Física atómica

La física atómica es la rama de la física que estudia los átomos como un sistema aislado de electrones y un núcleo atómico . Generalmente, la física atómica se refiere al estudio de la estructura atómica y la interacción entre átomos. ^{[ 1 ]} Se centra principalmente en la forma en que los electrones se distribuyen alrededor del núcleo y los procesos mediante los cuales cambian estas distribuciones. Esto incluye iones , átomos neutros y, salvo que se indique lo contrario, se puede asumir que el término átomo también incluye a los iones.

El término física atómica puede asociarse con la energía nuclear y las armas nucleares , debido al uso sinónimo de «atómico» y «nuclear» en inglés estándar . Los físicos distinguen entre física atómica —que se ocupa del átomo como un sistema compuesto por un núcleo y electrones— y física nuclear , que estudia las reacciones nucleares y las propiedades especiales de los núcleos atómicos.

Como ocurre en muchos campos científicos, la delimitación estricta puede resultar muy artificial, y la física atómica suele considerarse dentro del contexto más amplio de la física atómica, molecular y óptica . Por consiguiente, los grupos de investigación en física atómica suelen clasificarse como tales.

átomos aislados

La física atómica se centra principalmente en los átomos de forma aislada. Los modelos atómicos consisten en un único núcleo rodeado por uno o más electrones ligados. No estudia la formación de moléculas (aunque gran parte de la física es idéntica), ni examina los átomos en estado sólido como materia condensada . Se ocupa de procesos como la ionización y la excitación por fotones o las colisiones con partículas atómicas.

Si bien modelar átomos de forma aislada puede no parecer realista, al considerar átomos en un gas o plasma , las escalas de tiempo para las interacciones átomo-átomo son enormes en comparación con los procesos atómicos que se suelen considerar. Esto significa que los átomos individuales pueden tratarse como si estuvieran aislados, como ocurre la mayor parte del tiempo. Gracias a esta consideración, la física atómica proporciona la teoría fundamental de la física de plasmas y la física atmosférica , aunque ambas disciplinas trabajen con un número muy elevado de átomos.

Configuración electrónica

Los electrones forman capas teóricas alrededor del núcleo. Estas se encuentran normalmente en un estado fundamental , pero pueden excitarse mediante la absorción de energía de la luz ( fotones ), campos magnéticos o la interacción con una partícula que colisiona con ella (típicamente iones u otros electrones).

Se dice que los electrones que pueblan una capa electrónica están en estado ligado . La energía necesaria para extraer un electrón de su capa (llevándolo al infinito) se denomina energía de enlace . Cualquier cantidad de energía absorbida por el electrón que exceda esta cantidad se convierte en energía cinética según la conservación de la energía . Se dice que el átomo ha experimentado el proceso de ionización.

Si el electrón absorbe una cantidad de energía menor que la energía de enlace, pasará a un estado excitado . Tras un cierto tiempo, el electrón en estado excitado "saltará" (experimentará una transición) a un estado de menor energía. En un átomo neutro, el sistema emitirá un fotón con la diferencia de energía, ya que la energía se conserva.

Si un electrón interno ha absorbido más energía que la de enlace (lo que provoca la ionización del átomo), un electrón más externo puede experimentar una transición para ocupar el orbital interno. En este caso, se emite un fotón visible o un rayo X característico , o bien puede producirse un fenómeno conocido como efecto Auger , en el que la energía liberada se transfiere a otro electrón ligado, provocando su salida del continuo. El efecto Auger permite ionizar un átomo varias veces con un solo fotón.

Existen reglas de selección bastante estrictas en cuanto a las configuraciones electrónicas que se pueden alcanzar mediante excitación lumínica ; sin embargo, no existen tales reglas para la excitación mediante procesos de colisión.

Modelo atómico de Bohr

El modelo de Bohr, propuesto por Niels Bohr en 1913 , es una teoría revolucionaria que describe la estructura del átomo de hidrógeno. Introdujo la idea de órbitas cuantizadas para los electrones, combinando la física clásica y la cuántica.

Postulados clave del modelo de Bohr

Los electrones se mueven en órbitas circulares.
- Los electrones giran alrededor del núcleo en trayectorias circulares fijas llamadas órbitas o niveles de energía .
- Estas órbitas son estables y no irradian energía.
Cuantización del momento angular:
- El momento angular de un electrón está cuantizado y viene dado por: $\ L=m_{\text{e}}vr=n\hbar ,\quad n=1,2,3,\ldots$ dónde:
  $m_{\text{e}}$ : masa del electrón
  $v$ : velocidad del electrón
  $r$ : radio de la órbita
  $\hbar$ : constante de Planck reducida ( $\hbar ={h}/{2\pi }$ )
  $n$ : número cuántico principal, que representa la órbita
Niveles de energía
- Cada órbita tiene una energía específica. La energía total de un electrón en la $n$ La órbita es: $\ E_{n}=-{\frac {\mathrm {13.6~eV} {n^{2}}},$ dónde $\mathrm {13,6~eV}$ es la energía del estado fundamental del átomo de hidrógeno.
Emisión o absorción de energía
- Los electrones pueden transitar entre órbitas absorbiendo o emitiendo energía igual a la diferencia entre los niveles de energía: $\Delta E=E_{\text{f}}-E_{\text{i}}=h\nu,$ dónde:
  $h$ : la constante de Planck.
  $\nu$ : frecuencia de la radiación emitida/absorbida.
  $E_{\text{f}},E_{\text{i}}$ : niveles de energía final e inicial.

Historia y desarrollos

Uno de los primeros pasos hacia la física atómica fue el reconocimiento de que la materia estaba compuesta de átomos . Forma parte de los textos escritos entre los siglos VI a. C. y II a. C., como los de Demócrito o el Sutra Vaiśeṣika escrito por Kaṇāda . ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Esta teoría fue desarrollada posteriormente en el sentido moderno de la unidad básica de un elemento químico por el químico y físico británico John Dalton en el siglo XVIII. ^{[ 4 ]} En esta etapa, no estaba claro qué eran los átomos, aunque podían describirse y clasificarse por sus propiedades (en conjunto). La invención del sistema periódico de los elementos por Dmitri Mendeleev fue otro gran paso adelante.

El verdadero comienzo de la física atómica está marcado por el descubrimiento de las líneas espectrales y los intentos de describir el fenómeno, sobre todo por Joseph von Fraunhofer . ^{[ 5 ]} El estudio de estas líneas condujo al modelo atómico de Bohr y al nacimiento de la mecánica cuántica . Al intentar explicar los espectros atómicos, se reveló un modelo matemático de la materia completamente nuevo. En lo que respecta a los átomos y sus capas electrónicas, esto no solo proporcionó una mejor descripción general, es decir, el modelo de orbitales atómicos , sino que también sentó las bases teóricas de la química ( química cuántica ) y la espectroscopia . ^{[ 6 ]}

Desde la Segunda Guerra Mundial , tanto el campo teórico como el experimental han avanzado a un ritmo vertiginoso. Esto se debe al progreso de la tecnología informática, que ha permitido desarrollar modelos más grandes y sofisticados de la estructura atómica y los procesos de colisión asociados. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Avances tecnológicos similares en aceleradores , detectores, generación de campos magnéticos y láseres han facilitado enormemente el trabajo experimental.

Más allá de los fenómenos bien conocidos que pueden describirse con la mecánica cuántica regular, pueden ocurrir procesos caóticos ^{[ 9 ]} que necesitan descripciones diferentes.

Físicos atómicos destacados

Véase también

Bibliografía

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Referencias

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↑ Blümel, R.; Reinhardt, WP (1997). Caos en la física atómica . Cambridge University Press. ISBN 0-521-45502-2.

Enlaces externos

Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos
Iniciativa QFARM de Stanford para la Ciencia e Ingeniería Cuánticas
Instituto Cuántico Conjunto de la Universidad de Maryland y el NIST
Física atómica en Internet
JILA (Física Atómica)
División de Física de ORNL

[1] Demtröder, W. (2006). Átomos, moléculas y fotones : una introducción a la física atómica, molecular y cuántica . Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-32346-4OCLC 262692011

[2] Pullman, Bernard; Pullman, Bernard (2001). El átomo en la historia del pensamiento humano . Oxford: Oxford Univ. Press. ISBN 978-0-19-515040-7.

[3] Canadá; Sankara Misra; Chandrakanta Tarakalankara; Jayanarayana Tarkapanchanana (1923). Los sutras Vaisesika de Canadá. Traducido por Nandalal Sinha . Robarts - Universidad de Toronto. Oficina de Allahabad Panini.

[4] Dalton, John (16 de septiembre de 2010). Un nuevo sistema de filosofía química . Cambridge University Press. doi : 10.1017/cbo9780511736407 . ISBN 978-1-108-01968-2.

[5] Brand, John CD (1995). Líneas de luz: las fuentes de la espectroscopia dispersiva, 1800 - 1930. Luxemburgo: Gordon and Breach Publ. ISBN 978-2-88449-162-4.

[6] Svanberg, S. (2004). Espectroscopia atómica y molecular . Springer. ISBN 3-540-20382-6.

[7] Bell, KL; Berrington, KA; Crothers, DSF; Hilbert, A.; Taylor, K. (2002). Supercomputing, Collision Processes, and Applications . Springer. ISBN 0-306-46190-0.

[8] Amusia, M. Ya.; Chernysheva, LV (1997). Computación de procesos atómicos . Institute of Physics Publishing. ISBN 0-7503-0229-1.

[9] Blümel, R.; Reinhardt, WP (1997). Caos en la física atómica . Cambridge University Press. ISBN 0-521-45502-2.

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