DieAtomphysik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich – im weiteren Sinne – mit dem Aufbau derAtome ausAtomkern undElektronenhülle befasst sowie mit deren Wechselwirkungen.
Im heutigen wissenschaftlichen Sprachgebrauch umfasst der Begriff meist nur noch die Untersuchung von Struktur und Reaktionsweisen der Atomhülle, während die Erforschung des Atomkerns – dieKernphysik – nicht mehr zur Atomphysik gerechnet wird. Umgangssprachlich und journalistisch wird die Kernphysik nach wie vor oft zur Atomphysik gerechnet[1] oder die beiden Disziplinen miteinander verwechselt.
Die Atomphysik untersucht dieAtomhülle und die in ihr ablaufenden Vorgänge, unter anderem die Verteilung der Elektronen auf diequantenmechanischen Energieniveaus. Damit beschreibt sie die beobachtetenSpektrallinien der Atome und den Aufbau desPeriodensystems der Elemente. Die Atomphysik behandelt die Wechselwirkung der Atome undIonen mit anderen Atomen oder Ionen – und somit die Formen derchemischen Bindung – sowie mit Festkörpern, mitelektromagnetischer Strahlung undTeilchenstrahlung, mitelektrischen undmagnetischen Feldern.
DieKernphysik entstand als Teilgebiet der Atomphysik und wurde bis etwa in die 1950er zu ihr gerechnet. Im heutigen Sprachgebrauch betrachtet die Atomphysik den Atomkern meist nur in seiner Funktion als Baustein des Atoms, während die davon unabhängige Kernphysik sich mit dem Atomkern selber, seinem Aufbau und seinen Reaktionen beschäftigt.
Die Idee, dass alle Materie aus kleinsten Teilchen, den Atomen, zusammengesetzt sei, ist bereits in derNaturphilosophie der Antike zu finden, etwa beiLeukipp und seinem SchülerDemokrit. Empirisch untermauert wurde sie aber erst im 19. Jahrhundert durch Untersuchungen vonJohn Dalton,Joseph Louis Gay-Lussac undLudwig Boltzmann. Mit der Entwicklung derSpektroskopie kam die Frage nach einer inneren Struktur und Dynamik der Atome auf. Diese führte schließlich zur Entwicklung derQuantenmechanik, da dieklassische Physik hier vollständig versagte.
Das wichtigste Forschungsgebiet der heutigen Atomphysik ist dieQuantenoptik. Häufig wird inzwischen nur noch dieser Begriff genannt, um die Verwechslungsgefahr der Atom- mit der Kernphysik zu vermeiden. Die Quantenoptik beschäftigt sich unter anderem mit Präzisionsmessungen atomarer Energieniveaus, woraus sichNaturkonstanten mit hoher Genauigkeit bestimmen und fundamentale Theorien testen lassen. Durch Untersuchungen anexotischen Atomen lassen sich Fragestellungen der Kern- undElementarteilchenphysik mit Methoden der Atomphysik angehen. Mit ultrakurzen Lichtpulsen versucht man die dynamischen Vorgänge in der Elektronenhülle direkt zu beobachten. InIonenfallen können einzelne ionisierte Atome über lange Zeit gefangen und mit höchster Präzision untersucht werden. Die Entwicklung derLaserkühlung und dermagneto-optischen Falle (MOT) haben Untersuchungen an ultrakalten Gasen undBose-Einstein-Kondensaten, aber auch an extrem seltenenIsotopen möglich gemacht.
Die Atomphysik hat eine Vielzahl von Anwendungen hervorgebracht, darunter denLaser oder dieAtomuhr. Untersuchungsmethoden, die ursprünglich für atomphysikalische Experimente entwickelt wurden, haben heute einen weit darüber hinausgehenden Anwendungsbereich gefunden, wie dieKernspinresonanz in dermedizinischen Bildgebung, die Absorptions- und Emissionsspektroskopie in derchemischen Analytik, oder diePhotoelektronenspektroskopie in derMaterialwissenschaft.
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Zur Geschichte der Atomphysik von 1919 bis 1965 sieheWerner Heisenberg:Der Teil und das Ganze: Gespräche im Umkreis der Atomphysik. Piper Verlag 2002 (8. Aufl.),ISBN 3492222978. Vgl. auchArnold Flammersfeld:Probleme der heutigen Atomphysik (=Göttinger Universitätsreden. Heft 34). Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen/Zürich 1962. Ebenfalls gibtSteven Weinberg eine historische Einführung in seinemFoundations of Modern Physics, dort Kapitel 1 – Early Atomic Theory. (ISBN 9781108894845)
- ↑Atomphysik – Alle Nachrichten und Informationen der F.A.Z. zum Thema. Frankfurter Allgemeine Zeitung, abgerufen am 21. September 2021.
