ฟิสิกส์อะตอมเป็นสาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาอะตอมในฐานะระบบแยกเดี่ยวของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของอะตอมฟิสิกส์อะตอมโดยทั่วไปหมายถึงการศึกษาโครงสร้างของอะตอมและปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม^{[ 1 ]}โดยหลักแล้วจะเกี่ยวข้องกับวิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและกระบวนการที่การจัดเรียงเหล่านี้เปลี่ยนแปลง ซึ่งรวมถึงไอออนอะตอมที่เป็นกลาง และเว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น สามารถสันนิษฐานได้ว่าคำว่าอะตอมรวมถึงไอออนด้วย

คำว่าฟิสิกส์อะตอมมักเกี่ยวข้องกับพลังงานนิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์เนื่องจากคำว่าอะตอมและนิวเคลียร์มีความหมายเหมือนกันในภาษาอังกฤษมาตรฐานนักฟิสิกส์แยกความแตกต่างระหว่างฟิสิกส์อะตอม ซึ่งศึกษาอะตอมในฐานะระบบที่ประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน และฟิสิกส์นิวเคลียร์ซึ่งศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์และคุณสมบัติพิเศษของนิวเคลียสอะตอม

เช่นเดียวกับสาขาวิทยาศาสตร์หลายสาขา การแบ่งขอบเขตอย่างเคร่งครัดอาจทำได้ยาก และฟิสิกส์อะตอมมักถูกพิจารณาในบริบทที่กว้างกว่าของฟิสิกส์อะตอม ฟิสิกส์โมเลกุล และฟิสิกส์เชิงแสงดังนั้น กลุ่มวิจัยฟิสิกส์อะตอมจึงมักถูกจัดประเภทเช่นนั้น

ฟิสิกส์อะตอมส่วนใหญ่พิจารณาอะตอมในสภาวะโดดเดี่ยว แบบจำลองอะตอมจะประกอบด้วยนิวเคลียสเพียงหนึ่งเดียวซึ่งอาจล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น ฟิสิกส์อะตอมไม่ได้เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของโมเลกุล (แม้ว่าหลักฟิสิกส์ส่วนใหญ่จะเหมือนกัน) และไม่ได้ตรวจสอบอะตอมในสถานะของแข็งใน ฐานะ สสารควบแน่น ฟิสิกส์อะตอมสนใจกระบวนการต่างๆ เช่นการแตกตัวเป็นไอออนและการกระตุ้นโดยโฟตอนหรือการชนกับอนุภาคอะตอม

ถึงแม้ว่าการจำลองอะตอมแบบแยกเดี่ยวอาจดูไม่สมจริง แต่หากพิจารณาอะตอมในแก๊สหรือพลาสมาแล้ว ช่วงเวลาของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมจะยาวนานมากเมื่อเทียบกับกระบวนการอะตอมที่โดยทั่วไปพิจารณา นั่นหมายความว่าเราสามารถปฏิบัติต่ออะตอมแต่ละตัวราวกับว่าพวกมันอยู่โดดเดี่ยว ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในกรณีส่วนใหญ่ ด้วยเหตุนี้ ฟิสิกส์อะตอมจึงเป็นทฤษฎีพื้นฐานในฟิสิกส์พลาสมาและฟิสิกส์บรรยากาศแม้ว่าทั้งสองสาขาจะเกี่ยวข้องกับอะตอมจำนวนมากก็ตาม

อิเล็กตรอนก่อตัวเป็นชั้น สมมติ รอบนิวเคลียส โดยปกติอิเล็กตรอนเหล่านี้จะอยู่ในสถานะพื้นฐานแต่สามารถถูกกระตุ้นได้โดยการดูดซับพลังงานจากแสง ( โฟตอน ) สนามแม่เหล็กหรือการปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคที่ชนกัน (โดยทั่วไปคือไอออนหรืออิเล็กตรอนอื่น ๆ)

อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรหนึ่งๆ เรียกว่าอยู่ในสถานะผูกพันพลังงานที่จำเป็นในการดึงอิเล็กตรอนออกจากวงโคจร (ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปยังอนันต์) เรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวพลังงานใดๆ ที่อิเล็กตรอนดูดซับเกินกว่าปริมาณนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ตามหลักการอนุรักษ์พลังงานอะตอมนั้นจึงเรียกว่าได้ผ่านกระบวนการแตกตัวเป็นไอออน

หากอิเล็กตรอนดูดซับพลังงานในปริมาณที่น้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยว มันจะถูกถ่ายโอนไปยังสถานะกระตุ้นหลังจากนั้นระยะเวลาหนึ่ง อิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นจะ "กระโดด" (เกิดการเปลี่ยนสถานะ) ไปสู่สถานะที่ต่ำกว่า ในอะตอมที่เป็นกลาง ระบบจะปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับส่วนต่าง เนื่องจากพลังงานถูกอนุรักษ์ไว้

หากอิเล็กตรอนภายในดูดซับพลังงานมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยว (จนทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออน) อิเล็กตรอนภายนอกอาจเกิดการเปลี่ยนสถานะเพื่อเข้าไปเติมเต็มวงโคจรภายใน ในกรณีนี้ จะมีการปล่อยโฟตอนที่มองเห็นได้หรือรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะออกมา หรืออาจเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์ออเกอร์ซึ่งพลังงานที่ปล่อยออกมาจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนที่ถูกยึดเหนี่ยวอีกตัวหนึ่ง ทำให้มันเคลื่อนที่เข้าไปในสสารต่อเนื่อง ปรากฏการณ์ออเกอร์ทำให้สามารถแตกตัวเป็นไอออนหลายตัวในอะตอมเดียวได้ด้วยโฟตอนเพียงตัวเดียว

มีกฎเกณฑ์การคัดเลือก ที่ค่อนข้างเข้มงวด สำหรับโครงสร้างอิเล็กตรอนที่สามารถเกิดขึ้นได้จากการกระตุ้นด้วยแสง แต่ไม่มีกฎเกณฑ์ดังกล่าวสำหรับการกระตุ้นด้วยกระบวนการชนกัน

แบบจำลองของบอร์ ซึ่งเสนอโดยนีลส์ บอร์ ในปี ค.ศ. 1913เป็นทฤษฎีปฏิวัติวงการที่อธิบายโครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจน แบบจำลองนี้ได้นำเสนอแนวคิดเรื่องวงโคจรแบบควอนตัมสำหรับอิเล็กตรอน โดยผสมผสานฟิสิกส์คลาสสิกและฟิสิกส์ควอนตัมเข้าด้วยกัน

หลักการสำคัญของแบบจำลองของบอร์

1. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรเป็นวงกลม
   • อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสในเส้นทางวงกลมคงที่ ซึ่งเรียกว่าวงโคจรหรือระดับพลังงาน
   • วงโคจรเหล่านี้มีเสถียรภาพและไม่แผ่รังสีพลังงานออกมา
2. การควอนตัมของโมเมนตัมเชิงมุม:
   • โมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนมีค่าเป็นควอนตัมและกำหนดโดย: โดยที่: $${\displaystyle \ L=m_{\text{e}}vr=n\hbar ,\quad n=1,2,3,\ldots }$$

     ${\displaystyle m_{\text{e}}}$มวลอิเล็กตรอน

     ${\displaystyle v}$: ความเร็วของอิเล็กตรอน

     ${\displaystyle r}$รัศมีของวงโคจร

     ${\displaystyle \hbar }$: ค่าคงที่ของพลังค์ที่ลดลง ( )${\displaystyle \hbar ={h}/{2\pi }}$

     ${\displaystyle n}$: เลขควอนตัมหลัก ซึ่งแสดงถึงวงโคจร

3. ระดับพลังงาน
   • แต่ละวงโคจรมีพลังงานเฉพาะตัว พลังงานรวมของอิเล็กตรอนในวงโคจรที่ th คือ: โดยที่ คือพลังงานสถานะพื้นฐานของอะตอมไฮโดรเจน${\displaystyle n}$$${\displaystyle \ E_{n}=-{\frac {\mathrm {13.6~eV} }{n^{2}}},}$$${\displaystyle \mathrm {13.6~eV} }$
4. การปล่อยหรือการดูดซับพลังงาน
   • อิเล็กตรอนสามารถเปลี่ยนสถานะระหว่างวงโคจรได้โดยการดูดซับหรือปล่อยพลังงานที่เท่ากับผลต่างระหว่างระดับพลังงานโดยที่: $${\displaystyle \Delta E=E_{\text{f}}-E_{\text{i}}=h\nu ,}$$

     ${\displaystyle h}$: ค่าคงที่ของพลังค์

     ${\displaystyle \nu }$: ความถี่ของรังสีที่ปล่อยออกมา/ดูดซับ

     ${\displaystyle E_{\text{f}},E_{\text{i}}}$ระดับพลังงานสุดท้ายและระดับพลังงานเริ่มต้น

หนึ่งในขั้นตอนแรกสุดของฟิสิกส์อะตอมคือการยอมรับว่าสสารประกอบด้วยอะตอมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของตำราที่เขียนขึ้นในช่วงศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสต์ศักราชถึงศตวรรษที่ 2 ก่อนคริสต์ศักราช เช่น ตำราของเดโมคริตุสหรือไวเศสิกะสูตรที่เขียนโดยกษณทะ [ ^{2 ] [ 3 ] ทฤษฎี}นี้ได้รับการพัฒนาในภายหลังในความหมายสมัยใหม่ของหน่วยพื้นฐานของธาตุทางเคมี โดย จอห์น ดาลตันนักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษในศตวรรษที่ 18 ^{[ 4 ]}ในขั้นตอนนี้ ยังไม่ชัดเจนว่าอะตอมคืออะไร แม้ว่าจะสามารถอธิบายและจำแนกประเภทตามคุณสมบัติของมันได้ (ในปริมาณมาก) การคิดค้นระบบตารางธาตุโดยดมิทรี เมนเดเลฟถือเป็นอีกก้าวสำคัญ

จุดเริ่มต้นที่แท้จริงของฟิสิกส์อะตอมถูกกำหนดโดยการค้นพบเส้นสเปกตรัมและความพยายามที่จะอธิบายปรากฏการณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยโจเซฟ ฟอน ฟราวน์โฮเฟอร์ [ ^{5 ] การ}ศึกษาเส้นเหล่านี้ทำให้เกิดแบบจำลองอะตอมของบอร์และกำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมในการพยายามอธิบายสเปกตรัมของอะตอม แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของสสารแบบใหม่ทั้งหมดได้ถูกเปิดเผย สำหรับอะตอมและเปลือกอิเล็กตรอนของพวกมัน ไม่เพียงแต่จะให้คำอธิบายโดยรวมที่ดีขึ้น เช่นแบบจำลองวงโคจรอะตอมแต่ยังให้พื้นฐานทางทฤษฎีใหม่สำหรับเคมี ( เคมีควอนตัม ) และสเปกโทรสโกปี อีกด้วย ^{[ 6 ]}

นับตั้งแต่สงครามโลกครั้งที่สองเป็นต้นมา ทั้งสาขาทฤษฎีและสาขาการทดลองได้ก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจเป็นผลมาจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการคำนวณที่ทำให้สามารถสร้างแบบจำลองโครงสร้างอะตอมและกระบวนการชนกันที่ใหญ่ขึ้นและซับซ้อนขึ้นได้^{[ 7 ] [ 8 ]}ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกันในด้านเครื่องเร่งอนุภาคเครื่องตรวจจับ การสร้างสนามแม่เหล็ก และเลเซอร์ได้ช่วยเหลืองานทดลองเป็นอย่างมาก

นอกเหนือจากปรากฏการณ์ที่รู้จักกันดีซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยกลศาสตร์ควอนตัมปกติ กระบวนการโกลาหล^{[ 9 ]}อาจเกิดขึ้นได้ซึ่งต้องการคำอธิบายที่แตกต่างกัน

• ฟิสิกส์อนุภาค
• การเลื่อนไอโซเมอร์
• อะตอมนิยม
• การแตกตัวเป็นไอออน
• กลศาสตร์ควอนตัม
• ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน
• เคมีควอนตัม
• สถานะผูกพัน

• วิล เรเวน (2025). ฟิสิกส์อะตอมสำหรับทุกคน . สปริงเกอร์ เนเจอร์ . doi : 10.1007/978-3-031-69507-0 . ISBN 978-3-031-69507-0.
• Sommerfeld, A. (1923) โครงสร้างอะตอมและเส้นสเปกตรัม (แปลจากภาษาเยอรมัน "Atombau und Spektrallinien" 1921), สำนักพิมพ์ Dutton
• ฟุต, ซี.เจ. (2004). ฟิสิกส์อะตอม . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด. ISBN 978-0-19-850696-6.
• Smirnov, BE (2003) ฟิสิกส์ของอะตอมและไอออนสปริงเกอร์ISBN 0-387-95550-X.
• Szász, L. (1992) โครงสร้างอิเล็กตรอนของอะตอม, John Willey & Sons. ISBN 0-471-54280-6.
• เฮิร์ซเบิร์ก, เกอร์ฮาร์ด (1979) [1945]. สเปกตรัมอะตอมและโครงสร้างอะตอมนิวยอร์ก: โดเวอร์ISBN 978-0-486-60115-1.
• Bethe, HA & Salpeter EE (1957) กลศาสตร์ควอนตัมของอะตอมอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและสองตัวสปริงเกอร์
• บอร์น, เอ็ม. (1937) ฟิสิกส์อะตอม.แบล็กกี้ แอนด์ ซัน จำกัด.
• Cox, PA (1996) บทนำสู่ทฤษฎีควอนตัมและสเปกตรัมอะตอมสำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ISBN 978-0-19-855916-0
• Condon, EU & Shortley, GH (1935). ทฤษฎีสเปกตรัมอะตอม . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 978-0-521-09209-8.{{cite book}}:ปัญหาความไม่เข้ากันของหมายเลข ISBN / วันที่ ( ขอความช่วยเหลือ )
• โคแวน, โรเบิร์ต ดี. (1981). ทฤษฎีโครงสร้างอะตอมและสเปกตรัม . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย. ISBN 978-0-520-03821-9.
• ลินด์เกรน, ไอ. และ มอร์ริสัน, เจ. (1986). ทฤษฎีอะตอมหลายอนุภาค (ฉบับที่สอง). สปริงเกอร์-เวอร์แลก. ISBN 978-0-387-16649-0.

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์อะตอม

• ศูนย์อะตอมเย็นยิ่งยวด MIT-Harvard
• โครงการริเริ่ม QFARM ของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดเพื่อวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมควอนตัม
• สถาบันควอนตัมร่วมแห่งมหาวิทยาลัยแมริแลนด์และ NIST
• ฟิสิกส์อะตอมบนอินเทอร์เน็ต
• JILA (ฟิสิกส์อะตอม)
• แผนกฟิสิกส์ ORNL