原子物理学

原子物理学は、原子を電子と原子核の孤立したシステムとして研究する物理学の分野です。原子物理学は通常、原子構造と原子間の相互作用の研究を指します。^[1]主に、電子が原子核の周りでどのように配置されるか、およびこれらの配置が変化するプロセスに関係しています。これにはイオン、中性原子が含まれており、特に明記しない限り、原子という用語にはイオンが含まれると想定できます。

原子物理学という用語は、標準英語で「atomic」と「nuclear」が同義語として使用されていることから、原子力や核兵器と関連付けられることがあります。物理学者は、原子を原子核と電子からなるシステムとして扱う原子物理学と、核反応や原子核の特殊な性質 を研究する核物理学を区別しています。

多くの科学分野と同様に、厳密な区分は非常に不自然であり、原子物理学は、原子物理学、分子物理学、および光物理学のより広い文脈で考慮されることが多い。物理学の研究グループは通常、そのように分類される。

原子物理学では、主に原子を孤立して扱います。原子モデルは、1 つ以上の束縛電子に囲まれた単一の原子核で構成されます。分子の形成には関係しません(物理学の大部分は同じですが)。また、固体状態の原子を凝縮物質として調べることもありません。イオン化や光子による励起、または原子粒子との衝突 などのプロセスに関係します。

原子を孤立してモデル化することは現実的ではないように思えるかもしれませんが、ガスやプラズマ内の原子を考えると、原子間の相互作用の時間スケールは、一般的に考えられている原子プロセスと比較して非常に大きくなります。つまり、個々の原子は、ほとんどの場合孤立しているように扱うことができます。この考慮により、原子物理学は、どちらも非常に多数の原子を扱っているにもかかわらず、 プラズマ物理学と大気物理学の基礎理論を提供します。

電子は原子核の周りに概念的な殻を形成します。これらは通常基底状態にありますが、光 (光子) や磁場からのエネルギーの吸収、または衝突粒子 (通常はイオンまたは他の電子) との相互作用によって励起されることがあります。

殻に存在する電子は束縛状態にあると言われます。電子を殻から取り除く（無限に運ぶ）のに必要なエネルギーは、結合エネルギーと呼ばれます。電子がこの量を超えて吸収したエネルギーの量は、エネルギー保存則に従って運動エネルギーに変換されます。原子はイオン化の過程を経たと言われます。

電子が結合エネルギーより少ない量のエネルギーを吸収すると、励起状態に移行します。一定時間が経過すると、励起状態の電子はより低い状態に「ジャンプ」（遷移）します。中性原子では、エネルギーは保存されるため、システムはエネルギーの差の光子を放出します。

内側の電子が結合エネルギー以上を吸収すると（原子がイオン化する）、より外側の電子が遷移して内側の軌道を埋める場合があります。この場合、可視光子または特性 X 線が放出されるか、またはオージェ効果と呼ばれる現象が発生することがあります。この現象では、解放されたエネルギーが別の結合電子に伝達され、その電子が連続体に入ります。オージェ効果により、単一の光子で原子を多重イオン化できます。

光による励起によって到達できる電子配置に関しては かなり厳密な選択規則がありますが、衝突プロセスによる励起にはそのような規則はありません。

原子物理学への最も初期のステップの 1 つは、物質が原子で構成されているという認識でした。これは、デモクリトスのテキストや、カーナーダのヴァイシェシカ・スートラなど、紀元前 6 世紀から紀元前 2 世紀にかけて書かれたテキストの一部を形成しています。この理論は、後に 18 世紀にイギリスの化学者で物理学者のジョン・ドルトンによって、化学元素の基本単位という現代的な意味で発展しました。この段階では、原子が何であるかは明らかではありませんでしたが、原子は (全体として) 特性によって説明および分類できました。ドミトリ・メンデレーエフによる元素周期表の発明は、もう 1 つの大きな前進でした。

原子物理学の真の始まりは、スペクトル線の発見と、その現象を記述する試み、特にジョセフ・フォン・フラウンホーファーによる試みによって特徴づけられる。これらの線の研究はボーア原子モデルと量子力学の誕生につながった。原子スペクトルを説明しようとする中で、物質の全く新しい数学モデルが明らかになった。原子とその電子殻に関する限り、これはより優れた全体的な記述、すなわち原子軌道モデルをもたらしただけでなく、化学 （量子化学）と分光法の新しい理論的基礎も提供した。^[2]

第二次世界大戦以降、理論と実験の両分野が急速に進歩した。これは計算技術の進歩によるもので、計算技術によって原子構造やそれに伴う衝突過程のより大規模で洗練されたモデルが可能になった。^{[3] [4]}加速器、検出器、磁場発生、レーザー における同様の技術進歩も実験研究に大きく貢献した。

通常の量子力学で記述できるよく知られた現象の他に、 異なる記述を必要とする カオス過程^{[5]が発生する可能性がある。}

• 素粒子物理学
• 異性体シフト
• 原子論
• イオン化
• 量子力学
• 電子相関
• 量子化学
• 束縛状態

• ブランスデン、BH; ジョアチェイン、CJ (2002)。原子と分子の物理学（第2版）。プレンティスホール。ISBN 978-0-582-35692-4。
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ウィキメディア・コモンズには、原子物理学に関連するメディアがあります。

• MIT-ハーバード超低温原子センター
• スタンフォード大学量子科学・工学イニシアティブQFARM
• メリーランド大学とNISTの共同量子研究所
• インターネット上の原子物理学
• JILA（原子物理学）
• ORNL物理学部門