Physique atomique

La physique atomique considère toujours les atomes de manière isolée. Les modèles atomiques seront constitués d'un seul noyau qui peut être entouré d'un ou de plusieurs électrons liés. Elle ne s'intéresse pas à la formation des molécules (bien qu'une grande partie de la physique soit identique), ni à l'examen des atomes à l'état solide en tant que matière condensée. Elle s'intéresse à des processus tels que l'ionisation et l'excitation par des photons ou les collisions avec des particules atomiques.

Bien que la modélisation des atomes isolément puisse sembler irréaliste, si l'on considère les atomes dans un gaz ou un plasma, les échelles de temps pour les interactions entre atomes sont énormes par rapport aux processus atomiques généralement considérés. Cela signifie que les différents atomes peuvent être traités comme si chacun d'entre eux était isolé, comme ils le sont la plupart du temps. Par cette considération, la physique atomique fournit la théorie sous-jacente de la physique des plasmas et de la physique de l'atmosphère, même si les deux traitent d'un très grand nombre d'atomes.

Les électrons forment des coquilles fictives autour du noyau. Ils sont naturellement à l'état de masse, mais peuvent être excités par l'absorption d'énergie de la lumière (photons), des champs magnétiques ou par l'interaction avec une particule en collision (généralement d'autres électrons).

On dit que les électrons qui peuplent une coquille sont dans un état lié. L'énergie nécessaire pour retirer un électron de sa coquille (l'amener à l'infini) est appelée l'énergie de liaison. Toute quantité d'énergie absorbée par l'électron en excès de cette quantité est convertie en énergie cinétique selon la conservation de l'énergie. On dit que l'atome a subi le processus d'ionisation.

Si l'électron absorbe une quantité d'énergie inférieure à l'énergie de liaison, il passera à un état excité. Après un laps de temps statistiquement suffisant, un électron à l'état excité passera à un état inférieur. Le changement d'énergie entre les deux niveaux d'énergie doit être pris en compte (conservation de l'énergie). Dans un atome neutre, le système émettra un photon de la différence d'énergie. Cependant, si l'atome excité a été préalablement ionisé, en particulier si l'un des électrons de sa coque interne a été retiré, un phénomène connu sous le nom d'effet Auger peut se produire lorsque la quantité d'énergie est transférée à l'un des électrons liés, ce qui l'amène à entrer dans le continuum. Cela permet de multiplier l'ionisation d'un atome avec un seul photon.

Il existe des règles de sélection assez strictes quant aux configurations électroniques pouvant être atteintes par l'excitation par la lumière - mais il n'existe pas de telles règles pour l'excitation par des processus de collision.

La majorité des domaines de la physique peuvent être divisés entre le travail théorique et le travail expérimental, et la physique atomique ne fait pas exception. Il arrive généralement, mais pas toujours, que les progrès se fassent par cycles alternés, depuis une observation expérimentale jusqu'à une explication théorique suivie de quelques prédictions qui peuvent ou non être confirmées par l'expérience, etc. Bien entendu, l'état actuel de la technologie à un moment donné peut limiter ce qui peut être réalisé expérimentalement et théoriquement, de sorte qu'il peut falloir un temps considérable pour affiner la théorie.

L'un des premiers pas vers la physique atomique a été la reconnaissance du fait que la matière était composée d'atomes, au sens moderne du terme, l'unité de base d'un élément chimique. Cette théorie a été développée par le chimiste et physicien britannique John Dalton au 18ème siècle. À ce stade, on ne savait pas exactement ce qu'étaient les atomes, bien qu'ils puissent être décrits et classés selon leurs propriétés (en vrac) dans un tableau périodique.

Le véritable début de la physique atomique est marqué par la découverte des raies spectrales et les tentatives de description du phénomène, notamment par Joseph von Fraunhofer. L'étude de ces raies a conduit au modèle de l'atome de Bohr et à la naissance de la mécanique quantique. En cherchant à expliquer les spectres atomiques, un tout nouveau modèle mathématique de la matière a été révélé. En ce qui concerne les atomes et leurs enveloppes électroniques, non seulement cela a permis une meilleure description globale, c'est-à-dire le modèle de l'orbite atomique, mais cela a également fourni une nouvelle base théorique pour la chimie (chimie quantique) et la spectroscopie.

Depuis la Seconde Guerre mondiale, les domaines théoriques et expérimentaux ont progressé à un rythme rapide. Cela peut être attribué aux progrès de la technologie informatique, qui a permis d'obtenir des modèles plus grands et plus sophistiqués de la structure atomique et des processus de collision associés. Des avancées technologiques similaires dans le domaine des accélérateurs, des détecteurs, de la génération de champs magnétiques et des lasers ont grandement facilité le travail expérimental.

• Physique des particules
• Changement d'orientation isomérique