Atomphysik

Was ist Atomphysik?

Die Atomphysik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich im weiteren Sinne mit dem Aufbau der Atome aus Atomkern und Elektronenhülle befasst sowie mit deren Wechselwirkungen.

Im heutigen wissenschaftlichen Sprachgebrauch umfasst der Begriff meist nur noch die Untersuchung von Struktur und Reaktionsweisen der Atomhülle. Die Erforschung des Atomkerns gehört dagegen zur Kernphysik und wird nicht mehr zur Atomphysik gezählt. Umgangssprachlich und journalistisch werden die beiden Disziplinen aber oft verwechselt oder die Kernphysik zur Atomphysik gerechnet.

Die Kernphysik entstand als Teilgebiet der Atomphysik und wurde bis etwa in die 1950er Jahre zu ihr gezählt.

Untersuchungsgegenstand der Atomphysik

Die Atomphysik untersucht die Atomhülle und die in ihr ablaufenden Vorgänge, zum Beispiel die Verteilung der Elektronen auf die quantenmechanischen Energieniveaus. Damit kann sie die beobachteten Spektrallinien der Atome und den Aufbau des Periodensystems der Elemente beschreiben.

Außerdem behandelt sie die Wechselwirkung von Atomen und Ionen mit anderen Atomen oder Ionen – daraus ergeben sich die Formen der chemischen Bindung – sowie mit Festkörpern, mit elektromagnetischer Strahlung und Teilchenstrahlung und mit elektrischen und magnetischen Feldern.

Die Atomphysik betrachtet den Atomkern meist nur in seiner Funktion als Baustein des Atoms. Die Kernphysik dagegen beschäftigt sich mit dem Atomkern selbst, seinem Aufbau und seinen Reaktionen.

Geschichte

Die Idee, dass alle Materie aus kleinsten Teilchen, den Atomen, zusammengesetzt ist, findet sich schon in der Naturphilosophie der Antike, etwa bei Leukipp und seinem Schüler Demokrit.

Empirisch untermauert wurde diese Idee aber erst im 19. Jahrhundert durch Untersuchungen von John Dalton, Joseph Louis Gay-Lussac und Ludwig Boltzmann. Mit der Entwicklung der Spektroskopie (der Analyse von Spektrallinien) stellte sich die Frage nach einer inneren Struktur und Dynamik der Atome. Diese Frage führte schließlich zur Entwicklung der Quantenmechanik, weil die klassische Physik hier vollständig versagte.

Moderne Atomphysik und Anwendungen

Das wichtigste Forschungsgebiet der heutigen Atomphysik ist die Quantenoptik. Häufig wird nur noch dieser Begriff genannt, um Verwechslungen mit der Kernphysik zu vermeiden.

Zentrale Themen der Quantenoptik sind unter anderem:

• Präzisionsmessungen atomarer Energieniveaus, mit denen sich Naturkonstanten sehr genau bestimmen und fundamentale Theorien testen lassen.
• Untersuchungen an exotischen Atomen, mit denen Fragestellungen der Kern- und Elementarteilchenphysik mit Methoden der Atomphysik angegangen werden.
• Ultrakurze Lichtpulse, mit denen man die dynamischen Vorgänge in der Elektronenhülle direkt beobachten möchte.
• Ionenfallen, in denen einzelne ionisierte Atome über lange Zeit gefangen und mit höchster Präzision untersucht werden können.
• Laserkühlung und die magneto-optische Falle (MOT), die Untersuchungen an ultrakalten Gasen, Bose-Einstein-Kondensaten und extrem seltenen Isotopen möglich gemacht haben.

Die Atomphysik hat viele Anwendungen hervorgebracht, zum Beispiel den Laser und die Atomuhr. Untersuchungsmethoden, die ursprünglich für atomphysikalische Experimente entwickelt wurden, werden heute weit darüber hinaus genutzt: die Kernspinresonanz in der medizinischen Bildgebung, die Absorptions- und Emissionsspektroskopie in der chemischen Analytik und die Photoelektronenspektroskopie in der Materialwissenschaft.