fìsica atòmica

fìsica atòmica Settore della fisica che si occupa dello studio dell'atomo, e precisamente della sua struttura, dei suoi costituenti e dei processi mediante i quali gli atomi interagiscono con altri atomi, con la radiazione elettromagnetica e, genericamente, con altre particelle. Nel corso degli ultimi decenni, grazie all'avvento di metodologie innovative, la disciplina ha registrato sostanziali avanzamenti.

Abstract di approfondimento da Fisica atomica di Massimo Inguscio e Guglielmo M. Tino (Enciclopedia della Scienza e della Tecnica)

La fisica atomica è stata rivoluzionata, negli ultimi anni, da nuovi metodi per il controllo della velocità e della posizione degli atomi e il raffreddamento di gas atomici fino a temperature prossime allo zero assoluto. In un gas, gli atomi si muovono in tutte le direzioni con velocità che dipendono dalla temperatura. A temperatura ambiente, la velocità degli atomi è 102÷103 m/s, a seconda della massa atomica. In molti esperimenti, è necessario avere atomi con velocità molto basse ed elevate densità, senza che ciò vari le loro proprietà intrinseche. Il metodo di raffreddamento basato sulle collisioni degli atomi con le pareti di un contenitore freddo è limitato a temperature al di sopra di quella di condensazione del gas, mentre tecniche di raffreddamento, in cui si fanno interagire gli atomi con la radiazione emessa da un laser, consentono di raggiungere temperature estremamente basse, fino a 10-6 K: le proprietà di coerenza permettono di considerare la radiazione laser un sistema a bassissima temperatura, così da diminuire l’energia cinetica degli atomi, trasferendola in parte al campo elettromagnetico. Con tali tecniche, gli atomi raffreddati possono essere confinati in trappole, delimitate non da pareti materiali, ma da campi elettromagnetici. Si può quindi disporre di campioni atomici con velocità molto basse e densità elevate, ideali per esperimenti di spettroscopia ad alta risoluzione, di fisica delle collisioni e di ottica atomica.

In spettroscopia ad altissima risoluzione, l’utilizzo di atomi raffreddati consente di ridurre drasticamente le cause di allargamento delle righe atomiche, fino al limite della loro larghezza naturale. Una possibile applicazione è data dallo sviluppo di orologi atomici usati come campioni di tempo e frequenza. In diversi laboratori, si sta lavorando al raffreddamento e intrappolamento di atomi neutri o ioni e allo studio delle configurazioni più adatte a eliminare gli effetti che possono limitare la misura della frequenza delle transizioni ottiche. Per la misura diretta della frequenza delle transizioni atomiche, John L. Hall e Theodor W. Hänsch ebbero nel 2005 il premio Nobel per la fisica.

Le tecniche di raffreddamento e intrappolamento laser hanno consentito anche lo sviluppo di un’ottica atomica con gli atomi al posto dei fotoni. Dispositivi analoghi a quelli dell’ottica tradizionale (specchi, lenti e separatori di fascio) hanno permesso di compiere esperimenti di interferometria atomica, per es., analoghi all’esperimento di Young, con osservazione di frange di interferenza dovute al passaggio degli atomi in una doppia fenditura.

Sviluppando le tecniche di raffreddamento si è giunti, in anni recenti, all’osservazione diretta della condensazione di Bose-Einstein, un fenomeno previsto da Einstein nel 1924 e ottenuto per la prima volta nel 1995. Sviluppi delle stesse tecniche di raffreddamento hanno consentito di ottenere anche gas quantistici di fermioni e miscele ultrafredde di specie atomiche diverse.

Con le bassissime temperature a cui si possono produrre campioni atomici si può anche investigare la fisica delle collisioni in regimi inesplorati, poiché la lunghezza d’onda di de Broglie degli atomi diventa confrontabile con le loro distanze di interazione. Interessanti prospettive aperte dall’intrappolamento di atomi su tempi lunghi nascono, infine, dallo studio di campioni radioattivi o di antimateria per la verifica di teorie fondamentali e di leggi di simmetria.