-, K-), un antiproton ou un hypéron chargé négativement (voir Hadrons, Leptons). Il existe également des atomes « d'hydrogène » anormaux - positronium, muonium, dans lesquels le rôle de proton est joué par des positrons ou des antimuons chargés positivement (μ+). Tous ces atomes sont instables ; leur durée de vie est limitée par la durée de vie des particules ci-dessus ou par les processus d'annihilation e+ e et pp. Les mésoatomes se forment lors du processus de décélération des particules - à la suite de la capture de particules chargées négativement par le champ coulombien des noyaux atomiques ou lors de la capture par des positrons et des antimuons électrons atomiques. Les expériences avec divers atomes anormaux sont d'un grand intérêt tant pour l'étude des propriétés de la matière que pour l'étude des noyaux et des particules élémentaires.

La théorie de la relativité restreinte (SRT) repose sur deux postulats :

1. Principe de relativité : dans tout référentiel inertiel, tous les phénomènes physiques dans les mêmes conditions initiales se déroulent de la même manière, c'est-à-dire Aucune expérience réalisée dans un système fermé de corps ne peut déterminer si le corps est au repos ou s'il se déplace uniformément et en ligne droite.
2. Le principe de la constance de la vitesse de la lumière : dans tous les systèmes de référence inertielle, la vitesse de la lumière dans le vide est la même et ne dépend pas de la vitesse de la source lumineuse en mouvement.

La position de SRT sur la nature limite de la vitesse de la lumière dans le vide est tout aussi importante avec les postulats de SRT : la vitesse de tout signal dans la nature ne peut pas dépasser la vitesse de la lumière dans le vide : c= 3∙10 8 m/s. Lorsque les objets se déplacent à une vitesse comparable à la vitesse de la lumière, divers effets sont observés, décrits ci-dessous.

1. Contraction relativiste des longueurs.

La longueur d'un corps dans le référentiel où il est au repos est appelée sa propre longueur. L 0 . Alors la longueur d'un corps se déplaçant avec vitesse V dans le référentiel inertiel diminue dans le sens du mouvement jusqu'à la longueur :

Où: c– vitesse de la lumière dans le vide, L 0 – longueur du corps dans un référentiel fixe (longueur d'un corps au repos), L– longueur du corps dans le référentiel se déplaçant avec vitesse V(longueur d'un corps se déplaçant à grande vitesse V). La longueur du corps est donc relative. La contraction des corps n'est perceptible qu'à des vitesses comparables à la vitesse de la lumière.

2. Extension relativiste moment de l’événement.

La durée d'un phénomène se produisant en un certain point de l'espace sera la plus courte dans le référentiel inertiel par rapport auquel ce point est stationnaire. Cela signifie que les horloges se déplaçant par rapport à un référentiel inertiel fonctionnent plus lentement que les horloges stationnaires et affichent une période de temps plus longue entre les événements. La dilatation relativiste du temps ne devient perceptible qu'à des vitesses comparables à la vitesse de la lumière et s'exprime par la formule :

Temps τ 0, mesuré à partir d'une horloge au repos par rapport au corps, est appelé temps propre de l'événement.

3. Loi relativiste d'addition des vitesses.

La loi d'addition des vitesses en mécanique newtonienne contredit les postulats du SRT et est remplacée par une nouvelle loi relativiste ajout de vitesses. Si deux corps se rapprochent l'un de l'autre, alors leur vitesse d'approche est exprimée par la formule :

Où: V 1 et V 2 – la vitesse de déplacement des corps par rapport à un référentiel fixe. Si les corps se déplacent dans la même direction, alors leur vitesse relative est :

4. Augmentation relativiste de la masse.

Masse d'un corps en mouvement m supérieure à la masse au repos du corps m 0:

5. Relation entre l'énergie et le poids corporel.

Du point de vue de la théorie de la relativité, la masse et l’énergie d’un corps sont pratiquement la même chose. Ainsi, seul le fait de l’existence d’un corps signifie que le corps possède de l’énergie. Énergie la plus basse E 0 le corps a dans le référentiel inertiel par rapport auquel il est au repos et est appelé l'énergie propre du corps (énergie de repos du corps):

Tout changement dans l’énergie corporelle entraîne un changement dans le poids corporel et vice versa :

où : ∆ E– changement d'énergie corporelle, ∆ m– changement de masse correspondant. Énergie corporelle totale :

Où: m– le poids corporel. Énergie corporelle totale E proportionnel masse relativiste et dépend de la vitesse du corps en mouvement, en ce sens les relations suivantes sont importantes :

À propos, l'énergie cinétique d'un corps se déplaçant à une vitesse relativiste ne peut être calculée qu'à l'aide de la formule :

Du point de vue de la théorie de la relativité, la loi de conservation des masses au repos est injuste. Par exemple, la masse au repos d’un noyau atomique est inférieure à la somme des masses au repos des particules incluses dans le noyau. Cependant, la masse au repos d’une particule capable de se désintégrer spontanément est supérieure à la somme propres masses ses composants.

Cela ne signifie pas une violation de la loi de conservation de la masse. Dans la théorie de la relativité, la loi de conservation de la masse relativiste est valable, puisque dans système isolé dans les corps, l’énergie totale est conservée, et donc la masse relativiste, qui découle de la formule d’Einstein, on peut donc parler d’une loi unifiée de conservation de la masse et de l’énergie. Cela ne signifie pas la possibilité de convertir la masse en énergie et vice versa.

Il existe une relation entre l’énergie totale du corps, l’énergie au repos et l’élan :

Photon et ses propriétés

Lumière est un flux de quanta de rayonnement électromagnétique appelé photons. Photon est une particule qui transfère l'énergie lumineuse. Il ne peut pas être au repos, mais se déplace toujours à une vitesse vitesse égale Sveta. Le photon a les caractéristiques suivantes :

1. L’énergie des photons est égale à :

Où: h= 6,63∙10 –34 J∙s = 4,14∙10 –15 eV∙s – constante de Planck, ν – fréquence de la lumière, λ – longueur d'onde de la lumière, c– vitesse de la lumière dans le vide. L'énergie d'un photon en Joules est très petite, c'est pourquoi, pour des raisons de commodité mathématique, elle est souvent mesurée dans une unité extrasystémique - les électrons-volts :

1 eV = 1,6∙10 –19 J.

2. Un photon se déplace dans le vide à la vitesse de la lumière c.

3. Un photon a une impulsion :

4. Un photon n’a pas de masse au sens habituel (cette masse qui peut être mesurée sur une échelle, calculée à l’aide de la deuxième loi de Newton, etc.), mais conformément à la théorie de la relativité d’Einstein, il a une masse comme mesure de l’énergie ( E = MC 2). En effet, tout corps qui possède une certaine énergie possède également une masse. Si l’on tient compte du fait qu’un photon a de l’énergie, alors il a aussi une masse, qui peut être trouvée comme suit :

5. Un photon n'a pas de charge électrique.

La lumière a une double nature. À mesure que la lumière se propage, il apparaît propriétés des vagues(interférence, diffraction, polarisation) et lors de l'interaction avec la matière - corpusculaire (effet photoélectrique). Cette double nature de la lumière est appelée dualité onde-particule.

Photoeffet externe

Effet photoélectrique– phénomène consistant en l’apparition d’un photocourant dans un cylindre à vide lorsque la cathode est éclairée par une lumière monochromatique d’une certaine longueur d’onde λ .

Lorsque la tension à l’anode est négative, le champ électrique entre la cathode et l’anode inhibe les électrons. Mesurer cela tension de maintien auquel le photocourant disparaît, on peut déterminer l'énergie cinétique maximale des photoélectrons éjectés de la cathode :

De nombreux expérimentateurs ont établi ce qui suit lois fondamentales de l'effet photoélectrique:

1. L'effet photoélectrique est sans inertie. Cela signifie que les électrons commencent à sortir du métal immédiatement après le début de l’irradiation lumineuse.
2. L'énergie cinétique maximale des photoélectrons augmente linéairement avec l'augmentation de la fréquence lumineuse ν et ne dépend pas de son intensité.
3. Pour chaque substance, il existe un soi-disant bordure effet photo rouge, c'est-à-dire la fréquence la plus basse ν mineure plus grande longueur flots λ max) auquel l'effet photoélectrique externe est encore possible.
4. Le nombre de photoélectrons émis par la lumière de la cathode en 1 s est directement proportionnel à l'intensité lumineuse.

Lorsqu'il interagit avec la matière, un photon transfère complètement toute son énergie E = hν un électron. L'électron peut dissiper une partie de cette énergie lors de collisions avec des atomes de matière. De plus, une partie de l’énergie électronique est dépensée pour surmonter la barrière de potentiel à l’interface métal-vide. Pour ce faire, l'électron doit faire fonction de travail UN en fonction des propriétés du matériau cathodique. La plus grande énergie cinétique que peut avoir un photoélectron émis par la cathode, dans ce cas, est déterminée par la loi de conservation de l'énergie :

Cette formule est généralement appelée L'équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique externe. Grâce à l'équation d'Einstein, toutes les lois de l'effet photoélectrique externe peuvent être expliquées. Pour effet photo de bordure rouge, d’après la formule d’Einstein, on peut obtenir l’expression :

Les postulats de Bohr

Premier postulat de Bohr (postulat des états stationnaires) : un système atomique ne peut être que dans des états stationnaires ou quantiques spéciaux, dont chacun correspond à un nombre spécifique n et de l'énergie F n. Dans les états stationnaires, un atome n’émet ni n’absorbe d’énergie.

L'état avec l'énergie la plus faible reçoit le numéro « 1 ». Ça s'appelle principal. Tous les autres états se voient attribuer les numéros séquentiels « 2 », « 3 », etc. Ils sont appelés excité. Un atome peut rester indéfiniment dans son état fondamental. Dans l’état excité, l’atome vit un certain temps (environ 10 ns) et passe à l’état fondamental.

Selon le premier postulat de Bohr, un atome est caractérisé par un système de niveaux d'énergie dont chacun correspond à un état stationnaire spécifique. L’énergie mécanique d’un électron se déplaçant le long d’un chemin fermé autour d’un noyau chargé positivement est négative. Par conséquent, tous les états stationnaires correspondent à des valeurs d’énergie F n < 0. При F n≥ 0, l'électron s'éloigne du noyau (une ionisation se produit). Magnitude | E 1 | appelé énergie d'ionisation. État d'énergie E 1 est appelé l’état fondamental de l’atome.

Deuxième postulat de Bohr (règle de fréquence) : lorsqu'un atome passe d'un état stationnaire avec de l'énergie F n vers un autre état stationnaire avec de l'énergie E m un quantum est émis ou absorbé dont l'énergie est égale à la différence entre les énergies des états stationnaires :

Atome d'hydrogène

L'atome le plus simple est l'atome d'hydrogène. Il contient un seul électron. Le noyau d'un atome est un proton, une particule chargée positivement dont la charge est égale en ampleur à celle d'un électron. Habituellement, l'électron est en premier (sol, non excité) niveau d'énergie(un électron, comme tout autre système, tend vers un état avec une énergie minimale). Dans cet état, son énergie est égale à E 1 = –13,6 eV. Dans l'atome d'hydrogène, les relations suivantes sont satisfaites, reliant le rayon de trajectoire d'un électron tournant autour du noyau, sa vitesse et son énergie dans la première orbite avec des caractéristiques similaires dans les orbites restantes :

À n'importe quelle orbite dans un atome d'hydrogène, la cinétique ( À) et le potentiel ( P.) les énergies des électrons sont liées à l'énergie totale ( E) par les formules suivantes :

Noyau atomique

Il est désormais fermement établi que les noyaux atomiques divers éléments sont constitués de deux particules : les protons et les neutrons, communément appelés nucléons. Un certain nombre de notations sont introduites pour caractériser les noyaux atomiques. Le nombre de protons qui composent le noyau atomique est désigné par le symbole Z et est appelé numéro de charge ou numéro atomique (il s'agit d'un nombre ordinal dans le tableau périodique). Le nombre de neutrons est désigné par le symbole N. Le nombre total de nucléons (c'est-à-dire de protons et de neutrons) est appelé nombre de masse A, pour lequel la formule suivante peut être écrite :

Énergie de communication. Défaut de masse

Le rôle le plus important en physique nucléaire est joué par le concept énergie de liaison nucléaire. L'énergie de liaison d'un noyau est égale à l'énergie minimale qui doit être dépensée pour diviser complètement le noyau en particules individuelles. De la loi de conservation de l'énergie, il résulte que l'énergie de liaison est égale à l'énergie libérée lors de la formation d'un noyau à partir de particules individuelles.

L’énergie de liaison de n’importe quel noyau peut être déterminée en mesurant avec précision sa masse. De telles mesures montrent que la masse de tout noyau M I est toujours inférieur à la somme des masses des protons et des neutrons entrant dans sa composition : M je< Zm p+N m n. Dans ce cas, la différence entre ces masses s’appelle défaut de masse, et est calculé par la formule :

Le défaut de masse peut être déterminé à l'aide de la formule d'Einstein E = MC 2 énergie libérée lors de la formation d'un noyau donné, c'est-à-dire l'énergie de liaison du noyau E St:

Mais il est plus pratique de calculer l'énergie de liaison à l'aide d'une autre formule (ici les masses sont prises en unités atomiques, et l'énergie de liaison est obtenue en MeV) :

Radioactivité. Loi de la désintégration radioactive

Près de 90 % des noyaux atomiques connus sont instables. Un noyau instable se transforme spontanément en d'autres noyaux, émettant des particules. Cette propriété des noyaux est appelée radioactivité.

Désintégration alpha. La désintégration alpha est la transformation spontanée d'un noyau atomique avec le nombre de protons Z et de neutrons N en un autre noyau (fille) contenant le nombre de protons Z – 2 et de neutrons N – 2. Dans ce cas, α -particule – le noyau d'un atome d'hélium 4 2 He. Schéma général de désintégration alpha :

Désintégration bêta. Lors de la désintégration bêta, un électron est émis par le noyau (0–1 e). Schéma de désintégration bêta :

Désintégration gamma. Contrairement à α - Et β -radioactivité γ -la radioactivité des noyaux n'est pas associée à une modification de la structure interne du noyau et ne s'accompagne pas d'une modification de la charge ou du nombre de masse. Comme dans α - et ainsi de suite β -désintégration, le noyau fille peut se retrouver dans un état excité et avoir un excès d'énergie. La transition d'un noyau d'un état excité à un état fondamental s'accompagne de l'émission d'un ou plusieurs γ -quanta dont l'énergie peut atteindre plusieurs MeV.

Loi de la désintégration radioactive. Dans n'importe quel échantillon substance radioactive contient un grand nombre d'atomes radioactifs. Puisque la désintégration radioactive est aléatoire et ne dépend pas des conditions extérieures, la loi de la quantité décroissante N(t) intactà ce moment-là t les noyaux peuvent constituer une caractéristique statistique importante du processus de désintégration radioactive. La loi de la désintégration radioactive a la forme :

Ampleur T appelé demi-vie, N 0 – numéro de départ noyaux radioactifsà t= 0. La demi-vie est la principale grandeur caractérisant le taux de désintégration radioactive. Plus la demi-vie est courte, plus la désintégration est intense.

À α - Et β -désintégration radioactive, le noyau fille peut également devenir instable. Ainsi, une série de successions désintégrations radioactives, qui aboutissent à la formation de noyaux stables.

Réactions nucléaires

réaction nucléaire est le processus d'interaction d'un noyau atomique avec un autre noyau ou particule élémentaire, accompagné d'un changement dans la composition et la structure du noyau et de la libération de particules secondaires ou γ -quantes. À la suite de réactions nucléaires, de nouveaux isotopes radioactifs peuvent se former, introuvables sur Terre dans des conditions naturelles.

Dans les réactions nucléaires, plusieurs lois de conservation sont satisfaites : impulsion, énergie, moment cinétique, charge. En plus de ceux-ci lois classiques la conservation dans les réactions nucléaires est réalisée loi de conservation de la charge dite baryonique(c'est-à-dire le nombre de nucléons - protons et neutrons). Par exemple, dans une réaction générale :

En cours conditions suivantes (nombre total les nucléons avant et après la réaction restent inchangés) :

Production d'énergie d'une réaction nucléaire

Les réactions nucléaires s'accompagnent de transformations énergétiques. La production d’énergie d’une réaction nucléaire est la quantité :

Où: M Un et M B – masses produits de départ, M C et M D – masses de produits de réaction finaux. Valeur Δ M appelé défaut de masse. Des réactions nucléaires peuvent se produire avec la libération de ( Q> 0) ou avec absorption d'énergie ( Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, qui s'appelle seuil de réaction.

Pour qu'une réaction nucléaire ait un rendement énergétique positif, l'énergie spécifique de liaison des nucléons dans les noyaux des produits initiaux doit être inférieure énergie spécifique liaisons de nucléons dans les noyaux des produits finaux. Cela signifie que la valeur Δ M

La mise en œuvre réussie, assidue et responsable de ces trois points vous permettra de vous présenter au CT excellent résultat, le maximum de ce dont vous êtes capable.

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Physique atomique

une branche de la physique qui étudie la structure et l'état des atomes. A.f. est apparu à la fin du 19e et au début du 20e siècle. Dans les années 10. 20e siècle Il a été découvert qu'un atome est constitué d'un noyau et d'électrons reliés par des forces électriques. Au premier stade de son développement, A. f. a également abordé des questions liées à la structure du noyau atomique. Dans les années 30 Il s'est avéré que la nature des interactions qui se produisent dans le noyau atomique est différente de celle dans l'enveloppe externe de l'atome et dans les années 40. la physique nucléaire est devenue un domaine scientifique indépendant. Dans les années 50 La physique des particules élémentaires, ou physique des hautes énergies, en est issue.

Préhistoire de la physique atomique : la doctrine des atomes aux XVIIe-XIXe siècles. L'idée de l'existence d'atomes en tant que particules de matière indivisibles est née dans les temps anciens ; Les idées de l’atomisme ont été exprimées pour la première fois par les penseurs grecs Démocrite et Épicure. Au 17ème siècle ils ont été relancés par le philosophe français P. Gassendi et le chimiste anglais R. Boyle.

Les idées sur les atomes qui prévalaient aux XVIIe et XVIIIe siècles étaient mal définies. Les atomes étaient considérés comme des particules solides absolument indivisibles et immuables, dont les différents types diffèrent les uns des autres par leur taille et leur forme. Les combinaisons d'atomes dans un ordre ou dans un autre forment divers corps ; les mouvements des atomes déterminent tous les phénomènes se produisant dans la matière. I. Newton, M. V. Lomonosov et quelques autres scientifiques pensaient que les atomes pouvaient s'agglutiner en particules plus complexes - les « corpuscules ». Cependant, les atomes ne se sont pas vu attribuer un produit chimique spécifique et propriétés physiques. L’atomisme avait encore un caractère abstrait et philosophique naturel.

Fin XVIIIe – début XIXe siècles. En raison du développement rapide de la chimie, la base de développement quantitatif doctrine atomique. Le scientifique anglais J. Dalton fut le premier (1803) à considérer un atome comme la plus petite particule d'un élément chimique, différant des atomes d'autres éléments par sa masse. Selon Dalton, la principale caractéristique d’un atome est sa masse atomique. Les composés chimiques sont un ensemble d'« atomes composites » contenant certains (caractéristiques d'un substance complexe) nombre d'atomes de chaque élément. Toutes les réactions chimiques ne sont que des réarrangements d’atomes en nouvelles particules complexes. Sur la base de ces dispositions, Dalton a formulé sa loi des rapports multiples (voir Loi des rapports multiples). Les études des scientifiques italiens A. Avogadro (1811) et en particulier S. Cannizzaro (1858) ont tracé une ligne claire entre un atome et une molécule. Au 19ème siècle avec propriétés chimiques atomes, leurs propriétés optiques ont été étudiées. Il a été constaté que chaque élément possède un spectre optique caractéristique ; l'analyse spectrale a été découverte (physiciens allemands G. Kirchhoff et R. Bunsen, 1860).

Ainsi, l'atome est apparu comme une particule de matière qualitativement unique, caractérisée par des propriétés physiques et chimiques strictement définies. Mais les propriétés de l’atome étaient considérées comme éternelles et inexplicables. On croyait que le nombre de types d’atomes (éléments chimiques) était aléatoire et qu’il n’y avait aucun lien entre eux. Cependant, il est progressivement devenu évident qu'il existe des groupes d'éléments qui ont les mêmes propriétés chimiques - la même valence maximale et des lois de changement similaires (lors du passage d'un groupe à un autre) des propriétés physiques - point de fusion, compressibilité, etc. 1869, D. I. Mendeleïev découvre le système du tableau périodique des éléments (voir Tableau périodique des éléments). Il a montré qu'à mesure que la masse atomique des éléments augmente, leurs propriétés chimiques et physiques se répètent périodiquement ( riz. 1 Et 2 ).

Le tableau périodique prouve l’existence de liaisons entre différents types d’atomes. La conclusion était que l'atome a structure complexe, changeant avec masse atomique. Le problème de la révélation de la structure de l'atome est devenu le plus important en chimie et en physique (pour plus de détails, voir Atomisme).

L'émergence de la physique atomique. Événements majeurs Dans la science, dont est issue la théorie atomique, il y a eu les découvertes de l’électron et de la radioactivité. Lors de la recherche du passage courant électriqueà travers des gaz très raréfiés, on a découvert des rayons émis par la cathode du tube à décharge (rayons cathodiques) et ayant la propriété d'être déviés dans le sens transversal électrique et champs magnétiques. Il s’est avéré que ces rayons sont constitués de particules chargées négativement se déplaçant rapidement, appelées électrons. En 1897, le physicien anglais J. J. Thomson mesura le rapport de charge e de ces particules à leur masse m. Il a également été découvert que les métaux, lorsqu'ils sont intensément chauffés ou éclairés par une lumière de courte longueur d'onde, émettent des électrons (voir Émission thermoionique, Émission photoélectronique). De là, on a conclu que les électrons font partie de tout atome. De là, il s’ensuit que les atomes neutres doivent également contenir des particules chargées positivement. Des atomes chargés positivement - des ions - ont été découverts lors de recherches décharges électriques dans les gaz raréfiés. L'idée d'un atome en tant que système de particules chargées expliquée, selon la théorie du physicien néerlandais H. Lorentz, , la possibilité même qu'un atome émette de la lumière (ondes électromagnétiques) : le rayonnement électromagnétique se produit lorsque des charges intra-atomiques oscillent ; cela a été confirmé par l'étude de l'effet d'un champ magnétique sur les spectres atomiques (voir Phénomène Zeeman). Il s'est avéré que le rapport entre la charge des électrons intra-atomiques et leur masse e/m, trouvée par Lorentz dans sa théorie du phénomène Zeeman est exactement égale à la valeur e/m pour les électrons libres, obtenus dans les expériences de Thomson. La théorie des électrons et sa confirmation expérimentale ont fourni une preuve incontestable de la complexité de l'atome.

L'idée de l'indivisibilité et de l'intransmutabilité de l'atome a finalement été réfutée par les travaux des scientifiques français M. Sklodowska-Curie (Voir Sklodowska-Curie) et P. Curie (Voir Curie-Sklodowska) . À la suite de l'étude de la radioactivité, il a été établi (F. Soddy) , que les atomes subissent deux types de transformations. Ayant émis une particule alpha (ion hélium avec une charge positive de 2 e), un atome d'un élément chimique radioactif se transforme en atome d'un autre élément situé dans le tableau périodique 2 cellules à gauche, par exemple, un atome de polonium se transforme en atome de plomb. En émettant une particule bêta (électron) avec une charge négative - e, un atome d'un élément chimique radioactif se transforme en atome d'un élément situé 1 cellule à droite, par exemple, un atome de bismuth se transforme en atome de polonium. La masse d'un atome formé à la suite de telles transformations s'avérait parfois différente du poids atomique de l'élément dans la cellule duquel il tombait. De là découle l'existence de variétés d'atomes du même élément chimique avec différentes masses; ces variétés furent plus tard appelées isotopes (c'est-à-dire occupant la même place dans le tableau périodique). Ainsi, l'idée de l'identité absolue de tous les atomes d'un élément chimique donné s'est avérée incorrecte.

Les résultats de l'étude des propriétés des électrons et de la radioactivité ont permis de construire des modèles spécifiques de l'atome. Dans le modèle proposé par Thomson en 1903, l'atome était représenté comme une sphère chargée positivement, dans laquelle de petits électrons négatifs (par rapport à l'atome) ( riz. 3 ).

Ils sont retenus dans l'atome du fait que les forces d'attraction de leur charge positive distribuée sont équilibrées par les forces de leur répulsion mutuelle. Le modèle de Thomson a fourni une explication bien connue de la possibilité d'émission, de diffusion et d'absorption de la lumière par un atome. Lorsque les électrons sont déplacés d’une position d’équilibre, une force « élastique » apparaît, tendant à rétablir l’équilibre ; cette force est proportionnelle au déplacement de l'électron de position d'équilibre et donc moment dipolaire(Voir moment dipolaire) atome. Sous l’influence des forces électriques de l’onde électromagnétique incidente, les électrons de l’atome oscillent à la même fréquence que intensité électrique dans une onde lumineuse ; Les électrons oscillants émettent à leur tour une lumière de même fréquence. C’est ainsi que les ondes électromagnétiques sont diffusées par les atomes de matière. Par le degré d'atténuation du faisceau lumineux dans l'épaisseur de la substance, vous pouvez connaître le nombre total d'électrons diffusés, et connaissant le nombre d'atomes par unité de volume, vous pouvez déterminer le nombre d'électrons dans chaque atome.

Création par Rutherford d'un modèle planétaire de l'atome. Le modèle atomique de Thomson s’est avéré insatisfaisant. Sur cette base, il n'a pas été possible d'expliquer le résultat tout à fait inattendu des expériences du physicien anglais E. Rutherford et de ses collaborateurs H. Geiger et E. Marsden sur la diffusion des particules alpha par les atomes. Dans ces expériences, des particules α rapides ont été utilisées pour sonder directement les atomes. En traversant la matière, les particules alpha entrent en collision avec les atomes. À chaque collision, une particule α, volant à travers le champ électrique de l'atome, change la direction du mouvement - subit une diffusion. Dans l’écrasante majorité des événements de diffusion, les déviations des particules α (angles de diffusion) étaient très faibles. Par conséquent, lorsqu’un faisceau de particules α traverse couche mince substance, seul un léger flou du faisceau s’est produit. Cependant, une très petite fraction des particules α était déviée à des angles supérieurs à 90°. Ce résultat ne peut être expliqué sur la base du modèle de Thomson, car le champ électrique dans un atome « ​​solide » n’est pas assez fort pour dévier une particule α rapide et massive sur un grand angle. Pour expliquer les résultats des expériences sur la diffusion des particules α, Rutherford a proposé un modèle fondamentalement nouveau de l'atome, rappelant par sa structure système solaire et appelé planétaire. Cela ressemble à ceci : Au centre de l'atome se trouve un noyau chargé positivement dont les dimensions (Physique atomique 10 -12 cm) sont très petits par rapport à la taille d'un atome (Physique atomique 10 -8 cm), et la masse est presque égale à la masse d’un atome. Les électrons se déplacent autour du noyau, comme les planètes autour du Soleil ; le nombre d'électrons dans un atome non chargé (neutre) est tel que leur total charge négative compense (neutralise) la charge positive du noyau. Les électrons doivent se déplacer autour du noyau, sinon ils tomberaient dessus sous l’influence de la gravité. La différence entre un atome et un système planétaire est que dans ce dernier il y a des forces gravitationnelles, et dans un atome il y a des forces électriques (coulombiennes). Près du noyau, qui peut être considéré comme une charge ponctuelle positive, il existe un champ électrique très puissant. Par conséquent, en volant près du noyau, les particules α chargées positivement (noyaux d'hélium) subissent une forte déviation (voir. riz. 4 ). Plus tard, on a découvert (G. Moseley) que la charge du noyau augmente d'un élément chimique à l'autre de unité élémentaire charge, égal à la chargeélectron (mais avec signe positif). Numériquement, la charge du noyau d'un atome, exprimée en unités de charge élémentaire e, est égale à numéro de sérieélément correspondant dans le tableau périodique.

Pour tester le modèle planétaire, Rutherford et son collaborateur Charles Darwin ont calculé la distribution angulaire des particules α dispersées par un noyau ponctuel - le centre des forces coulombiennes. Le résultat obtenu a été vérifié expérimentalement en mesurant le nombre de particules α dispersées sous différents angles. Les résultats de l’expérience coïncidaient exactement avec les calculs théoriques, confirmant ainsi brillamment le modèle planétaire de l’atome de Rutherford.

Cependant, le modèle planétaire de l’atome se heurtait à des difficultés fondamentales. Selon l’électrodynamique classique, une particule chargée se déplaçant avec accélération émet continuellement de l’énergie électromagnétique. Par conséquent, les électrons, se déplaçant autour du noyau, c’est-à-dire accélérés, devraient perdre continuellement de l’énergie par rayonnement. Mais en même temps, en une fraction de seconde insignifiante, ils perdraient toute leur énergie cinétique et tomberaient sur le noyau. Une autre difficulté, également liée au rayonnement, était la suivante : si l'on suppose (conformément à l'électrodynamique classique) que la fréquence de la lumière émise par un électron est égale à la fréquence des oscillations de l'électron dans l'atome (c'est-à-dire le nombre de tours qu'il effectue sur son orbite en une seconde) ou en a un multiple, alors la lumière émise, à mesure que l'électron s'approche du noyau, devrait changer continuellement de fréquence et le spectre de la lumière qu'il émet devrait être continu. Mais cela contredit l’expérience. L'atome émet ondes lumineuses des fréquences bien définies typiques d'un élément chimique donné, et se caractérise par un spectre constitué de raies spectrales individuelles - un spectre de raies. Un certain nombre de régularités ont été établies expérimentalement dans les spectres linéaires des éléments, dont la première a été découverte par le scientifique suisse I. Balmer (1885) dans le spectre de l'hydrogène. Le modèle le plus général – le principe de combinaison – a été découvert par le scientifique autrichien W. Ritz (1908). Ce principe peut être formulé ainsi : pour les atomes de chaque élément, on peut trouver une suite de nombres T 1 ,T 2 ,T 3,... - soi-disant termes spectraux tels que la fréquence v chaque raie spectrale d'un élément donné est exprimée comme la différence de deux termes : v = T k -T je . Pour l'atome d'hydrogène, le terme Tn = R/n 2, Où n- entier prenant de la valeur n= 1, 2, 3,..., une R- soi-disant Constante de Rydberg (voir Constante de Rydberg).

Ainsi, dans le cadre du modèle atomique de Rutherford, la stabilité de l'atome par rapport au rayonnement et les spectres de raies de son rayonnement ne pouvaient être expliqués. Sur cette base, ni les lois du rayonnement thermique ni les lois des phénomènes photoélectriques qui surviennent lorsque le rayonnement interagit avec la matière n'ont pu être expliquées. Il s'est avéré possible d'expliquer ces lois sur la base de concepts quantiques complètement nouveaux, introduits pour la première fois par le physicien allemand M. Planck (1900). Pour dériver la loi de répartition de l'énergie dans le spectre du rayonnement thermique - rayonnement des corps chauffés - Planck a suggéré que les atomes de matière émettent de l'énergie électromagnétique (lumière) sous la forme de parties séparées - des quanta de lumière dont l'énergie est proportionnelle à v(fréquence du rayonnement) : E = hv, Où h- une caractéristique constante de la théorie quantique et appelée constante de Planck (voir Constante de Planck). En 1905, A. Einstein a donné une explication quantique des phénomènes photoélectriques, selon laquelle l'énergie d'un quantum hv sert à arracher un électron d'un métal - Fonction de travail R- et lui communiquer de l'énergie cinétique T proche; hv = R.+ Tkin. Dans le même temps, Einstein a introduit le concept de quanta de lumière en tant que type particulier de particules ; ces particules furent par la suite appelées Photons.

Il s'est avéré que les contradictions du modèle de Rutherford ne pouvaient être résolues qu'en abandonnant un certain nombre de concepts conventionnels de la physique classique. L'étape la plus importante dans la construction de la théorie de l'atome a été franchie par le physicien danois N. Bohr (1913).

Les postulats de Bohr et le modèle atomique de Bohr. Bohr a jeté les bases de la théorie quantique de l'atome sur deux postulats caractérisant les propriétés de l'atome qui ne rentraient pas dans le cadre de la physique classique. Ces postulats de Bohr peuvent être formulés comme suit :

1. Existence d'états stationnaires. L'atome ne rayonne pas et n'est stable que dans certains états stationnaires (invariants dans le temps) correspondant à une série discrète (discontinue) de valeurs d'énergie « autorisées » E 1 , E 2 , E 3 , E 4,... Tout changement d'énergie est associé à une transition quantique (saut) d'un état stationnaire à un autre.

2. Condition pour les fréquences de rayonnement (transitions quantiques avec rayonnement). Lors de la transition d'un état stationnaire avec de l'énergie E je dans un autre avec de l'énergie E k un atome émet ou absorbe de la lumière d'une certaine fréquence v sous la forme d'un quantum de rayonnement (photon) eh bien, selon le rapport hv = E je -E k. Lorsqu’il est émis, un atome passe d’un état d’énergie plus élevée E je passe à un état avec une énergie inférieure E k , lorsqu'il est absorbé, au contraire, à partir d'un état avec une énergie plus faible E k à un état avec une énergie plus élevée E je.

Les postulats de Bohr permettent immédiatement de comprendre signification physique Principe de combinaison Ritz (voir ci-dessus) ; comparaison des ratios hv = E je -E k et v =T k -T je montre que les termes spectraux correspondent à des états stationnaires, et que l'énergie de ces derniers doit être égale (à terme constant près) E je = -hT je , E k = -hT k.

Lorsque la lumière est émise ou absorbée, l'énergie de l'atome change ; ce changement est égal à l'énergie du photon émis ou absorbé, c'est-à-dire que la loi de conservation de l'énergie a lieu. Le spectre des raies d'un atome est le résultat de la discrétion valeurs possibles son énergie.

Pour déterminer les valeurs admissibles de l'énergie d'un atome - quantification de son énergie - et pour trouver les caractéristiques des états stationnaires correspondants, Bohr a utilisé la mécanique classique (newtonienne). « Si nous souhaitons généralement former une représentation visuelle d'états stationnaires, nous n'avons pas d'autre moyen, du moins pour l'instant, que la mécanique ordinaire », écrivait Bohr en 1913 (« Trois articles sur le spectre et la structure des atomes », M.- L., 1923, p.22). Pour l'atome le plus simple - un atome d'hydrogène, constitué d'un noyau chargé + e(proton) et électron avec charge - e, Bohr a considéré le mouvement d'un électron autour du noyau sur des orbites circulaires. Comparer l'énergie d'un atome E avec des termes spectraux Tn = R/n2 pour l'atome d'hydrogène, trouvé avec une grande précision à partir des fréquences de ses raies spectrales, il a obtenu les valeurs possibles de l'énergie de l'atome F n= -hT n = -hR/n 2(où n= 1, 2, 3,...). Elles correspondent à des orbites circulaires de rayon une n = une 0 n 2 , Où un 0 = 0,53·10 -8 cm - Rayon de Bohr - le rayon de la plus petite orbite circulaire (à n= 1). Bohr a calculé les fréquences de circulation vélectron autour du noyau sur des orbites circulaires en fonction de l’énergie de l’électron. Il s'est avéré que les fréquences de la lumière émise par un atome ne coïncident pas avec les fréquences de révolution. v n selon les besoins électrodynamique classique, et sont proportionnels, selon la relation hv = E je -E k, la différence des énergies électroniques sur deux orbites possibles.

Pour trouver le lien entre la fréquence orbitale de l'électron et la fréquence de rayonnement, Bohr a émis l'hypothèse que les résultats des théories quantiques et classiques devraient coïncider aux basses fréquences de rayonnement (pour les grandes longueurs d'onde ; une telle coïncidence se produit pour le rayonnement thermique, dont les lois étaient dérivé de Planck). Il équivaut à un grand n fréquence de transition v = (E n+1 - E n)/ h fréquence de circulation v n en orbite avec des données n et calculé la valeur constante de Rydberg R, qui coïncidait avec une grande précision avec la valeur R, trouvé par expérience, ce qui a confirmé l'hypothèse de Bohr. Bohr a également réussi non seulement à expliquer le spectre de l'hydrogène, mais aussi à montrer de manière convaincante que certaines raies spectrales attribuées à l'hydrogène appartiennent à l'hélium. L'hypothèse de Bohr selon laquelle les résultats des théories quantiques et classiques devraient coïncider dans le cas limite des basses fréquences de rayonnement représentait la forme originale de ce qu'on appelle. principe de correspondance. Par la suite, Bohr l'a utilisé avec succès pour trouver les intensités des raies spectrales. Comme l'a montré le développement de la physique moderne, le principe de correspondance s'est avéré très général (voir Principe de correspondance) .

Dans la théorie atomique de Bohr, la quantification de l'énergie, c'est-à-dire la recherche de ses valeurs possibles, s'est avérée être un cas particulier. méthode générale trouver des orbites « autorisées ». Selon la théorie quantique, ces orbites sont uniquement celles pour lesquelles le moment cinétique de l'électron dans l'atome est égal à un multiple entier. h/2π. Chaque orbite autorisée correspond à une certaine valeur possible de l'énergie de l'atome (voir Atome).

Les principales dispositions de la théorie quantique de l'atome - les 2 postulats de Bohr - ont été largement confirmées expérimentalement. Une confirmation particulièrement claire a été fournie par les expériences des physiciens allemands J. Frank et G. Hertz (1913-16). L'essence de ces expériences est la suivante. Un flux d'électrons, dont l'énergie peut être contrôlée, pénètre dans un récipient contenant de la vapeur de mercure. Les électrons reçoivent de l’énergie, qui augmente progressivement. À mesure que l'énergie des électrons augmente, le courant dans le galvanomètre connecté à circuit électrique, augmente ; lorsque l'énergie électronique s'avère égale à certaines valeurs (4,9 ; 6,7 ; 10,4 ev), le courant chute fortement ( riz. 5 ). En même temps, on constate que des vapeurs de mercure sont émises rayons ultraviolets une certaine fréquence.

Les faits présentés ne permettent qu’une seule interprétation. Alors que l'énergie des électrons est inférieure à 4,9 ev, les électrons ne perdent pas d'énergie lorsqu'ils entrent en collision avec des atomes de mercure - les collisions sont de nature élastique. Lorsque l'énergie s'avère égale à une certaine valeur, exactement 4,9 ev, les électrons transfèrent leur énergie aux atomes de mercure, qui l'émettent ensuite sous forme de quanta de lumière ultraviolette. Le calcul montre que l’énergie de ces photons est exactement égale à l’énergie perdue par les électrons. Ces expériences ont prouvé que l'énergie interne d'un atome ne peut avoir qu'une certaine valeurs discrètes, que l'atome absorbe l'énergie de l'extérieur et l'émet immédiatement par quanta entiers et que, enfin, la fréquence de la lumière émise par l'atome correspond à l'énergie perdue par l'atome.

Développement ultérieur d'A. f. a montré la validité des postulats de Bohr non seulement pour les atomes, mais aussi pour d'autres systèmes microscopiques - pour les molécules et pour les noyaux atomiques. Ces postulats doivent être considérés comme des principes expérimentaux solidement établis. lois quantiques. Ils constituent cette partie de la théorie de Bohr qui a non seulement été préservée lors du développement ultérieur de la théorie quantique, mais qui a également reçu sa justification. La situation est différente avec le modèle atomique de Bohr, qui repose sur la considération du mouvement des électrons dans un atome selon les lois de la mécanique classique avec l'imposition de conditions de quantification supplémentaires. Cette approche a permis d'obtenir un certain nombre de résultats importants, mais s'est révélée incohérente : les postulats quantiques étaient artificiellement rattachés aux lois de la mécanique classique. Une théorie cohérente a été créée dans les années 20. 20e siècle Mécanique quantique. Sa création a été préparée par le développement ultérieur des concepts modèles de la théorie de Bohr, au cours desquels ses forces et ses faiblesses sont devenues claires.

Développement de la théorie modèle de Bohr sur l'atome. Très résultat important La théorie de Bohr était une explication du spectre de l'atome d'hydrogène. Une nouvelle étape dans le développement de la théorie des spectres atomiques a été franchie par le physicien allemand A. Sommerfeld. Après avoir développé plus en détail les règles de quantification, basées sur une image plus complexe du mouvement des électrons dans un atome (le long d'orbites elliptiques) et en tenant compte de l'écrantage de l'électron externe (dit de valence) dans le domaine du noyau et électrons internes, il a pu expliquer un certain nombre de modèles dans les spectres des métaux alcalins.

La théorie atomique de Bohr a également mis en lumière la structure de ce qu'on appelle. spectres caractéristiques du rayonnement X. Les spectres de rayons X des atomes, tout comme leurs spectres optiques, ont une structure de lignes discrètes caractéristique d'un élément donné (d'où son nom). En étudiant les spectres de rayons X caractéristiques de divers éléments, le physicien anglais G. Moseley a découvert le schéma suivant : les racines carrées des fréquences des raies émises augmentent uniformément d'un élément à l'autre dans tout le système périodique de Mendeleïev proportionnellement au numéro atomique de l'élément. élément. Il est intéressant de noter que la loi de Moseley a complètement confirmé l'exactitude de Mendeleïev, qui dans certains cas a violé le principe de placement des éléments dans le tableau en fonction de l'augmentation du poids atomique et a placé certains éléments plus lourds devant les plus légers.

Sur la base de la théorie de Bohr, il a été possible d'expliquer la périodicité des propriétés des atomes. Dans un atome complexe, des couches électroniques se forment, qui sont remplies séquentiellement, en commençant par le plus interne, d'un certain nombre d'électrons (la raison physique de la formation des couches n'est devenue claire que sur la base du principe de Pauli, voir ci-dessous). La structure des couches électroniques externes se répète périodiquement, ce qui détermine la répétabilité périodique des propriétés chimiques et physiques des éléments situés dans le même groupe. tableau périodique. Sur la base de la théorie de Bohr, le chimiste allemand W. Kossel a expliqué (1916) les interactions chimiques dans ce qu'on appelle. molécules hétéropolaires.

Cependant, toutes les questions de la théorie atomique ne pouvaient pas être expliquées sur la base des concepts modèles de la théorie de Bohr. Il n'a pas résolu de nombreux problèmes de la théorie des spectres ; il a permis d'obtenir uniquement les valeurs correctes des fréquences des raies spectrales de l'atome d'hydrogène et des atomes de type hydrogène, tandis que les intensités de ces raies restaient inexpliquées ; Bohr a dû appliquer le principe de correspondance pour expliquer les intensités.

En tentant d'expliquer les mouvements des électrons dans des atomes plus complexes que l'atome d'hydrogène, la théorie des modèles de Bohr s'est retrouvée dans une impasse. Déjà l'atome d'hélium, dans lequel 2 électrons se déplacent autour du noyau, n'a pas cédé interprétation théorique basé sur cela. Les difficultés ne se limitaient pas à des écarts quantitatifs avec l'expérience. La théorie s'est également révélée impuissante à résoudre un problème tel que la combinaison d'atomes en une molécule. Pourquoi 2 atomes d’hydrogène neutres se combinent-ils pour former une molécule d’hydrogène ? Comment expliquer la nature de la valence ? Qu'est-ce qui relie les atomes solide? Ces questions sont restées sans réponse. Dans le cadre du modèle de Bohr, il était impossible de trouver une approche permettant de les résoudre.

Théorie de la mécanique quantique de l'atome. Les limites du modèle atomique de Bohr étaient enracinées dans les limites des idées classiques sur le mouvement des microparticules. Il est devenu clair que pour le développement ultérieur de la théorie atomique, il est nécessaire de reconsidérer de manière critique les concepts de base du mouvement et de l'interaction des microparticules. Le caractère insatisfaisant du modèle basé sur la mécanique classique avec l'ajout de conditions de quantification a été clairement compris par Bohr lui-même, dont les vues ont eu une grande influence sur développement ultérieur A.f. Le début d'une nouvelle étape dans le développement d'A. f. s'inspire de l'idée exprimée par le physicien français L. de Broglie (1924) sur la double nature du mouvement des micro-objets, en particulier de l'électron (voir Ondes de De Broglie). Cette idée est devenue le point de départ de la mécanique quantique (Voir Mécanique quantique), créée en 1925-26 par les travaux de W. Heisenberg et M. Born (Allemagne), E. Schrödinger (Autriche) et P. Dirac (Angleterre), et développé sur sa base la théorie mécanique quantique moderne de l'atome.

Les concepts de la mécanique quantique sur le mouvement d'un électron (en général, des microparticules) sont fondamentalement différents des concepts classiques. Selon la mécanique quantique, un électron ne se déplace pas le long d’une trajectoire (orbite) comme une boule solide ; Le mouvement de l’électron présente également certaines caractéristiques caractéristiques de la propagation des ondes. D'une part, un électron agit toujours (par exemple, lors de collisions) comme un tout, comme une particule avec une charge et une masse indivisibles ; en même temps, les électrons dotés d'une certaine énergie et d'un certain élan se propagent comme une onde plane avec une certaine fréquence (et une certaine longueur d'onde). Énergie électronique E Comment les particules sont-elles liées à la fréquence ? v onde électronique rapport: E=hv, et son impulsion r- avec longueur d'onde λ rapport: р = h/λ.

Les mouvements stables d'un électron dans un atome, comme le montre Schrödinger (1926), sont à certains égards similaires aux ondes stationnaires (voir ondes stationnaires) , dont les amplitudes sont différentes en différents points. De plus, dans un atome, comme dans système oscillatoire, seuls quelques mouvements « sélectionnés » sont possibles avec certaines valeurs d'énergie, de moment cinétique et de projection du moment cinétique de l'électron dans l'atome. Chaque état stationnaire d'un atome est décrit à l'aide de quelques fonction d'onde(Voir fonction d'onde) , quelle est la solution équation d'onde un type spécial - l'équation de Schrödinger ; La fonction d'onde correspond à un « nuage électronique », qui caractérise (en moyenne) la répartition de la densité de charge électronique dans l'atome (voir Atom , juste là riz. 3 des projections des « nuages ​​d’électrons » de l’atome d’hydrogène sont présentées). Dans les années 20-30. Des méthodes approximatives de calcul de la répartition de la densité de charge électronique dans des atomes complexes ont été développées, notamment la méthode Thomas-Fermi (1926, 1928). Cette valeur et la valeur associée de ce qu'on appelle. facteur atomique (Voir Facteur atomique) important dans l'étude des collisions électroniques avec les atomes, ainsi que de leur diffusion radiographies.

Basé sur la mécanique quantique, il a été possible de calculer correctement les énergies des électrons dans des atomes complexes en résolvant l'équation de Schrödinger. Des méthodes approximatives pour de tels calculs ont été développées en 1928 par D. Hartree (Angleterre) et en 1930 par V. A. Fock (URSS). Les études des spectres atomiques ont complètement confirmé la théorie de la mécanique quantique de l’atome. Il s'est avéré que l'état d'un électron dans un atome dépend de manière significative de son spin a. - propre moment mécanique d'impulsion. Une explication a été donnée pour l'action des champs électriques et magnétiques externes sur l'atome (voir Phénomène Stark (Voir Effet Stark), Phénomène Zeeman). Important principe général, associé au spin électronique, a été découvert par le physicien suisse W. Pauli (1925) (voir principe de Pauli), selon ce principe, un seul électron peut être dans chaque état électronique d'un atome ; Si cet état est déjà occupé par un électron, alors l'électron suivant, entrant dans la composition de l'atome, est obligé d'occuper un autre état. Sur la base du principe de Pauli, les nombres de remplissage des couches électroniques des atomes complexes, qui déterminent la périodicité des propriétés des éléments, ont finalement été établis. Basé sur la mécanique quantique, les physiciens allemands W. Heitler et F. London (1927) ont donné la théorie de ce qu'on appelle. liaison chimique homéopolaire de deux atomes identiques (par exemple, des atomes d'hydrogène dans la molécule H 2), qui ne peut être expliquée dans le cadre du modèle atomique de Bohr.

Applications importantes de la mécanique quantique dans les années 30. et plus tard il y a eu des études atomes liés, inclus dans la molécule ou le cristal. Les états d'un atome faisant partie d'une molécule diffèrent considérablement des états d'un atome libre. L'atome subit également des changements importants dans un cristal sous l'influence d'un champ intracristallin, dont la théorie a été développée pour la première fois par H. Bethe (1929). En étudiant ces changements, il est possible d'établir la nature de l'interaction de l'atome avec son environnement. La plus grande réalisation expérimentale dans ce domaine d'A f. était la découverte par E.K. Zavoisky en 1944 de la résonance paramagnétique électronique (Voir Résonance paramagnétique électronique) , qui a permis d'étudier les différentes connexions des atomes avec l'environnement.

Physique atomique moderne. Les principales sections de l'A. f. sont la théorie atomique, la spectroscopie atomique (optique), la spectroscopie des rayons X, la spectroscopie radio (elle étudie également les niveaux de rotation des molécules), la physique des collisions atomiques et ioniques. Diverses branches de la spectroscopie couvrent différentes gammes fréquences de rayonnement et, par conséquent, différentes gammes d'énergies quantiques. Tandis que la spectroscopie des rayons X étudie le rayonnement des atomes avec des énergies quantiques pouvant atteindre des centaines de milliers. ev, la spectroscopie radio traite de très petits quanta - jusqu'à des quanta inférieurs à 10 -6 ev.

La tâche la plus importante d'A. f. - détermination détaillée de toutes les caractéristiques des états atomiques. Nous parlons de déterminer les valeurs possibles de l'énergie d'un atome - ses niveaux d'énergie, les valeurs du moment cinétique et d'autres quantités caractérisant les états de l'atome. Les structures fines et hyperfines des niveaux d'énergie sont étudiées (voir Spectres atomiques) , changements dans les niveaux d'énergie sous l'influence de champs électriques et magnétiques - à la fois externes, macroscopiques et internes, microscopiques. Une caractéristique des états atomiques telle que la durée de vie d'un électron au niveau énergétique est d'une grande importance. Enfin, une grande attention est portée au mécanisme d’excitation des spectres atomiques.

Les domaines de phénomènes étudiés par différentes sections de la physique se chevauchent. La spectroscopie des rayons X en mesurant l'émission et l'absorption des rayons X permet de déterminer principalement les énergies de liaison des électrons internes avec le noyau d'un atome (énergie d'ionisation) et la répartition du champ électrique à l'intérieur de l'atome. La spectroscopie optique étudie les ensembles de raies spectrales émises par les atomes, détermine les caractéristiques des niveaux d'énergie atomique, les intensités des raies spectrales et les durées de vie associées de l'atome dans les états excités, la structure fine des niveaux d'énergie, leur déplacement et leur division en énergie électrique et magnétique. champs. La radiospectroscopie étudie en détail la largeur et la forme des raies spectrales, leur structure hyperfine, leur déplacement et leur division dans un champ magnétique et, en général, les processus intra-atomiques provoqués par des phénomènes très intenses. interactions faibles et les influences environnementales.

L'analyse des résultats des collisions d'électrons et d'ions rapides avec des atomes permet d'obtenir des informations sur la répartition de la densité de charge électronique (« nuage d'électrons ») à l'intérieur de l'atome, sur les énergies d'excitation de l'atome et les énergies d'ionisation.

Les résultats d'une étude détaillée de la structure des atomes trouvent les applications les plus larges non seulement dans de nombreuses branches de la physique, mais également en chimie, en astrophysique et dans d'autres domaines scientifiques. A partir de l'étude de l'élargissement et du déplacement des raies spectrales, on peut juger des champs locaux dans le milieu (liquide, cristal) qui provoquent ces changements, et de l'état de ce milieu (température, densité, etc.). La connaissance de la répartition de la densité de charge électronique dans un atome et de ses évolutions lors des interactions externes permet de prédire le type liaisons chimiques, qu'un atome peut former, le comportement d'un ion dans un réseau cristallin. Les informations sur la structure et les caractéristiques des niveaux d'énergie des atomes et des ions sont extrêmement importantes pour les appareils électroniques quantiques (voir.