ატომური ფიზიკა

ატომური ფიზიკა — ფიზიკის დარგი, რომელიც შეისწავლის ატომის აღნაგობას. მასში მიმდინარე მოვლენებს და გარემოსთან მის ურთიერთქმედებას.

ისტორია
ატომური ფიზიკა, როგორც მეცნიერების დამოუკიდებელი დარგი, შეიქმნა საუკუნის ბოლოს და საუკუნის დასაწყისში. საუკუნის 40-იან წლებში ატომური ფიზიკას გამოეყო ბირთვული ფიზიკა, ხოლო 50-იან წლებში — ელემენტარული ნაწილაკების ანუ მაღალი ენერგიების ფიზიკა. ატომური ფიზიკის განვითარების ისტორია ოთხ პერიოდად იყოფა: პირველი (მოსამზადებელი) პერიოდი — ატომიზმის წარმოშობიდან საუკუნის ბოლომდე; მეორე — ელექტრონის აღმოჩენისა (1897) და ატომის რთული აღნაგობის დადგენიდან ატომის აგებულების რეზერფორდისეული მოდელისა და ბორის თეორიის შექმნამდე (1911-1913); მესამე — ბორის თეორიის შექმნიდან კვანტური მექანიკის ჩამოყალიბებამდე (1924-1926); მეოთხე — კვანტური მექანანიკის შექმნიდან დღემდე. ამჟამად შეიძლება ითქვას, რომ ატომის აღნაგობა საკმაოდ შესწავლილია. ცნობილია კვანტური კანონები, რომელთა მიხედვითაც ელექტრონები ატომის ბირთვის ირგვლივ მოძრაობენ.

ელექტროლიზის კანონებიდან მიღებულმა ელექტრული მუხტის დისკრეტულობამ (ირლანდიელი ფიზიკოსი და ასტრონომი ჯ. სტოუნი, ჰ. ჰელმჰოლცი, საუკუნის 80-იანი წლები), აირებში ელექტროდენის გავლის შესწავლამ (ი. ჰიტორფი, ი. გოლდშტაინი, ჯ. ტომსონი), კათოდური და რენტგენის სხივებისა (1895) და რადიოაქტივობის (1896) აღმოჩენამ (ვ. რენტგენი, ჟ. ბეკერელი, მ. სკლოდოვსკა-კიური და პ. კიური) ცხადი გახადა, რომ ატომი დამუხტული ნაწილაკვბისაგან შემდგარი რთული სისტემაა. ეს განსაკუთრებით ნათელი გახდა მას შემდეგ, რაც აღმოაჩინეს ელექტრონი და შეისწავლეს მისი თვისებები (ჯ. ტომსონი, ე. ვიხერტი). 1900 წლიდან დაწყებული ატომის აღნაგობის რამდენიმე მოდელი შეიქმნა. პირველი, საკმაოდ დასაბუთებული მოდელის (ჯ. ტომსონის ატომის აგებულების მოდელი) თანახმად, ატომი წარმოადგენდა დადებითად დამუხტულ სფეროს (10-8 სმ რიგის რადიუსით), რომლის შიგნით განლაგებული იყო უარყოფითი ელექტრონები. ატომის მიერ სინათლის გამოსხივების მიზეზი იყო ელექტრონების რხევა წონასწორობის მდებარეობის მახლობლად. მაგრამ რეზერფორდისა და მისი მოწაფეების ცდებიდან (ალფა-ნაწილაკვბის გაბნევაზე ლითონის თხელ ფენაში გავლისას, 1910-1911) გამომდინარეობდა, რომ ატომის დადებითი მუხტი ძალიან მცირე (10-13 სმ რიგის რადიუსის) არეში უნდა ყოფილიყო კონცენტრირებული (ატომის ბირთვი) და რომ ელექტრონებს უნდა ემოძრავათ ამ ბირთვის ირგვლივ (რეზვრფორდის ატომის მოდელი). მიუხედავად იმისა, რომ ეს მოდელი სწორად აღწერდა ატომის სტრუქტურას, გაუგებარი რჩებოდა რატომ იყო ელექტრონების მოძრაობა მდგრადი. ვინაიდან კლასიკური ელექტროდინამიკური კანონების თანახმად, აჩქარებულად მოძრავი ელექტრონი განუწყვეტლივ უნდა ასხივებდეს ენერგიას. რის გამოც იგი საბოლოოდ ბირთვზე უნდა დაეცეს. ამ მოვლენის ახსნა შემლო ნ. ბორმა (1913). მან მ. პლანკისა და ა. აინშტაინის მიერ დადგენილ სინათლის გამოსხივების დისკრეტულ (კვანტურ) ხასიათზე დამყარებით ჩამოაყალიბა ატომის აღნაგობის პირველი კვანტური თეორია — ბორის პოსტულატები. თავისი დებულებებიდან ბორმა შეძლო გამოეყვანა ატომის სპექტრების სერიული ე. წ. ბალმერის ფორმულა და მიიღო რიდბერგის მუდმივას მნიშვნელობა (თეორიულად). ა. ზომერფელდმა, ნ. ვილსონმა. ნიდერნადელმა ფიზიკოსმა მ. კრამერსმა და სხვებმა (1915-1917) ბორის თეორია მრავალელექტრონიანი ატომებისათვის განაზოგადეს და შეძლეს გარკვეული მიახლოებით აეხსნათ ასეთი ატომების თვისებები და მათი ქცვვა გარეშე ელექტრულ და მაგნიტურ ველებში (პ. ზეემანისა და ი. შტარკის მოვლენები). აღსანიშნავია აგრვთვე ჯ. ფრანკისა და ჰ. ჰერცის ცდები (1913), რომლებმაც ექსპერიმენტულად დაადასტურეს ატომის სტაციონარული დონეების არსებობა. ატომის აღნაგობის გარკვევაში მნიშვნვლოვანი როლი შვასრულა ჰ. მოზლის ექსპერიმენტულმა გამოკვლევამ (1914) რენტგენის სპექტრების კლასიფიკაციის შვსახებ და ნ. ბორის, პ. ერენფესტისა და სხვათა თეორიულმა გამოკვლევებმა ატომების ენერგეტიკული დონეების სისტემატიკისა და მათზე ელექტრონების განლაგების წესების შესახებ. ბორის თეორიის მიხედეით ენერგიის დაკვანტვა, ე. ი. შესაძლო მნიშვნვლობათა დადგენა, ხდება დაკვანტვის წესით, რომლის თანახმად სტაციონარული მდგომარეობები აკმაყოფილებენ პირობას, რომ ელექტრონის იმპულსის მომენტი \ {}{2\} მთელჯრადი უნდა იყოს. ატომური ფიზიკის განვითარებისათვის დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა ბორის შესაბმისობის პრინციპს, რომლის თანახმად, მცირე სიხშირეების ან, რაც იგივეა, დიდი კვანტური რიცხვების შემთხვევაში კვანტური თვორია უნდა გადადიოდეს კლასიკურ თეორიაში, როგორც ზღვარში. ამ პრინციპზე დამყარებით ბორმა შეძლო აეხსნა გამოსხივების ინტენსივობა და პოლარიზაცია. ამ მიღწევების მიუხედავად ცხადი ხდებოდა, რომ ბორის თეორიას, რომელიც კლასიკური ფიზიკისა და კვანტური ჰიპოთეზის ხელოვნურ შეერთებას წარმოადგენდა, არ შეეძლო მრავალი რთული მოვლენის (ზეემანის ანომალიური ეფექტი, სპექტრული ხაზების დუბლეტური სტრუქტურა და სხვათა) ახსნა.

ატომური ფიზიკის შემდგომი განვითარება ორი მიმართულებით წარიმართა. პირველს დასაბამი მისცა ლ. დე ბროილის ჰიპოთეზამ (1924) ნივთიერი ნაწილაკებისა და, კერძოდ, ელექტრონის ტალღური ბუნების შესახებ. სინათლის ორმაგი, ტალღური და კორპუსკულური, ბუნება მან ყველა ნიმთიერ ნაწილაკზე გადაიტანა და ამით ყოველ მოძრავ ნაწილაკს მიაწერა ტალღა, რომლის სიგრძე ნაწილაკის იმპულსთან დაკავშირებული იყო \=\{}{} თანაფარდობით, სადაც \ არის ტალღის სიგრძე, ხოლო — პლანკის მუდმივა, ხოლო — იმპულსი. ატომის დისკრეტული დონეების არსებობა დე ბროილმა ახსნა ბირთვის ირგვლივ ელექტრული ტალღების არსებობით. დე ბროილის ეს იდეა განავითარა ე. შრედინგერმა (1926), რომელმაც მიიღო ამ ტალღების გავრცელების განტოლება (შრედინგერის განტოლება) ნებისმიერი შემთხვევისათვის და ამით საფუძველი ჩაუყარა თანამედროვე ტალღურ მექანიკას. ატომის თეორიის განეითარების მეორე მიმართულება დაკავშირებულია ვ. ჰაიზენბერგის სახელთან (1925-1926). ჰაიზენბერგმა და მასთან ერთად მ. ბორნმა, კ. იორდანმა და პ. დირაკმა ბორის შესაბამისობის პრინციპსა და კვანტურ პირობებზე დამყარებით განავითარეს ე. წ. მატრიცული მექანიკა. რომლის თანახმად, ყოველი კლასიკური სიდიდე უნდა შეცვლილიყო სათანადო მატრიცით ან ოპერატორით, ხოლო მათი მოქმედებანი ამ მატრიცებზე უნდა დამორჩილებოდნენ ე. წ. გადასმადობის თანაფარდობას: -= \ {}{2\}. 1926 წელს შრედინგერმა დაამტკიცა, რომ მისი ტალღური მექანიკა ჰაიზენბერგის მატრიცული მექანიკის ეკვივალენტურია. მნიშვნელოვანი იყო აგრეთვე 1925 წელს ვ. პაულის მიერ ე. წ. პაულის პრინციპის ჩამოყალიბება და ჰოლანდიელი მეცნიერის ჯ. ულენბეკისა და ს. გაუდსმიტის მიერ ელექტრონის სპინის საკუთარი მომენტის აღძოჩენა (1925). პაულის პრინციპი საფუძვლად დაედო მენდელეევის პერიოდული კანონის ახსნას, ვინაიდან მან განსაზღვრა ელექტრონების მიერ ატომის ენერგეტიკული დონეების შევსების წესი. კვანტური მექანიკის მიღწევების მიუხედავად, სრულიად გაურკვეველი იყო დე ბროილის ტალღებისა და მატრიცების გადაუსმადობის ფიზიკური აზრი. მხოლოდ ბორნის, ჰაიზენბერგისა და ბორის (1926-1928) მიერ ჩატარებული ანალიზის შედეგად გაირვვა კვანტური მექანიკის ხასიათი და მასში გამოყენებული სიდიდეების ფიზიკური აზრი. დადგინდა, რომ ტალღური ფუნქციის მოდულის კვადრატი იმის ალბათობას გამოსახავს, რომ ელექტრონი განსახილველი ადგილის მოცულობის ერთეულშია, ხოლო თვით კვანტური მექანიკა საშუალებას გვაძლევს გამოვითვალოთ მომავალი ალბათობა, თუკი ცნობილია საწყისი ალბათობა და სისტემის ენერგია. სწორედ ესაა შრედინგერის განტოლების აზრი. გარდა ამისა, მატრიცის საკუთარი მნიშვნელობანი წარმოადგენენ სათანადო ფიზიკური სიდიდის შესაძლო მნიშვნელობებს, რომლებიც ექსპერიმენტის საშუალებით მიიღება. მატრიცების ან ოპერატორების გადაუსმადობა იმის მაჩვენებელია, რომ შეუძლებელია სათანადო ფიზიკური სიდიდეების ერთდროული გაზომვა. ამის საფუძველია ე. წ. განუსაზღვრელობის პრინციპი (ჰაიზენბერგი, 1922), რომლის თანახმად, ყოველ ფიზიკურ სიდიდეს ეთანადება კანონიკურად შეუღლებული სიდიდე (კოორდინატი-იმპულსი, ენერგია-დრო და ა. შ.) ისე, რომ მათი განსაზღვრის სიზუსტე დაკავშირებულია განუსაზღვრელობის თანაფარდობით: \ \ \ , \ \ \ .

არარელატივისტურმა კვანტურმა მექანიკამ ძირითადად ახსნა ატომის თითქმის ყველა თვისება და ამით საფუძეელი ჩაუყარა ატომების ურთიერთქმედების თეორიის ახსნას. მის საფუძველზე წარმოიშვა კვანტური ქიმია (ვ. ჰაიტლერი და ფ. ლონდონი, 1927). დირაკის მიერ შრედინგერის არარელატივისტური განტოლების განზოგადება ფარდობითობის სპეციალური თეორიის მოთხოვნის მიხედვით ატომის თეორიის შემდგომი განვითარების საფუძველად იქცა. შესაძლებელი გახდა ატომის ისეთი თვისებების დადგენა, რომელთა ახსნას შრედინგერის თეორიაც ვერ ახერხებდა (სპექტრული ხაზების რელატივისტური სტრუქტურა, ენერგეტიკული დონეების ნაზი სტრუქტურა და მათი წანაცვლება ელექტრომაგნიტური ველის ფლუქტუაციებთან ურთიერთქმედების გამო და სხვა). მრავალელექტრონიანი ატომების ენერგეტიკული დონეების გაანგარიშებისათვის შეიქძნა სსვადასხვა მიახლოებითი მეთოდი (ვარიაციული, ჰარტრიფოკის, სტატისტიკური და სხვა). რომლებიც საჭირო გამოთვლების ნებისმიერი სიზუსტით შესრულების საშუალებას იძლევა.

თანამედროვე ატომური ფიზიკის ძირითადი დარგებია: ატომის თეორია, ატომური სპექტროსკოპია, რენტგენული სპექტროსკოპია, რადიოსპექტროსკოპია, ატომური და იონური დაჯახებების ფიზიკა. მხოლოდ ბირთული ფიზიკის საფუძეელზე შეიძლება ატომებისაგან შედგენილი მოლეკულების თვისებებისა და ქიმიური პროცესების გაგება. ასევე ატომური ფიზიკის მეშვეობით შეიძლება ატომებისა და მოლეკულებისაგან შედგენილი აირების, სითხეებისა და მყარი სხეულების თვისებების ახსნა. ატომური ფიზიკის მნიშვნელოვანი ამოცანაა ატომის მდგომარეობის მახასიათებლების განსაზღვრა. ლაპარაკია ატომის ენერგიის შესაძლო მნიშვნელობებზე, მის ენერგეტიკულ დონეებზე, მოძრაობის მომენტების მნიშვნელობებზე და ატომის მდგომარეობის მახასიათებელ სხვა სიდიდეებზე. ატომური ფიზიკა იკვლევს ენერგეტიკულ დონეების ნაზ და ზენაზ სტრუქტურას. ენერგეტიკული დონეების ცვლილებას ელექტრული და მაგნიტური ველების (როგორც გარე, მაკროსკოპული, ისე შიდა, მიკროსკოპული) გავლენით. დიდი მნიშვნელობა აქვს ატომის ისეთ მახასიათებელს, როგორიცაა ელექტრონის სიცოცხლის ხანგრძლივობა ენერგეტიკულ დონეზე და, ბოლოს, დიდი ყურადღება ექცევა ატომური სპექტრების აგზნების მექანიზმს.

რენტგენული სპექტროსკოპია რენტგენის სხივების გამოსხივებისა და შთანთქმის გაზომვით საშუალებას იძლევა ძირითადად განისაზღვროს ატომის ბირთვთან შინაგანი ელექტრონების ბმის ენერგია (იონიზაციის ენერგია). ატომის შიგნით ელექტრული ველის განაწილება. ოპტიკური სპექტროსკოპია შეისწავლის ატომთა მიერ გამოსხივებული, სპექტრული ხაზების ერთობლიობას, განსაზღვრავს ატომის ენერგეტიკულ დონეების მახასიათებლებს, სპექტრული ხაზების ინტენსიურობას და მათთან დაკავშირებული აგზნებული ატომის სიცოცხლის ხანგრძლივობებს, ენერგეტიკულ დონეების ნაზ სტრუქტურას, მათს წანაცვლებასა და გახლეჩას ელექტრულ და მაგნიტურ ველებში. რადიოსპექტროსკოპია იკვლევს სპექტრული ხაზების სიგანესა და ფორმას, მათს ზე-ნაზ სტრუქტურას, წანაცვლებასა და გახლეჩას მაგნიტურ ველში, საზოგადოდ შიდაატომურ პროცესებს, რომლებიც გამოწვეულია ძალიან სუსტი ურთიერთქმებითა და გარემოს გავლენით.

ატომთან სწრაფი ელექტრონებისა და იონების დაჯახების შედეგების ანალიზი საშუალებას გვაძლევს მივიდოთ ცნობები ატომის შიგნით ელექტრული მუხტის („ელექტრონული ღრუბლის“) სიმკვრივის განაწილების, ატომის აგზნების ენერგიის, იონიზაციის ენერგიის შესასებ.

ატომთა აღნაგობის დეტალური გამოკვლევის შედეგები ფართოდ გამოიყენება არა მარტო ფიზიკის სხვადასხვა დარგში, არამედ ქიმიაში, ასტროფიზიკასა და მეცნიერების სხვა დარგებში.

ატომური ფიზიკა შეიძლება ჩაითვალოს ძირითადად დასრულებულ მეცნიერებად, რომლის თეორიული საფუძვლები კარგადაა დამუშავებული. რასაკვირველია ეს არ ეხება ატომის ბირთვს, რომლის შესწავლა ბირთვული ფიზიკის მიზანია.