Física atómica

Átomos aislados

La física atómica siempre considera los átomos de forma aislada. Los modelos atómicos constan de un único núcleo que puede estar rodeado de uno o varios electrones ligados. 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 la excitación por fotones o las colisiones con partículas atómicas.

Aunque modelizar los átomos de forma aislada puede no parecer realista, si se consideran los átomos en un gas o plasma, las escalas de tiempo de las interacciones átomo-átomo son enormes en comparación con los procesos atómicos que se suelen considerar. Esto significa que los átomos individuales pueden tratarse como si cada uno estuviera aislado, ya que la gran mayoría de las veces lo están. De esta forma, la física atómica proporciona la teoría subyacente en la física de los plasmas y la física atmosférica, a pesar de que ambas tratan con un gran número de átomos.

Configuración electrónica

Los electrones forman envolturas nocionales alrededor del núcleo. Estos se encuentran naturalmente en un estado de reposo, pero pueden ser excitados por la absorción de energía de la luz (fotones), los campos magnéticos o la interacción con una partícula que colisiona (normalmente otros electrones).

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

Si el electrón absorbe una cantidad de energía inferior a la energía de enlace, pasará a un estado excitado. Después de una cantidad de tiempo estadísticamente suficiente, un electrón en un estado excitado sufrirá una transición a un estado inferior. El cambio de energía entre los dos niveles de energía debe tenerse en cuenta (conservación de la energía). En un átomo neutro, el sistema emitirá un fotón de la diferencia de energía. Sin embargo, si el átomo excitado ha sido previamente ionizado, en particular si se ha eliminado uno de sus electrones de la capa interna, puede producirse un fenómeno conocido como efecto Auger en el que la cantidad de energía se transfiere a uno de los electrones ligados haciendo que pase al continuo. Esto permite ionizar un átomo de forma múltiple con un solo fotón.

Existen reglas de selección bastante estrictas en cuanto a las configuraciones electrónicas que pueden alcanzarse mediante la excitación por la luz, pero no existen tales reglas para la excitación por procesos de colisión.

Historia y evolución

La mayoría de los campos de la física pueden dividirse entre el trabajo teórico y el experimental, y la física atómica no es una excepción. Suele ocurrir, aunque no siempre, que el progreso va en ciclos alternos desde una observación experimental, pasando por una explicación teórica seguida de algunas predicciones que pueden o no ser confirmadas por el experimento, y así sucesivamente. Por supuesto, el estado actual de la tecnología en un momento dado puede imponer limitaciones a lo que se puede conseguir experimental y teóricamente, por lo que puede pasar mucho tiempo hasta que la teoría se perfeccione.

Uno de los primeros pasos hacia la física atómica fue el reconocimiento de que la materia estaba compuesta por átomos, en el sentido moderno de la unidad básica de un elemento químico. Esta teoría fue desarrollada 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 (en bloque) en una tabla periódica.

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 del átomo de Bohr y al nacimiento de la mecánica cuántica. Al tratar de explicar los espectros atómicos se reveló un modelo matemático de la materia totalmente nuevo. En lo que respecta a los átomos y sus capas de electrones, no sólo se obtuvo una mejor descripción general, el modelo orbital atómico, sino que también se proporcionó una nueva base teórica para la química (química cuántica) y la espectroscopia.

Desde la Segunda Guerra Mundial, tanto los campos teóricos como los experimentales han avanzado a gran velocidad. Esto puede atribuirse al progreso de la tecnología informática, que ha permitido elaborar modelos más amplios y sofisticados de la estructura atómica y los procesos de colisión asociados. Otros avances tecnológicos similares en materia de aceleradores, detectores, generación de campos magnéticos y láseres han contribuido en gran medida al trabajo experimental.

Físicos atómicos importantes

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