Física atómica

La física atómica es el campo de la física que estudia los átomos como un sistema aislado de electrones y un núcleo atómico. La física atómica generalmente se refiere al estudio de la estructura atómica y la interacción entre los átomos. Se ocupa principalmente de la forma en que los electrones se organizan alrededor del núcleo y los procesos por los cuales estos arreglos cambian. Esto comprende iones, átomos neutros y, a menos que se indique lo contrario, se puede suponer que el término átomo incluye iones.

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

Al igual que con muchos campos científicos, la delimitación estricta puede ser muy artificial y la física atómica a menudo se considera en el contexto más amplio de la física atómica, molecular y óptica. Los grupos de investigación en física suelen clasificarse así.

Átomos aislados

La física atómica considera principalmente a los átomos de forma aislada. Los modelos atómicos consistirán en un solo núcleo que puede estar rodeado por uno o más electrones enlazados. No se ocupa de 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 excitación por fotones o colisiones con partículas atómicas.

Aunque modelar átomos de forma aislada puede no parecer realista, si uno considera átomos en un gas o plasma, las escalas de tiempo para las interacciones átomo-átomo son enormes en comparación con los procesos atómicos que generalmente se consideran. Esto significa que los átomos individuales pueden tratarse como si cada uno estuviera aislado, como ocurre en la gran mayoría de las veces. Por esta consideración, la física atómica proporciona la teoría subyacente en la física del plasma y la física atmosférica, aunque ambas se ocupan de un gran número de átomos.

Configuración electrónica

Los electrones forman capas teóricas alrededor del núcleo. Estos normalmente están en un estado fundamental, pero pueden ser excitados por la absorción de energía de la luz (fotones), campos magnéticos o la interacción con una partícula en colisión (típicamente iones u otros electrones).

En el modelo Bohr se muestra la transición de un electrón con n=3 a la cáscara n=2, donde se emite un fotón. Un electrón de cáscara (n=2) debe haber sido eliminado de antemano por ionización

Se dice que los electrones que pueblan una capa están en un estado ligado. La energía necesaria para sacar un electrón de su capa (llevándolo al infinito) se llama energía de enlace. Cualquier cantidad de energía absorbida por el electrón en exceso de esta cantidad se convierte en energía cinética de acuerdo con la conservación de la energía. Se dice que el átomo ha sufrido el proceso de ionización.

Si el electrón absorbe una cantidad de energía menor que la energía de enlace, se transferirá a un estado excitado. Después de cierto tiempo, el electrón en estado excitado 'saltará'. (pasar por una transición) a un estado inferior. En un átomo neutro, el sistema emitirá un fotón de la diferencia de energía, ya que la energía se conserva.

Si un electrón interno ha absorbido más que la energía de enlace (de modo que el átomo se ioniza), entonces un electrón más externo puede sufrir una transición para llenar el orbital interno. En este caso, se emite un fotón visible o un rayo X característico, o puede tener lugar un fenómeno conocido como efecto Auger, donde la energía liberada se transfiere a otro electrón ligado, haciendo que entre en el continuo. El efecto Auger permite multiplicar la ionización de un átomo con un solo fotón.

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

Historia y evolución

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 el siglo VI a. C. y el siglo II a. C., como los de Demócrito o Vaiśeṣika Sūtracódigo: san promovido a código: sa escrito por Kaṇādacódigo: san promovido a código: sa . Esta teoría fue desarrollada más tarde en el sentido moderno de la unidad básica de un elemento químico por el químico y físico británico John Dalton en el siglo XVIII. En esta etapa, no estaba claro qué eran los átomos, aunque podían describirse y clasificarse por sus propiedades (a granel). La invención del sistema periódico de 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 parte de Joseph von Fraunhofer. El estudio de estas líneas condujo al modelo atómico de Bohr y al nacimiento de la mecánica cuántica. Al tratar de explicar los espectros atómicos, se reveló un modelo matemático completamente nuevo de la materia. En lo que respecta a los átomos y sus capas de electrones, esto no solo proporcionó una mejor descripción general, es decir, el modelo orbital atómico, sino que también proporcionó una nueva base teórica para la química. (química cuántica) y espectroscopia.

Desde la Segunda Guerra Mundial, tanto los campos teóricos como los experimentales han avanzado a un ritmo acelerado. Esto se puede atribuir al progreso en la tecnología informática, que ha permitido modelos más grandes y sofisticados de la estructura atómica y los procesos de colisión asociados. Avances tecnológicos similares en aceleradores, detectores, generación de campos magnéticos y láseres han ayudado mucho al trabajo experimental.

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