Atomu fizika - atoma struktūras, tā enerģijas stāvokļu un mijiedarbības ar citām daļiņām, kā arī ar elektrisko un magnētisko lauku zinātnisks pētījums. Atomu fizika ir izrādījusies iespaidīgi veiksmīga kvantu mehānikas pielietošana, kas ir viens no mūsdienu fizikas stūrakmeņiem.
Priekšstats, ka matērija ir veidota no pamatiem, aizsākās senos grieķos, kuri domāja, ka zeme, gaiss, uguns un ūdens var būt pamatelementi, no kuriem tiek veidota fiziskā pasaule. Viņi arī izstrādāja dažādas domu skolas par matērijas galīgo raksturu. Iespējams, ka visievērojamākā bija atomistu skola, ko apmēram 440 BC dibināja senie grieķi Miletus Leukipps un Trāķijas demokrāts. Tīri filozofisku iemeslu dēļ un bez eksperimentāliem pierādījumiem viņi izstrādāja priekšstatu, ka matērija sastāv no nedalāmiem un neiznīcināmiem atomiem. Atomi nepārtraukti pārvietojas pa apkārtējo tukšumu un saduras viens ar otru kā biljarda bumbiņas, līdzīgi kā mūsdienu gāzu kinētiskā teorija. Tomēr vajadzība pēc tukšuma (vai vakuuma) starp atomiem radīja jaunus jautājumus, uz kuriem nebija viegli atbildēt. Šī iemesla dēļ Aristotelis un Atēnu skola atomisko ainu noraidīja, uzskatot, ka matērija ir nepārtraukta. Šī ideja tomēr pastāvēja, un tā 400 gadus vēlāk parādījās romiešu dzejnieka Lucretius rakstos viņa darbā De rerum natura (Par lietu dabu).
Nedaudz tika darīts, lai virzītu domu, ka viela varētu būt veidota no sīkām daļiņām līdz 17. gadsimtam. Angļu fiziķis Īzaks Ņūtons savā Principia Mathematica (1687) ierosināja, ka Boiles likumu, kurā teikts, ka gāzes spiediena un tilpuma reizinājums ir nemainīgs tajā pašā temperatūrā, varētu izskaidrot, ja pieņem, ka gāze ir sastāv no daļiņām. 1808. gadā angļu ķīmiķis Džons Daltons ierosināja, ka katrs elements sastāv no identiskiem atomiem, un 1811. gadā itāļu fiziķis Amedeo Avogadro izvirzīja hipotēzi, ka elementu daļiņas var sastāvēt no diviem vai vairākiem atomiem, kas ir salikti kopā. Avogadro sauca par šādām konglomerāciju molekulām, un, pamatojoties uz eksperimentālo darbu, viņš uzskatīja, ka molekulas ūdeņraža vai skābekļa gāzē veidojas no atomu pāriem.
19. gadsimta laikā tika izstrādāta ideja par ierobežotu skaitu elementu, no kuriem katrs sastāv no noteikta veida atomiem un kurus gandrīz neierobežotā skaitā varētu apvienot, veidojot ķīmiskus savienojumus. Gadsimta vidū gāzu kinētiskā teorija tādas parādības kā gāzes spiediens un viskozitāte veiksmīgi attiecināja uz atomu un molekulu daļiņu kustībām. Līdz 1895. gadam pieaugošais ķīmisko pierādījumu svars un kinētiskās teorijas panākumi atstāja maz šaubu, ka atomi un molekulas ir reālas.
Atoma iekšējā struktūra tomēr kļuva skaidra tikai 20. gadsimta sākumā ar britu fiziķa Ernesta Rūterforda un viņa studentu darbu. Līdz Rutherforda centieniem populārais atoma modelis bija tā saucamais “plum-pudding” modelis, kuru aizstāvēja angļu fiziķis Džozefs Džons Thomsons un kurš uzskatīja, ka katrs atoms sastāv no vairākiem elektroniem (plūmēm), kas iestrādāti gēlā. pozitīva lādiņa (pudiņš); kopējais elektronu negatīvais lādiņš precīzi līdzsvaro kopējo pozitīvo lādiņu, iegūstot atomu, kas ir elektriski neitrāls. Rutherford veica virkni izkliedes eksperimentu, kas izaicināja Thomson modeli. Rutherfords novēroja, ka tad, kad alfa daļiņu (kuras mūsdienās ir zināmas kā hēlija kodoli) staru kūlis skāra plānu zelta foliju, dažas daļiņas tika novirzītas atpakaļ. Tik lielas novirzes bija pretrunā ar plūmju pudiņa modeli.
Šis darbs noveda pie Rutherforda atomu modeļa, kurā smago pozitīvā lādiņa kodolu ieskauj gaismas elektronu mākonis. Kodolu veido pozitīvi lādēti protoni un elektriski neitrāli neitroni, no kuriem katrs ir aptuveni 1836 reizes masīvāks par elektronu. Tā kā atomi ir tik nelieli, to īpašības ir jānovērtē ar netiešiem eksperimentāliem paņēmieniem. Galvenais no tiem ir spektroskopija, kuru izmanto, lai izmērītu un interpretētu atomus izstaroto vai absorbēto elektromagnētisko starojumu, pārejot no viena enerģijas stāvokļa uz otru. Katrs ķīmiskais elements izstaro enerģiju atšķirīgos viļņu garumos, kas atspoguļo to atomu struktūru. Veicot viļņu mehānikas procedūras, atomu enerģijas dažādos enerģijas stāvokļos un raksturīgos viļņu garumus, ko tie izstaro, var aprēķināt no noteiktām fizikālām konstantēm - proti, elektronu masas un lādiņa, gaismas ātruma un Planka konstantes. Balstoties uz šīm pamatkonstantēm, kvantu mehānikas skaitliskās prognozes var atspoguļot lielāko daļu dažādu atomu novēroto īpašību. Jo īpaši kvantu mehānika piedāvā dziļu izpratni par elementu izvietojumu periodiskajā tabulā, parādot, piemēram, ka elementiem tabulas vienā un tajā pašā kolonnā vajadzētu būt līdzīgām īpašībām.
Pēdējos gados lāzeru jauda un precizitāte ir mainījusi atomu fizikas jomu. No vienas puses, lāzeri ir dramatiski palielinājuši precizitāti, ar kuru var izmērīt atomu raksturīgos viļņu garumus. Piemēram, mūsdienu laika un frekvences standarti ir balstīti uz pārejas frekvenču mērījumiem atomu cēzijā (sk. Atomu pulksteni), un skaitītāja kā garuma vienības definīcija tagad ir saistīta ar frekvences mērījumiem caur gaismas ātrumu. Turklāt lāzeri ir ļāvuši izmantot pilnīgi jaunas tehnoloģijas atsevišķu atomu izolēšanai elektromagnētiskos slazdos un to atdzesēšanai līdz absolūtai nullei. Kad atomi būtībā tiek novietoti slazdā, tie var iziet kvantu mehāniskās fāzes pāreju, veidojot superšķidrumu, kas pazīstams kā Bose-Einšteina kondensāts, vienlaikus paliekot atšķaidītas gāzes formā. Šajā jaunajā matērijas stāvoklī visi atomi atrodas vienā un tajā pašā saskanīgajā kvantu stāvoklī. Rezultātā atomi zaudē savu individuālo identitāti, un to kvantu mehāniskās viļņveidīgās īpašības kļūst dominējošas. Pēc tam viss kondensāts reaģē uz ārējām ietekmēm kā viena saskanīga vienība (piemēram, zivju skola), nevis kā atsevišķu atomu kolekcija. Nesenais darbs parādīja, ka no slazda var iegūt koherentu atomu staru, lai veidotu “atomu lāzeru”, kas ir analogs fotonu koherentajam starojumam parastajā lāzerā. Atomu lāzers joprojām ir agrīnā attīstības stadijā, taču tam ir potenciāls kļūt par galveno nākotnes tehnoloģiju elementu mikroelektronisko un citu nanomēroga ierīču ražošanā.
