Fizik atom

Fizik atom, kajian saintifik mengenai struktur atom, keadaan tenaganya, dan interaksinya dengan zarah lain dan dengan medan elektrik dan magnet. Fizik atom telah terbukti menjadi aplikasi mekanik kuantum yang berjaya, yang merupakan salah satu landasan fizik moden.

Pengertian bahawa perkara terbuat dari blok bangunan mendasar berasal dari orang Yunani kuno, yang berspekulasi bahawa bumi, udara, api, dan air mungkin membentuk unsur-unsur asas dari mana dunia fizikal dibina. Mereka juga mengembangkan pelbagai aliran pemikiran mengenai hakikat utama perkara. Mungkin yang paling luar biasa ialah sekolah atom yang didirikan oleh orang Yunani kuno Leucippus Miletus dan Democritus of Thrace sekitar 440 SM. Atas sebab-sebab falsafah semata-mata, dan tanpa memperoleh bukti eksperimen, mereka mengembangkan anggapan bahawa materi terdiri daripada atom yang tidak dapat dipisahkan dan tidak dapat dihancurkan. Atom-atom bergerak tanpa henti melalui kekosongan di sekitarnya dan bertembung satu sama lain seperti bola biliar, seperti teori kinetik gas moden. Walau bagaimanapun, perlunya kekosongan (atau kekosongan) antara atom menimbulkan persoalan baru yang tidak dapat dijawab dengan mudah. Atas sebab ini, gambaran atomis ditolak oleh Aristoteles dan sekolah Athena yang menyokong anggapan bahawa perkara itu berterusan. Ideanya tetap ada, dan muncul kembali 400 tahun kemudian dalam tulisan penyair Rom Lucretius, dalam karyanya De rerum natura (On the Nature of Things).

Tidak banyak yang dilakukan untuk memajukan idea bahawa jirim mungkin terbuat dari zarah-zarah kecil hingga abad ke-17. Ahli fizik Inggeris Isaac Newton, dalam Principia Mathematica (1687), mengusulkan bahawa hukum Boyle, yang menyatakan bahawa produk tekanan dan isipadu gas tetap pada suhu yang sama, dapat dijelaskan jika seseorang menganggap bahawa gas tersebut terdiri daripada zarah. Pada tahun 1808 ahli kimia Inggeris John Dalton mencadangkan bahawa setiap unsur terdiri daripada atom yang serupa, dan pada tahun 1811 ahli fizik Itali, Amedeo Avogadro membuat hipotesis bahawa zarah-zarah unsur mungkin terdiri daripada dua atau lebih atom yang tersekat. Avogadro memanggil molekul konglomerasi seperti itu, dan, berdasarkan karya eksperimen, dia menduga molekul dalam gas hidrogen atau oksigen terbentuk dari pasangan atom.

Selama abad ke-19 di sana mengembangkan idea sejumlah elemen, masing-masing terdiri daripada jenis atom tertentu, yang dapat bergabung dengan sebilangan besar cara untuk membentuk sebatian kimia. Pada pertengahan abad, teori kinetik gas berjaya mengaitkan fenomena seperti tekanan dan kelikatan gas kepada pergerakan zarah atom dan molekul. Menjelang tahun 1895, semakin bertambahnya bukti kimia dan kejayaan teori kinetik meninggalkan sedikit keraguan bahawa atom dan molekul adalah nyata.

Struktur dalaman atom, bagaimanapun, menjadi jelas hanya pada awal abad ke-20 dengan karya ahli fizik Inggeris Ernest Rutherford dan pelajarnya. Sehingga usaha Rutherford, model atom yang terkenal adalah model yang disebut "plum-pudding", yang disokong oleh ahli fizik Inggeris Joseph John Thomson, yang menyatakan bahawa setiap atom terdiri dari sejumlah elektron (plum) yang tertanam dalam gel cas positif (puding); jumlah cas negatif elektron dengan tepat mengimbangkan jumlah cas positif, menghasilkan atom yang neutral elektrik. Rutherford melakukan serangkaian eksperimen penyebaran yang mencabar model Thomson. Rutherford memerhatikan bahawa ketika seberkas zarah alfa (yang kini dikenali sebagai inti helium) menyerang kerajang emas tipis, beberapa zarah itu dibelok ke belakang. Pesongan besar seperti itu tidak sesuai dengan model plum-pudding.

Karya ini membawa kepada model atom Rutherford, di mana inti berat muatan positif dikelilingi oleh awan elektron cahaya. Inti terdiri daripada proton bermuatan positif dan neutron neutral elektrik, masing-masing kira-kira 1.836 kali lebih besar daripada elektron. Oleh kerana atom sangat kecil, sifatnya mesti disimpulkan dengan teknik eksperimen tidak langsung. Yang utama adalah spektroskopi, yang digunakan untuk mengukur dan menafsirkan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan atau diserap oleh atom ketika mereka menjalani peralihan dari satu keadaan tenaga ke keadaan tenaga yang lain. Setiap unsur kimia memancarkan tenaga pada panjang gelombang yang khas, yang mencerminkan struktur atomnya. Melalui prosedur mekanik gelombang, tenaga atom dalam pelbagai keadaan tenaga dan panjang gelombang ciri yang dipancarkannya dapat dihitung dari pemalar fizikal asas tertentu - iaitu, jisim dan cas elektron, kelajuan cahaya, dan pemalar Planck. Berdasarkan pemalar asas ini, ramalan numerik mekanik kuantum dapat menjelaskan sebahagian besar sifat yang diperhatikan dari atom yang berbeza. Khususnya, mekanik kuantum menawarkan pemahaman yang mendalam mengenai susunan elemen dalam jadual berkala, menunjukkan, sebagai contoh, bahawa elemen dalam lajur jadual yang sama harus mempunyai sifat yang serupa.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini kekuatan dan ketepatan laser telah merevolusikan bidang fizik atom. Di satu pihak, laser telah meningkatkan ketepatan secara dramatik yang boleh diukur panjang gelombang ciri atom. Sebagai contoh, piawaian masa dan frekuensi moden didasarkan pada pengukuran frekuensi peralihan dalam cesium atom (lihat jam atom), dan definisi meter sebagai satuan panjang kini berkaitan dengan pengukuran frekuensi melalui halaju cahaya. Sebagai tambahan, laser telah memungkinkan teknologi baru sepenuhnya untuk mengasingkan atom individu dalam perangkap elektromagnetik dan menyejukkannya hingga hampir sifar mutlak. Apabila atom-atom dibawa pada dasarnya untuk berhenti di dalam perangkap, mereka dapat menjalani peralihan fasa mekanik kuantum untuk membentuk suatu superfluid yang dikenali sebagai pemeluwapan Bose-Einstein, sementara tetap dalam bentuk gas cair. Dalam keadaan jirim yang baru ini, semua atom berada dalam keadaan kuantum koheren yang sama. Akibatnya, atom kehilangan identiti masing-masing, dan sifat gelombang gelombang mekanik kuantum mereka menjadi dominan. Seluruh kondensat kemudian bertindak balas terhadap pengaruh luaran sebagai entiti koheren tunggal (seperti sekolah ikan), bukannya sebagai kumpulan atom individu. Hasil kerja terbaru menunjukkan bahawa sinar atom koheren dapat diekstraksi dari perangkap untuk membentuk "laser atom" yang serupa dengan sinar foton koheren dalam laser konvensional. Laser atom masih dalam tahap awal pengembangan, tetapi berpotensi untuk menjadi elemen penting teknologi masa depan untuk pembuatan mikroelektronik dan peranti skala nano lain.