原子物理学

孤立した原子

原子物理学では、常に原子を分離して考えます。原子のモデルは、1つの原子核から成り、その周りを1つ以上の結合電子が取り囲んでいることがある。原子物理学は、分子の形成には関心がなく（物理学の多くは同じですが）、凝縮物質としての固体状態の原子についても検討しません。光子によるイオン化や励起、原子粒子の衝突などのプロセスを扱う。

原子を単体でモデル化することは現実的ではないかもしれませんが、ガスやプラズマ中の原子を考えると、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のプロセスに比べて非常に大きくなります。つまり、個々の原子はあたかも独立しているかのように扱うことができ、ほとんどの場合、独立しているのです。このように考えると、プラズマ物理学や大気物理学は、非常に多くの原子を扱うにもかかわらず、原子物理学が基礎理論となっています。

電子配置

電子は原子核の周りに概念上の殻を形成している。これらは本来、基底状態にあるが、光（光子）や磁場からエネルギーを吸収したり、衝突する粒子（通常は他の電子）と相互作用したりすることで励起される。

殻に入った電子は結合状態にあるという。電子を殻から外す（無限にする）ために必要なエネルギーを結合エネルギーという。この量を超えて電子が吸収したエネルギーは、エネルギー保存の法則に従って運動エネルギーに変換される。原子はイオン化の過程を経たと言われる。

電子が結合エネルギー以下のエネルギーを吸収した場合、電子は励起状態に遷移する。励起状態の電子は、統計的に十分な時間が経過すると、低い状態に遷移します。2つのエネルギー準位間のエネルギーの変化を説明しなければならない（エネルギーの保存）。中性原子では、このエネルギー差の光子が放出されます。しかし、励起された原子があらかじめイオン化されている場合、特に内殻電子が1個取り除かれている場合には、結合している電子の1個にエネルギー量が移動して連続体になるオージェ効果と呼ばれる現象が起こることがある。これにより、1つの光子で原子を多重イオン化することができる。

光による励起で到達できる電子配置には、かなり厳密な選択ルールがあるが、衝突プロセスによる励起にはそのようなルールはない。

歴史と展開

物理学の大部分の分野は、理論的な研究と実験的な研究に分けられますが、原子物理学も例外ではありません。通常は、実験的な観察から、理論的な説明、そして実験で確認されるかどうかわからない予測、といった具合に、交互に進歩していきますが、常にそうとは限りません。もちろん、その時々の技術の状況によって、実験的にも理論的にも達成できることには限界があるので、理論が洗練されるまでにはかなりの時間がかかることもあります。

原子物理学は、物質が原子で構成されているという認識から始まりました。これは、18世紀にイギリスの化学者・物理学者であるジョン・ダルトンが提唱した理論である。この段階では、原子が何であるかは明確ではなかったが、その性質（バルク）によって周期表に記載され、分類されていた。

原子物理学の真の始まりは、スペクトル線の発見と、その現象を説明しようとしたジョセフ・フォン・フラウンホーファーの試みにある。分光線の研究は、ボーアの原子モデルと量子力学の誕生につながりました。原子のスペクトルを説明するために、まったく新しい物質の数学的モデルが明らかになったのです。原子とその電子殻に関しては、原子軌道モデルという優れた全体的な記述が得られただけでなく、化学（量子化学）と分光学に新たな理論的基盤を提供した。

第二次世界大戦後、理論と実験の両分野が急速に進歩した。これは、コンピュータ技術の進歩により、原子構造とそれに伴う衝突プロセスのモデルがより大規模で洗練されたものになったことに起因しています。また、加速器、検出器、磁場発生装置、レーザーなどの技術が進歩したことも、実験の大きな助けとなっている。

重要な原子物理学者

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