(Fr.: physique atomique; Du.: Atomphysik; Eng.: atomic physics), deel van de natuurkunde dat zich bezighoudt met het onderzoek naar de bouw en het gedrag van atomen waarbij in het algemeen de structuur en eigenschappen van de atoomkern slechts in de beschouwingen worden meegenomen, voor zover het de wisselwerking met de atomaire elektronen betreft.
Het idee dat de materie is opgebouwd uit afzonderlijke deeltjes is al zeer oud: het begrip atoom stamt uit het oude Griekenland. De speculatieve basis waarop de voorstelling van de opbouw der materie berustte, werd in de loop van de 19de eeuw vervangen door een fundament dat steeds meer werd samengesteld uit waarnemingen en experimenten. In het bijzonder in de chemie (wetten van Dalton, wet van Avogadro, Periodiek systeem van Mendelejev) en iets later ook in de fysica (wetten van Faraday betreffende elektrolyse, de kinetische gastheorie) bleek het model van een discrete opbouw der materie in staat een aantal verschijnselen op vrij eenvoudige wijze te beschrijven.
De voorstelling die men had van atomen was in eerste instantie zeer vaag. Zo werkte men in de kinetische gastheorie aanvankelijk met ‘harde bolletjes’, met afmetingen die in eerste orde te verwaarlozen waren en die zich pas bij veel preciezere beschouwing (toestandsvergelijking van Van der Waals) manifesteerden. Lange tijd zijn de aanwijzingen voor het bestaan van atomen van indirecte aard geweest, hoewel Einstein liet zien dat het reeds lang bekende verschijnsel van de zgn. brownbeweging een directe afspiegeling was van de chaotische bewegingstoestand van submicroscopische deeltjes. E.W. Müller slaagde er in 1951 in om met behulp van veldmicroscopie de atomen van een uiterst scherpe wolfraamnaald te ‘fotograferen’.
In de tussenliggende tijd was de kennis omtrent de bouw der materie zeer sterk toegenomen. Reeds snel bleek dat atomen wanneer ze wat hardhandiger worden aangepakt dan bijv. in de chemie gebruikelijk is, minder ondeelbaar waren dan hun naam suggereerde. Een groot aantal experimenten resulteerde in een model (zie Atoommodel), waarin men het atoom beschreef als een uiterst klein conglomeraat van positieve en negatieve elektrische ladingen dat als geheel neutraal is, een beeld dat zich later verdichtte tot een positief geladen uiterst kleine, harde en zware kern met daaromheen een wolk negatief geladen deeltjes (elektronen). Lange tijd bleef de kern een voor experimentele technieken onaantastbare eenheid, hoewel uit radioactieve verschijnselen bekend was dat ook op dit niveau zich allerlei processen kunnen voordoen die wijzen op een samengestelde aard. Toen men er tenslotte in slaagde de atoomkernen open te breken, bleek dat de hiervoor benodigde technieken, experimenteel zowel als theoretisch, zodanig verschillen van dat wat men bij het onderzoek naar de elektronenwolken gewend was, dat een nieuw onderdeel van de natuurkunde, de kernfysica, hierin een natuurlijke grondslag vond.
De atoomfysica bepaalt zich dus vrijwel uitsluitend tot het elektronensysteem van een atoom. De rol van de kern wordt daarbij gereduceerd tot een centrum van positieve lading, in het veld, waarvan de elektronen bewegen. Dit ladingscentrum valt vrijwel samen met het massacentrum (zwaartepunt) van een atoom wegens het grote massaverschil tussen kern en elektronen (voor waterstof 1836: 1, voor uranium ca. 445.000 : 1). Behalve als centrum van coulombaantrekking, oefent de kern ook nog (hoewel zeer veel minder en meestal te verwaarlozen) invloed uit op de bewegingstoestand der elektronen ten gevolge van het feit dat hij om zijn eigen as tolt (kernspin). Dit geeft in spectra aanleiding tot de zgn. hyperfijnsplitsing van spectraallijnen.
In een aantal gevallen heeft men te maken met kernen, die niet stabiel zijn. De kernprocessen, die hierdoor kunnen optreden en die een overgang naar stabielere configuraties inhouden, hebben vaak een ingrijpende uitwerking op het atomaire elektronensysteem. Te noemen zijn o.a. interne conversie, K-vangst en de reorganisatie van de elektronenwolk, wanneer de ladingstoestand van de kern snel verandert (voorts zie Kernfysica). Het gebied waarbinnen de atoomfysica zich beweegt, vindt anderzijds een begrenzing daar waar men systemen van meer atomen bestudeert die onderling gebonden zijn, zoals in de molecuulfysica, de vaste-stoffysica en in zekere zin de plasmafysica. Ze brengt in deze onderdelen der natuurkunde overigens wel een groot aantal basisideeën in.
Atoomfysica en quantummechanica.
In een zeer korte periode aan het begin van deze eeuw bleken een aantal algemeen geaccepteerde en onaantastbaar lijkende voorstellingswijzen uit de natuurkunde van de vorige eeuw de kritiek van het experiment niet te kunnen doorstaan. Elektromagnetische straling, tot dan toe op gezag van Maxwell, Fresnel en anderen beschouwd als een verschijnsel dat continu is in ruimte en tijd, gaf naast typische golfverschijnselen, zoals buiging en interferentie, aanleiding tot processen die alleen begrepen konden worden wanneer ook deeltjeseigenschappen mochten worden aangenomen (stralingswet van Planck, foto-elektrisch effect). Evenzo bleek dat wat men ooit als bestaande uit deeltjes had opgevat, zoals een bundel elektronen, zich onder bepaalde omstandigheden gedroeg als een golfverschijnsel (buiging van elektronen aan kristallen, analoog aan röntgendiffractie). Dit gespleten, in de zin der klassieke mechanica zelfs paradoxale, karakter der natuur, door Niels Bohr met complementair aangeduid, vond in de quantummechanica een exacte formulering.
Gezien de bovengenoemde uitgangspunten, zal het niet verbazen dat het menselijk voorstellingsvermogen te kort schiet om hier de theorie te visualiseren. Men moet zich hierbij neerleggen, bedenkend dat de beschreven processen zich afspelen in een schaal (in ruimte en tijd), die volkomen verschilt van die welke maatgevend is voor onze dagelijkse ervaringswereld. De enige leidraad is de uitkomst van het experiment. Dit experiment nu vormt een wezenlijk onderdeel van de quantummechanische beschouwingswijze. Waar men in de klassieke natuurkunde de verstoring van de bewegingstoestand van een lichaam ten gevolge van een meting ofwel kan verwaarlozen, ofwel zeer precies in rekening kan brengen, is dit bij de bestudering van atomaire systemen niet meer mogelijk.
Hierdoor wordt een absolute grens aan de fijnheid van observatie gesteld en kan men in absolute zin spreken van grote en kleine objecten. Een in deze zin klein object kan niet worden waargenomen zonder een ernstige verstoring aan te brengen in de bewegingstoestand. Men kan nu niet meer verwachten dat er een causaal verband zal bestaan tussen de resultaten van verschillende waarnemingen; de causaliteit wordt nog wel aangenomen te bestaan voor systemen, die aan zichzelf worden overgelaten. Hun gedrag in de tijd wordt door differentiaalvergelijkingen beschreven, waarvan de bekendste de schrödingervergelijking is (tevens zie Quantummechanica; Quantumstatistiek; Atoommodel). Deze vergelijkingen zijn echter alleen indirect gerelateerd aan waarnemingsresultaten. De theorie staat slechts toe waarschijnlijkheidsuitspraken te doen over de uitkomst van bepaalde experimenten. Deze onontkoombare vaagheid spreekt zeer direct uit de onzekerheidsrelaties van Heisenberg.
Inzicht in bouw en eigenschappen van atomen en de constatering dat op dit moment alleen de methoden van de quantummechanica voor een correcte beschrijving zorgen, zijn tot stand gekomen na zeer intensieve (en nog steeds voortdurende) experimentele inspanning. Belangrijke informatie wordt verkregen uit de bestudering van de wisselwerking tussen atomen en fotonen, atomen en elektronen, en atomen onderling. Belangrijk experimentele grootheden zijn de differentiële en totale werkzame doorsneden voor allerlei processen. Atomen blijken in hun gedrag beïnvloed te kunnen worden door ze in elektrische (starkeffect) en magnetische (zeemaneffect) velden te plaatsen. De structuur der atomen wordt bepaald door bepaalde relaties tussen de zgn. quantumgetallen, door het pauliprincipe dat direct samenhangt met de ononderscheidbaarheid der elektronen (een typisch begrip uit de quantummechanica), en wordt vaak beschreven in termen van het zgn. opbouwprincipe, waarmee het Periodiek systeem der elementen vrijwel volledig kan worden beschreven. In dit verband kan ook de regel van Hund genoemd worden.
De elektronenstructuur van een atoom wordt vaak gegeven in de vorm van de elektronenconfiguratie. Door het toepassen van bepaalde koppelingschema’s die direct samenhangen met de wijze waarop de elektronen elkaar beïnvloeden, kan daaruit het termtype van de totale atomaire toestand worden bepaald. Voor de absorptie- en emissie-eigenschappen der atomen zijn de zgn. selectieregels van belang.