原子物理学

原子物理学总是考虑原子的孤立性。原子模型将由一个单一的原子核组成，该原子核可能被一个或多个束缚的电子包围。它不关注分子的形成（尽管许多物理学知识是相同的），也不研究处于固态的原子作为凝聚态的物质。它关注的是诸如电离和被光子激发或与原子粒子碰撞的过程。

虽然对孤立的原子进行建模似乎并不现实，但如果考虑到气体或等离子体中的原子，那么与一般考虑的原子过程相比，原子与原子之间的相互作用的时间尺度是巨大的。这意味着单个原子可以被看作是孤立的，因为绝大多数时候它们都是孤立的。通过这种考虑，原子物理学为等离子体物理学和大气物理学提供了基础理论，尽管两者都涉及非常多的原子。

电子在原子核周围形成名义上的壳。这些电子自然处于基态，但可以通过吸收光（光子）、磁场的能量或与碰撞粒子（通常是其他电子）的相互作用而被激发。

填充在一个壳中的电子被称为处于束缚状态。将一个电子从其外壳中移除（将其带到无限大）所需的能量被称为束缚能。根据能量守恒原理，电子吸收的任何数量的能量如果超过这个数量，就会转化为动能。原子被称为经历了电离的过程。

如果电子吸收的能量小于结合能，它将过渡到一个激发态。经过统计学上足够多的时间，处于激发态的电子将过渡到一个较低的状态。这两个能级之间的能量变化必须得到解释（能量守恒）。在一个中性原子中，该系统将发射出一个能量差的光子。然而，如果受激原子先前已被电离，特别是如果它的一个内壳电子已被移除，一个被称为奥格效应的现象可能会发生，其中能量的数量被转移到一个绑定的电子，导致它进入连续体。这使得人们可以用一个光子就能使一个原子多重电离。

对于通过光的激发可以达到的电子构型，有相当严格的选择规则--然而对于通过碰撞过程的激发却没有这样的规则。

物理学中的大多数领域都可以分为理论工作和实验工作，原子物理学也不例外。通常情况下，但并不总是这样，进展是交替循环的，从实验观察到理论解释，然后是一些可能被实验证实或不被证实的预测，等等。当然，任何时候的技术现状都会对实验和理论所能实现的东西造成限制，因此理论的完善可能需要相当长的时间。

走向原子物理学的最早步骤之一是承认物质是由原子组成的，即现代意义上的化学元素的基本单位。这一理论是由英国化学家和物理学家约翰-道尔顿在18世纪提出的。在这个阶段，虽然原子可以在周期表中按其特性（以体积计）进行描述和分类，但并不清楚原子是什么。

原子物理学的真正开端是以光谱线的发现和描述这一现象的尝试为标志的，最引人注目的是约瑟夫-冯-弗劳恩霍夫。对这些光谱线的研究导致了玻尔原子模型和量子力学的诞生。在寻求解释原子光谱的过程中，一种全新的物质数学模型被揭示出来。就原子及其电子壳而言，这不仅产生了一个更好的整体描述，即原子轨道模型，而且还为化学（量子化学）和光谱学提供了一个新的理论基础。

自第二次世界大战以来，理论和实验领域都在快速发展。这可以归功于计算技术的进步，它使得原子结构和相关碰撞过程的模型更大、更复杂。加速器、探测器、磁场生成和激光方面的类似技术进步也极大地帮助了实验工作。

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