Atomfysik

Atomfysik är den gren av fysiken som studerar atomer och deras samspel med ljus och elektromagnetiska fält. Fältet beskriver både atomens inre struktur—elektronskal och energinivåer, elektronernas spin samt kärnans egenskaper—och hur övergångar mellan olika tillstånd uppstår när atomer absorberar eller avger fotoner. Teorierna bygger på kvantmekanik och relativistiska effekter i tunga element samt på kvantelektrodynamik för precision.

Atomer består av en positivt laddad kärna av protoner och neutroner och ett elektronmoln runt kärnan. Elektronerna befinner sig i olika energinivåer, och övergångar mellan nivåer ger spektrum med karakteristiska linjer. Fine- och hyperfine-struktur uppkommer av kärnans magnetiska moment samt relativistiska och spinrelaterade interaktioner.

Interaktionen med ljus är central. Absorption och emission av fotoner ger information om energiöverföring och leder till spektroskopi. Precisionsexperiment inom atomfysik inkluderar laseravkylnings- och fångsttekniker i magnetooptiska fängelser, vilket möjliggör extremt låga temperaturer och kontroll av kvantstillstånd. Andra metoder inkluderar atomklockor och interferometri. Dessa tekniker ligger till grund för utvecklingen av atomur, metrologi, kvantteknik och kvantsensorer.

Användningar finns inom tidsbestämning (atomur), GPS-synkronisering, medicinsk bildteknik, spektroskopi och industriell processteknik. Inom forskning används atomfysik i kvantinformation, kvantdatorer och kvantsimuleringar, samt i studier av fundamentala konstanters värden och atomära processer i astrofysiska miljöer.

Historiskt växte fältet ur tidiga 1900-talets upptäckter av Bohr, Schrödinger och senare kvantelektrodynamik, lasersystem och många-kropps teorier. Fältet gränsar till kärnfysik, plasmafysik och materialvetenskap genom gemensamma metoder och mål.