atomfysik

De grundlæggende træk i atomers struktur blev klarlagt i begyndelsen af 1900-t. (se atom). På grundlag af P.A.M. Diracs teori for hydrogenatomet var det i 1928 muligt at beregne dets energitilstande med meget stor nøjagtighed. I 1947 påvistes imidlertid afvigelser mellem eksperimenter og Diracs teori. W. Lamb og R.C. Retherford udnyttede den under 2. Verdenskrig udviklede mikrobølgeteknik (radar) til at påvise en energimæssig opspaltning mellem stationære tilstande i hydrogenatomet med samme totale impulsmoment; disse skulle ifølge Diracs teori have nøjagtig samme energi. Energiforskydningen kaldes i dag Lamb-skiftet. Samme år påviste P. Kusch, at elektronens magnetiske moment afveg fra den af Diracs teori forudsagte værdi. Disse observationer førte til en ny atomar teori benævnt kvanteelektrodynamikken, som blev udviklet af J. Schwinger, R.P. Feynman og S. Tomonaga. Der er ikke hidtil fundet eksperimentelle afvigelser fra denne teori.

For atomer med to eller flere elektroner bevirker vekselvirkningen mellem elektronerne en væsentlig modifikation af det simple mønster for de stationære energitilstande, der karakteriserer hydrogenatomet eller ioner med kun én elektron. (Se atomspektrum). Schrödingerligningen for to- eller flerelektronsystemer kan kun løses eksakt ved at indføre forenklende antagelser, hvis egnethed må vurderes ved at sammenligne de beregnede energiværdier med de eksperimentelt bestemte. En ofte benyttet forenkling, kaldet den uafhængige elektronmodel, antager, at elektronerne ikke vekselvirker indbyrdes, men bevæger sig uafhængigt af hinanden i det elektriske felt, der skabes af atomkernen og de øvrige elektroner. Mere avancerede beregninger er nødvendige for at forklare eksistensen af den negative hydrogenion eller af de stationære tilstande i heliumatomet, der fremkommer, når begge atomets elektroner er anslåede; disse beregninger tager hensyn til elektronernes detaljerede indbyrdes vekselvirkning.

Gennem ydre påvirkning kan atomer anslås fra grundtilstanden til en højereliggende stationær energitilstand. Et anslået atom vil, såfremt det ikke udsættes for ydre påvirkninger, henfalde til en lavereliggende energitilstand ved udsendelse af stråling, hvis frekvens er bestemt ved energiforskellen mellem de to stationære tilstande. Middellevetiden for anslåede atomer er ca. 10^-9 sekunder. Påvirkes et atom af et elektromagnetisk felt, fx som lys (fotoner) med en energi lig med energiforskellen mellem den tilstand, atomet befinder sig i, og en højere energitilstand, kan atomet absorbere strålingen. Befinder atomet sig i en anslået tilstand, kan vekselvirkningen med et strålingsfelt, hvis frekvens er bestemt af energiforskellen mellem den anslåede og en lavere beliggende energitilstand, medføre stimuleret udsendelse af stråling fra atomet, en proces, der har fået stor betydning, idet den er forudsætningen for lasere. Påvirkes et atom af et elektromagnetisk strålingsfelt af høj intensitet, fx fra pulserende lasere, kan atomet absorbere to eller flere fotoner, selvom fotonens energi ikke svarer til energiforskellen mellem to stationære tilstande. Multifotonabsorption har åbnet mulighed for at studere egenskaber hos atomets elektronsystem, som det ikke tidligere var muligt at udforske, idet lyskilderne var for svage.

Studiet af vekselvirkningen mellem laserlys og atomer har udviklet sig til et selvstændigt forskningsområde siden 1970'erne og benævnes ofte kvanteoptik. Man har bl.a. kunnet udvikle metoder, ved hvilke det er muligt at kontrollere og manipulere atomers bevægelse og hastighedsfordeling, og man har herved kunnet afkøle stråler af atomer til ekstremt lave temperaturer (10^-9 K). Atomar spektroskopi med ultrakolde atomer kan nyttiggøres til etablering af målemæssige (metrologiske) standarder.

Atomfysikkens tredje hovedområde er beskrivelsen af vekselvirkningen mellem atomer og andre partikler som elektroner, positroner, fotoner, ioner og andre atomer. Atomare kollisioner spiller en betydningsfuld rolle inden for store dele af naturvidenskab og teknologi. Som eksempel kan nævnes kollisionsprocesserne i Solens, Jordens samt planeternes atmosfærer — processer, der kan være af afgørende betydning for alt liv på Jorden.

Studiet af atomkernens egenskaber falder normalt uden for atomfysikken og henføres til kernefysikken; se atomkerne. Vekselvirkningen mellem kernens magnetiske dipolmoment og det omgivende elektronsystem har indflydelse på atomers spektre i form af hyperfinstruktur. Denne anses for at være en del af atomfysikken, selvom man ved studier heraf især opnår information om egenskaber hos atomkernen; fx har hyperfinstrukturstudier af ustabile atomkerner givet væsentlig ny viden om atomkernernes struktur.

Atomfysikken har hovedsagelig udviklet sig i to perioder. Den første begyndte i slutningen af 1800-t. og sluttede ca. 1930. Højdepunkterne i denne periode var Niels Bohrs atommodel fra 1913 og kvantemekanikkens fremkomst i 1925. Siden ca. 1960 har atomfysikken oplevet en renæssance såvel eksperimentelt som teoretisk. Laserens fremkomst samt brugen af acceleratorer til studiet af atomer og ioner har skabt helt nye forskningsmuligheder for den eksperimentelle atomfysik. Denne udvikling er fortsat i 1990'erne, hvor lagring af ioner og atomer på kontrolleret vis ved hjælp af lagerringe eller atomare fælder, kombineret med højt specialiserede laserteknikker, har givet atomfysikken nye perspektiver. Computerens fremkomst har på samme tid radikalt forbedret forskningsmulighederne for teoretisk atomfysik.