원자물리학 - Atomic physics

원자물리학 - Atomic physics

원자물리학은 전자와 원자핵의 고립된 체계로서 원자를 연구하는 물리학 분야다. 그것은 주로 핵 주위의 전자의 배열과 이러한 배열들이 변화하는 과정과 관련이 있다. 이것은 이온, 중성 원자로 구성되며, 달리 명시되지 않는 한 원자라는 용어가 이온을 포함하고 있다고 가정할 수 있다. 원자 물리라는 용어는 표준 영어에서 원자력과 핵의 동의어 사용 때문에 원자력과 핵무기와 연관될 수 있다. 물리학자들은 원자핵을 핵과 전자로 구성된 하나의 체계로서 다루는 원자물리학과 원자핵의 핵반응과 특수한 성질을 연구하는 핵물리학을 구별한다. 많은 과학 분야와 마찬가지로, 엄격한 서술은 고도로 고안될 수 있고 원자, 분자, 광학 물리학의 더 넓은 맥락에서 종종 원자 물리학이 고려된다. 물리학 연구 그룹은 보통 그렇게 분류된다.

고립된 원자

원자 물리학은 주로 원자를 고립된 상태로 고려한다. 원자 모델은 하나 이상의 결합 전자로 둘러싸일 수 있는 단일 핵으로 구성될 것이다. 분자의 형성과는 무관하며(물리학의 많은 부분이 동일하지만), 고체 상태의 원자를 응축 물질로 검사하지도 않는다. 광자에 의한 이온화 및 흥분이나 원자 입자와의 충돌과 같은 과정과 관련이 있다. 고립된 원자를 모델링하는 것은 현실적으로 보이지 않을 수 있지만, 만약 어떤 사람이 가스나 플라즈마 안의 원자를 고려한다면, 원자-원자 상호작용에 대한 시간 범위는 일반적으로 고려되는 원자 과정에 비해 크다. 이는 개별 원자가 대다수의 시간처럼 각각 고립되어 있는 것처럼 취급될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 고려에 의해 원자물리학은 비록 둘 다 매우 많은 수의 원자를 다루지만 플라즈마 물리학과 대기 물리학에서 기초 이론을 제공한다.

전자 구성

전자는 핵 주위에 개념적인 껍질을 형성한다. 이것들은 보통 지면 상태에 있지만 빛(광자), 자기장 또는 충돌 입자(일반적으로 이온이나 다른 전자)와의 상호작용에서 에너지를 흡수하면 흥분할 수 있다. 껍데기를 채우는 전자는 바운드 상태라고 한다. 전자를 껍질에서 제거하는 데 필요한 에너지를 결합 에너지라고 한다. 전자가 이 양을 초과하여 흡수하는 에너지의 양은 에너지의 보존에 따라 운동 에너지로 변환된다. 원자는 이온화 과정을 거쳤다고 한다. 만약 전자가 결합 에너지보다 적은 양의 에너지를 흡수한다면, 그것은 흥분된 상태로 전달될 것이다. 일정 시간이 지나면 흥분된 상태의 전자는 더 낮은 상태로 "점프"(전환)하게 된다. 중성 원자에서는 에너지가 보존되기 때문에 이 시스템은 에너지 차이의 광자를 방출할 것이다.

만일 내부 전자가 결합 에너지(원자가 이온화되도록)보다 더 많이 흡수했다면, 더 많은 외부 전자가 내부 궤도를 채우기 위한 전환을 겪을 수도 있다. 이 경우 가시광자 또는 특성 X선이 방출되거나 오거 효과로 알려진 현상이 일어나 방출된 에너지가 다른 바운드 전자에 전달되어 연속체 속으로 들어가게 된다. 오거 효과는 한 개의 광자로 원자를 이온화시킬 수 있게 한다. 빛에 의한 흥분으로 도달할 수 있는 전자 구성에 대해서는 다소 엄격한 선택 규칙이 있지만, 충돌 프로세스에 의한 흥분에는 그러한 규칙이 없다.

역사와 발전

원자물리학을 향한 가장 초기 단계 중 하나는 물질이 원자들로 구성되어 있다는 인식이었다. 기원전 6세기에서 기원전 2세기에 쓰여진 문헌 중 카나드가 쓴 데모크리토스나 바이셰시카 수트라 등의 일부를 이루고 있다. 이 이론은 후에 18세기에 영국의 화학자 겸 물리학자인 존 달튼에 의해 화학 원소의 기본 단위의 현대적인 의미에서 발전되었다. 이 단계에서는 원자가 무엇인지는 분명하지 않았지만 그 성질(대량)에 의해 설명되고 분류될 수 있었다. 멘델레예프에 의한 주기적인 원소 계통의 발명은 또 하나의 큰 진전이었다.

원자 물리학의 진정한 시작은 스펙트럼 라인의 발견과 현상을 설명하려는 시도로 특징지어지는데, 가장 두드러진 것은 조셉 폰 프라운호퍼였다. 이러한 선들에 대한 연구는 보어 원자 모델과 양자역학의 탄생으로 이어졌다. 원자 스펙트럼을 설명하려고 하는 과정에서 완전히 새로운 수학적 물질의 모델이 밝혀졌다. 원자와 그 전자 껍질에 관한 한, 이것은 원자 궤도 모델과 같은 전체적인 설명을 더 잘 할 뿐만 아니라, 화학(양자화학)과 분광학의 새로운 이론적 기초를 제공했다. 제2차 세계대전 이후 이론 분야와 실험 분야 모두 빠른 속도로 발전해 왔다. 이는 컴퓨터 기술의 진보에 기인할 수 있는데, 이것은 더 크고 정교한 원자 구조와 관련 충돌 과정을 가능하게 했다. 가속기, 검출기, 자기장 생성 및 레이저의 유사한 기술 발전은 실험 작업에 큰 도움이 되었다.