Física atômica

A física atômica considera sempre os átomos de forma isolada. Os modelos atômicos consistirão de um único núcleo que pode estar rodeado por um ou mais elétrons ligados. Não se preocupa com a formação de moléculas (embora grande parte da física seja idêntica), nem examina os átomos em estado sólido como matéria condensada. Ela se preocupa com processos como ionização e excitação por fótons ou colisões com partículas atômicas.

Embora a modelagem de átomos isoladamente possa não parecer realista, se considerarmos os átomos em um gás ou plasma, então as escalas de tempo para interações átomo-átomo são enormes em comparação com os processos atômicos que são geralmente considerados. Isto significa que os átomos individuais podem ser tratados como se cada um estivesse isolado, como a grande maioria do tempo em que se encontram. Por esta consideração, a física atômica fornece a teoria subjacente na física dos plasmas e na física atmosférica, apesar de ambas lidarem com um número muito grande de átomos.

Os elétrons formam conchas nocionais ao redor do núcleo. Estes estão naturalmente em estado de terra, mas podem ser excitados pela absorção de energia da luz (fótons), campos magnéticos ou interação com uma partícula em colisão (tipicamente outros elétrons).

Diz-se que os elétrons que povoam uma concha estão em um estado vinculado. A energia necessária para remover um elétron de sua concha (levando-o ao infinito) é chamada de energia de ligação. Qualquer quantidade de energia absorvida pelo elétron que exceda esta quantidade é convertida em energia cinética de acordo com a conservação da energia. Diz-se que o átomo foi submetido ao processo de ionização.

Caso o elétron absorva uma quantidade de energia menor do que a energia de ligação, ele passará para um estado excitado. Após uma quantidade estatisticamente suficiente de tempo, um elétron em estado excitado passará a um estado inferior. A mudança de energia entre os dois níveis de energia deve ser contabilizada (conservação de energia). Em um átomo neutro, o sistema emitirá um fóton da diferença de energia. Entretanto, se o átomo excitado tiver sido ionizado previamente, em particular se um de seus elétrons internos da casca tiver sido removido, um fenômeno conhecido como efeito Auger pode ocorrer onde a quantidade de energia é transferida para um dos elétrons ligados fazendo com que ele vá para o continuum. Isto permite multiplicar a ionização de um átomo com um único fóton.

Existem regras de seleção bastante rigorosas quanto às configurações eletrônicas que podem ser alcançadas por excitação por luz - sempre que não existam tais regras para excitação por processos de colisão.

A maioria dos campos da física pode ser dividida entre trabalho teórico e trabalho experimental, e a física atômica não é exceção. É geralmente o caso, mas nem sempre, que o progresso vai em ciclos alternativos de uma observação experimental, até uma explicação teórica seguida de algumas previsões que podem ou não ser confirmadas pelo experimento, e assim por diante. É claro que o estado atual da tecnologia a qualquer momento pode colocar limitações no que pode ser alcançado experimentalmente e teoricamente, de modo que pode levar um tempo considerável para que a teoria seja refinada.

Um dos primeiros passos para a física atômica foi o reconhecimento de que a matéria era composta de átomos, no sentido moderno da unidade básica de um elemento químico. Esta teoria foi desenvolvida pelo químico e físico britânico John Dalton no século XVIII. Nesta fase, não estava claro o que eram os átomos, embora pudessem ser descritos e classificados por suas propriedades (em massa) em uma tabela periódica.

O verdadeiro início da física atômica é marcado pela descoberta de linhas espectrais e tentativas de descrever o fenômeno, mais notadamente por Joseph von Fraunhofer. O estudo destas linhas levou ao modelo do átomo Bohr e ao nascimento da mecânica quântica. Ao tentar explicar os espectros atômicos, foi revelado um modelo matemático de matéria inteiramente novo. No que diz respeito aos átomos e suas conchas de elétrons, isso não só forneceu uma melhor descrição geral, ou seja, o modelo orbital atômico, mas também forneceu uma nova base teórica para a química (química quântica) e a espectroscopia.

Desde a Segunda Guerra Mundial, tanto o campo teórico quanto o experimental avançaram em ritmo acelerado. Isto pode ser atribuído ao progresso na tecnologia da computação, que permitiu modelos maiores e mais sofisticados de estrutura atômica e processos de colisão associados. Avanços tecnológicos similares em aceleradores, detectores, geração de campos magnéticos e lasers têm auxiliado muito o trabalho experimental.

• Física das partículas
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