La física atómica es el campo de la física que estudia los átomos como un sistema aislado de electrones y un núcleo atómico . La física atómica generalmente se refiere al estudio de la estructura atómica y la interacción entre átomos. [1] Se ocupa principalmente de la forma en que los electrones se organizan alrededor del núcleo y los procesos por los cuales estas disposiciones cambian. Esto incluye iones , átomos neutros y, a menos que se indique lo contrario, se puede asumir que el término átomo incluye iones.
El término física atómica puede asociarse con la energía nuclear y las armas nucleares , debido al uso sinónimo de atómico y nuclear en el inglés estándar . Los físicos distinguen entre física atómica, que estudia el átomo como un sistema formado por un núcleo y electrones, y física nuclear , que estudia las reacciones nucleares y las propiedades especiales de los núcleos atómicos.
Como sucede con muchos campos científicos, la delimitación estricta puede ser muy artificial y la física atómica suele considerarse en el contexto más amplio de la física atómica, molecular y óptica . Los grupos de investigación en física suelen clasificarse de esta manera.
La física atómica considera principalmente los átomos de forma aislada. Los modelos atómicos consistirán en un solo núcleo que puede estar rodeado por uno o más 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 modelar átomos de forma aislada puede no parecer realista, si se consideran los átomos en un gas o plasma , las escalas de tiempo para las interacciones átomo-átomo son enormes en comparación con los procesos atómicos que generalmente se consideran. Esto significa que los átomos individuales pueden tratarse como si cada uno estuviera aislado, como lo están la gran mayoría de las veces. Con esta consideración, la física atómica proporciona la teoría subyacente en la física del plasma y la física atmosférica , aunque ambas tratan con cantidades muy grandes de átomos.
Los electrones forman capas teóricas alrededor del núcleo. Normalmente se encuentran en un estado fundamental , pero pueden excitarse mediante la absorción de energía de la luz ( fotones ), campos magnéticos o interacción con una partícula que colisiona (normalmente iones u otros electrones).
Se dice que los electrones que pueblan una capa están en estado ligado . La energía necesaria para sacar un electrón de su capa (llevándolo al infinito) se llama energía de enlace . Cualquier cantidad de energía absorbida por el electrón que exceda esta cantidad se convierte en energía cinética de acuerdo con la conservación de la energía . Se dice que el átomo ha experimentado el proceso de ionización.
Si el electrón absorbe una cantidad de energía menor que la energía de enlace, pasará a un estado excitado. Después de un cierto tiempo, el electrón en estado excitado "saltará" (sufrirá una transición) a un estado inferior. En un átomo neutro, el sistema emitirá un fotón de la diferencia de energía, ya que la energía se conserva.
Si un electrón interno ha absorbido más energía que la de enlace (de modo que el átomo se ioniza), entonces un electrón más externo puede experimentar una transición para llenar el orbital interno. En este caso, se emite un fotón visible o un rayo X característico , o puede tener lugar un fenómeno conocido como efecto Auger , donde la energía liberada se transfiere a otro electrón enlazado, haciendo que entre en el continuo. El efecto Auger permite ionizar de forma múltiple un átomo con un solo fotón.
Existen reglas de selección bastante estrictas en cuanto a las configuraciones electrónicas que se pueden alcanzar mediante la excitación por luz; sin embargo, no existen reglas similares para los procesos de excitación por colisión.
Uno de los primeros pasos hacia la física atómica fue el reconocimiento de que la materia estaba compuesta de átomos . Forma parte de los textos escritos entre el siglo VI a. C. y el siglo II a. C., como los de Demócrito o el Vaiśeṣika Sūtra escrito por Kaṇāda . Esta teoría fue desarrollada más tarde en el sentido moderno de la unidad básica de un elemento químico 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 conjunto). La invención del sistema periódico de elementos por Dmitri Mendeléyev fue otro gran paso adelante.
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 atómico de Bohr y al nacimiento de la mecánica cuántica . Al intentar explicar los espectros atómicos, se reveló un modelo matemático completamente nuevo de la materia. En lo que respecta a los átomos y sus capas electrónicas, esto no solo produjo una mejor descripción general, es decir, el modelo orbital atómico , sino que también 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 un ritmo rápido. Esto se puede atribuir al progreso en la tecnología informática, que ha permitido modelos más grandes y sofisticados de la estructura atómica y los procesos de colisión asociados. Avances tecnológicos similares en aceleradores, detectores, generación de campos magnéticos y láseres han ayudado enormemente al trabajo experimental.
