Атомная, молекулярная и оптическая физика

Исследование взаимодействия материи и света в малых масштабах

Атомная, молекулярная и оптическая физика ( АМО ) — это изучение взаимодействий материи -материи и света -материи в масштабе одного или нескольких атомов ^[1] и энергетических масштабах около нескольких электронвольт . ^{[2] : 1356  [3]} Эти три области тесно взаимосвязаны. Теория АМО включает классические , полуклассические и квантовые теории. Обычно в эти категории попадают теория и приложения эмиссии , поглощения , рассеяния электромагнитного излучения ( света) на возбужденных атомах и молекулах , анализ спектроскопии, генерация лазеров и мазеров , а также оптические свойства материи в целом.

Атомная и молекулярная физика

Атомная физика — раздел АМО, изучающий атомы как изолированную систему электронов и атомного ядра , а молекулярная физика — изучение физических свойств молекул . Термин « атомная физика» часто ассоциируется с ядерной энергетикой и ядерными бомбами из-за синонимического использования слов «атомный» и «ядерный» в стандартном английском языке . Однако физики различают атомную физику, которая рассматривает атом как систему, состоящую из ядра и электронов, и ядерную физику , которая рассматривает только атомные ядра . Важными экспериментальными методами являются различные виды спектроскопии . Молекулярная физика , хотя и тесно связана с атомной физикой , также во многом пересекается с теоретической химией , физической химией и химической физикой . ^[4]

Оба раздела в первую очередь касаются электронной структуры и динамических процессов, посредством которых эти механизмы изменяются. Обычно эта работа предполагает использование квантовой механики. В молекулярной физике этот подход известен как квантовая химия . Одним из важных аспектов молекулярной физики является то, что основная теория атомных орбиталей в области атомной физики расширяется до теории молекулярных орбиталей . ^[5] Молекулярная физика занимается атомными процессами в молекулах, но она также занимается эффектами, обусловленными молекулярной структурой . Помимо состояний электронного возбуждения, известных у атомов, молекулы способны вращаться и вибрировать. Эти вращения и вибрации квантуются; существуют дискретные уровни энергии . Наименьшие различия в энергии существуют между различными вращательными состояниями, поэтому чистые вращательные спектры находятся в дальней инфракрасной области ( длина волны около 30–150 мкм ) электромагнитного спектра . Колебательные спектры находятся в ближней инфракрасной области (около 1–5 мкм), а спектры электронных переходов — в основном в видимой и ультрафиолетовой областях. Измеряя вращательные и колебательные спектры, можно рассчитать такие свойства молекул, как расстояние между ядрами. ^[6]

Как и во многих научных областях, строгое разграничение может быть весьма надуманным, и атомная физика часто рассматривается в более широком контексте атомной , молекулярной и оптической физики . Обычно так классифицируются исследовательские группы по физике.

Оптическая физика

Оптическая физика — это изучение генерации электромагнитного излучения , свойств этого излучения и взаимодействия этого излучения с материей , ^[7] особенно его манипулирования и контроля. ^[8] Она отличается от общей оптики и оптической техники тем, что ориентирована на открытие и применение новых явлений. Однако нет четкого различия между оптической физикой, прикладной оптикой и оптической инженерией, поскольку устройства оптической инженерии и приложения прикладной оптики необходимы для фундаментальных исследований в области оптической физики, и эти исследования приводят к разработке новых устройств. и приложения. Часто одни и те же люди участвуют как в фундаментальных исследованиях, так и в разработке прикладных технологий, например, в экспериментальной демонстрации электромагнитно-индуцированной прозрачности С.Э. Харриса и медленного света Харриса и Лене Вестергаард Хау . ^{[9] [10]}

Исследователи в области оптической физики используют и разрабатывают источники света, охватывающие электромагнитный спектр от микроволн до рентгеновских лучей . Область включает генерацию и обнаружение света, линейные и нелинейные оптические процессы и спектроскопию . Лазеры и лазерная спектроскопия изменили оптическую науку. Основные исследования в оптической физике посвящены также квантовой оптике и когерентности , а также фемтосекундной оптике. ^[1] В оптической физике также оказывается поддержка в таких областях, как нелинейный отклик изолированных атомов на интенсивные, сверхкороткие электромагнитные поля, взаимодействие атома с полостью в сильных полях и квантовые свойства электромагнитного поля. ^[11]

Другие важные области исследований включают разработку новых оптических методов для нанооптических измерений, дифракционную оптику , низкокогерентную интерферометрию , оптическую когерентную томографию и ближнепольную микроскопию . В исследованиях в области оптической физики особое внимание уделяется сверхбыстрой оптической науке и технологиям. Применение оптической физики приводит к прогрессу в области коммуникаций , медицины , производства и даже развлечений . ^[12]

История

Модель Бора атома водорода

Одним из первых шагов на пути к атомной физике было признание того, что материя состоит из атомов , в современных терминах, основной единицы химического элемента . Эту теорию разработал Джон Дальтон в XVIII веке. На этом этапе было неясно, что такое атомы, хотя их можно было описать и классифицировать по наблюдаемым свойствам в целом; обобщены развивающейся таблицей Менделеева , составленной Джоном Ньюлендсом и Дмитрием Менделеевым примерно в середине-конце 19 века. ^[13]

Позже связь между атомной физикой и оптической физикой стала очевидной благодаря открытию спектральных линий и попыткам описать это явление, особенно Йозефом фон Фраунгофером , Френелем и другими в 19 веке. ^[14]

С того времени и до 1920-х годов физики пытались объяснить атомные спектры и излучение черного тела . Одной из попыток объяснить спектральные линии водорода была модель атома Бора . ^[13]

Эксперименты, включающие электромагнитное излучение и материю, такие как фотоэлектрический эффект , эффект Комптона и спектры солнечного света, связанные с неизвестным элементом гелия , ограничением модели Бора водородом и многими другими причинами, привели к совершенно новой математической модели. материи и света: квантовая механика . ^[15]

Классическая осцилляторная модель материи

Ранние модели, объясняющие происхождение показателя преломления, рассматривали электрон в атомной системе классически в соответствии с моделью Пауля Друде и Хендрика Лоренца . Теория была разработана, чтобы попытаться определить происхождение зависящего от длины волны показателя преломления n материала. В этой модели падающие электромагнитные волны заставляли электрон, связанный с атомом, колебаться . Тогда амплитуда колебаний будет зависеть от частоты падающей электромагнитной волны и резонансных частот генератора. Суперпозиция этих излучаемых волн от многих осцилляторов привела бы к образованию волны , которая двигалась бы медленнее. ^{[16] : 4–8}

Ранняя квантовая модель материи и света

Макс Планк вывел формулу для описания электромагнитного поля внутри ящика в состоянии теплового равновесия в 1900 году. ^{[16] : 8–9} Его модель состояла из суперпозиции стоячих волн . В одном измерении ящик имеет длину L и только синусоидальные волны с волновым числом

${\displaystyle k={\frac {n\pi }{L}}}$

может встречаться в поле, где n — положительное целое число (математически обозначается ). Уравнение, описывающее эти стоячие волны, имеет вид: ${\displaystyle \scriptstyle n\in \mathbb {N} _{1}}$

${\displaystyle E=E_{0}\sin \left({\frac {n\pi }{L}}x\right)\,\!}$.

где E ₀ — величина амплитуды электрического поля , а E — величина электрического поля в положении x . Из этой основы был выведен закон Планка . ^{[16] : 4–8, 51–52.}

В 1911 году Эрнест Резерфорд на основе рассеяния альфа-частиц пришел к выводу, что атом имеет центральный точечный протон. Он также думал, что электрон по-прежнему будет притягиваться к протону по закону Кулона, который, как он подтвердил, все еще действует на малых масштабах. В результате он считал, что электроны вращаются вокруг протона. Нильс Бор в 1913 году объединил модель атома Резерфорда с идеями квантования Планка. Могут существовать только определенные и четко определенные орбиты электрона, которые также не излучают свет. На прыгающей орбите электрон будет излучать или поглощать свет, соответствующий разнице энергий орбит. Его предсказание энергетических уровней тогда соответствовало наблюдениям. ^{[16] : 9–10}

Эти результаты, основанные на дискретном наборе конкретных стоячих волн, несовместимы с моделью непрерывного классического осциллятора. ^{[16] : 8}

Работа Альберта Эйнштейна в 1905 году над фотоэлектрическим эффектом привела к ассоциации световой волны определенной частоты с фотоном энергии . В 1917 году Эйнштейн расширил модель Бора, введя три процесса: вынужденное излучение , спонтанное излучение и поглощение (электромагнитное излучение) . ^{[16] : 11} ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle h\nu }$

Современные методы лечения

Самыми крупными шагами на пути к современному подходу стали формулировка квантовой механики с использованием подхода матричной механики Вернером Гейзенбергом и открытие уравнения Шредингера Эрвином Шредингером . ^{[16] : 12}

В рамках AMO существует множество полуклассических методов лечения. Какие аспекты проблемы рассматриваются квантово-механически, а какие — классически, зависит от конкретной рассматриваемой проблемы. Квазиклассический подход повсеместно используется в вычислительной работе в рамках AMO, во многом из-за значительного снижения вычислительных затрат и связанной с ним сложности.

Для материи под действием лазера полностью квантовомеханическая обработка атомной или молекулярной системы сочетается с нахождением системы под действием классического электромагнитного поля. ^{[16] :14} Поскольку поле рассматривается классически, оно не может иметь дело со спонтанным излучением . ^{[16] : 16} Эта полуклассическая трактовка справедлива для большинства систем, ^{[2] : 997,} в частности для тех, которые находятся под действием лазерных полей высокой интенсивности. ^{[2] : 724} Различие между оптической физикой и квантовой оптикой заключается в использовании полуклассического и полностью квантового подхода соответственно. ^{[2] : 997}

В рамках динамики столкновений и с использованием полуклассической трактовки внутренние степени свободы можно трактовать квантово-механически, в то время как относительное движение рассматриваемых квантовых систем трактуется классически. ^{[2] : 556} При рассмотрении столкновений на средней и высокой скорости ядра можно рассматривать классически, а электрон — квантовомеханически. При столкновениях на низкой скорости приближение не работает. ^{[2] : 754}

Классические методы Монте-Карло для исследования динамики электронов можно охарактеризовать как полуклассические, поскольку начальные условия рассчитываются с использованием полностью квантовой обработки, но все дальнейшее лечение является классическим. ^{[2] : 871}

Изолированные атомы и молекулы

Атомная, молекулярная и оптическая физика часто рассматривает атомы и молекулы изолированно. Атомные модели состоят из одного ядра, которое может быть окружено одним или несколькими связанными электронами, тогда как молекулярные модели обычно связаны с молекулярным водородом и его молекулярным ионом водорода . Он касается таких процессов, как ионизация , ионизация выше порога и возбуждение фотонами или столкновениями с атомными частицами.

Хотя моделирование атомов изолированно может показаться нереалистичным, если рассматривать молекулы в газе или плазме , то временные масштабы взаимодействия молекул огромны по сравнению с атомными и молекулярными процессами, которые нас интересуют. Это означает, что с отдельными молекулами можно обращаться так, как если бы каждая из них большую часть времени находилась изолированно. Благодаря этому соображению атомная и молекулярная физика обеспечивает основу теории физики плазмы и физики атмосферы , хотя обе они имеют дело с огромным количеством молекул.

Электронная конфигурация

Электроны образуют воображаемые оболочки вокруг ядра. Они, естественно, находятся в основном состоянии , но могут возбуждаться за счет поглощения энергии света ( фотонов ), магнитных полей или взаимодействия со сталкивающейся частицей (обычно другими электронами).

Говорят, что электроны, населяющие оболочку, находятся в связанном состоянии . Энергия, необходимая для удаления электрона из его оболочки (уведения его на бесконечность), называется энергией связи . Любое количество энергии, поглощенное электроном, сверх этого количества, преобразуется в кинетическую энергию в соответствии с законом сохранения энергии . Говорят, что атом претерпел процесс ионизации .

В том случае, если электрон поглотит количество энергии меньше энергии связи, он может перейти в возбужденное состояние или в виртуальное состояние . Через статистически достаточное количество времени электрон в возбужденном состоянии претерпит переход в более низкое состояние посредством спонтанной эмиссии . Необходимо учитывать изменение энергии между двумя энергетическими уровнями (сохранение энергии). В нейтральном атоме система испустит фотон разности энергий. Однако, если нижнее состояние находится во внутренней оболочке, может иметь место явление, известное как эффект Оже , когда энергия передается другим связанным электронам, заставляя ее переходить в континуум. Это позволяет многократно ионизировать атом одним фотоном.

Существуют строгие правила выбора электронных конфигураций, которые могут быть достигнуты путем возбуждения светом, однако таких правил для возбуждения процессами столкновений не существует.

Смотрите также

• Физический портал

• Приближение Борна – Оппенгеймера
• Удвоение частоты
• Дифракция
• Сверхтонкая структура
• Интерферометрия
• Изомерный сдвиг
• Маскировка метаматериала
• Молекулярное энергетическое состояние
• Молекулярное моделирование
• Нанотехнологии
• Метаматериалы с отрицательным индексом
• Нелинейная оптика
• Оптическая инженерия
• Поляризация фотонов
• Квантовая химия
• Квантовая оптика
• Жесткий ротор
• Спектроскопия
• Суперлинза
• Стационарное состояние
• Переход государства

Примечания

1. Атомная, молекулярная и оптическая физика. Национальная Академия Пресс. 1986. ISBN 978-0-309-03575-0.
2. Гордон Дрейк, изд. (1996). Справочник по атомной, молекулярной и оптической физике . Спрингер . ISBN 978-0-387-20802-2.
3. Чен, LT, изд. (2009). Атомная, молекулярная и оптическая физика: новые исследования . Издательство Nova Science. ISBN 978-1-60456-907-0.
4. CB Паркер (1994). Энциклопедия физики МакГроу Хилла (2-е изд.). МакГроу Хилл. п. 803. ИСБН 978-0-07-051400-3.
5. Р.Э. Дикерсон; И. Гейс (1976). «глава 9». Химия, материя и Вселенная . WA Benjamin Inc. (США). ISBN 978-0-19-855148-5.
6. ИК Кеньон (2008). «главы 12, 13, 17» . Свет Фантастик – Введение в классическую и квантовую оптику . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856646-5.
7. Группа YB (2010). «главы 3». Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-89931-0.
8. «Оптическая физика». Университет Аризоны. Архивировано из оригинала 13 мая 2019 года . Проверено 23 апреля 2014 г.
9. «Медленный свет». Научные часы . Проверено 22 января 2013 г.
10. Группа YB (2010). «главы 9,10». Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-89931-0.
11. CB Паркер (1994). Энциклопедия физики МакГроу Хилла (2-е изд.). МакГроу Хилл. стр. 933–934. ISBN 978-0-07-051400-3.
12. ИК Кеньон (2008). «5, 6, 10, 16» . Свет Фантастик - Введение в классическую и квантовую оптику (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856646-5.
13. RE Дикерсон; И. Гейс (1976). «главы 7, 8». Химия, материя и Вселенная . WA Benjamin Inc. (США). ISBN 978-0-19-855148-5.
14. Группа YB (2010). Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . Джон Уайли и сыновья. стр. 4–11. ISBN 978-0-471-89931-0.
15. П. А. Типлер; Г. Моска (2008). «глава 34». Физика для ученых и инженеров - с современной физикой . Фриман. ISBN 978-0-7167-8964-2.
16. Хакен, Х. (1981). Свет (Перепечатка. Под ред.). Амстердам ua: Издательство физики Северной Голландии. ISBN 978-0-444-86020-0.

Рекомендации

• Брансден, Британская Колумбия; Хоахейн, CJ (2002). Физика атомов и молекул (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-582-35692-4.
• Фут, CJ (2004). Атомная физика . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850696-6.
• Герцберг, Г. (1979) [1945]. Атомные спектры и атомная структура . Дувр. ISBN 978-0-486-60115-1.
• Кондон, ЕС и Шортли, GH (1935). Теория атомных спектров . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-09209-8.
• Коуэн, Роберт Д. (1981). Теория атомной структуры и спектров . Издательство Калифорнийского университета. ISBN 978-0-520-03821-9.
• Линдгрен И. и Моррисон Дж. (1986). Атомная теория многих тел (второе изд.). Спрингер-Верлаг. ISBN 978-0-387-16649-0.
• Джей Ар Хук; ОН Холл (2010). Физика твердого тела (2-е изд.). Манчестерская серия по физике, John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92804-1.
• П. В. Аткинс (1978). Физическая химия . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-855148-5.
• YB Band (2010). Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-89931-0.
• И.Р. Кеньон (2008). Свет Фантастик – Введение в классическую и квантовую оптику . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856646-5.
• Т.Эй, П.Уолтерс (2009). Новая квантовая вселенная . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-56457-1.
• Р. Лаудон (1996). Квантовая теория света . Издательство Оксфордского университета (Оксфордские научные публикации). ISBN 978-0-19-850177-0.
• Р. Айсберг; Р. Резник (1985). Квантовая физика атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-87373-0.
• П. В. Аткинс (1974). Кванта: Справочник концепций . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-855493-6.
• Э. Аберс (2004). Квантовая механика . Пирсон Эд., Аддисон Уэсли, Prentice Hall Inc. ISBN 978-0-13-146100-0.
• П. В. Аткинс (1977). Молекулярная квантовая механика, части I и II: Введение в КВАНТОВУЮ ХИМИЮ (Том 1) . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-855129-4.
• П. В. Аткинс (1977). Молекулярная квантовая механика. Часть III: Введение в КВАНТОВУЮ ХИМИЮ (Том 2) . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-855129-4.
• Физика твердого тела (2-е издание) , Дж. Р. Хук, Х. Э. Холл, Манчестерская серия по физике, John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978 0 471 92804 1 
• Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры , YB Band, John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0471-89931-0 
• Фантастический свет – введение в классическую и квантовую оптику , И. Р. Кеньон, Oxford University Press, 2008, ISBN 978-0-19-856646-5 
• Справочник по атомной, молекулярной и оптической физике , редактор: Гордон Дрейк, Спрингер , разные авторы, 1996, ISBN 0-387-20802-X 
• Фокс, Марк (2010). Оптические свойства твердых тел . Оксфорд, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-957336-3.

Внешние ссылки

• ScienceDirect — достижения в области атомной, молекулярной и оптической физики
• Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика

Учреждения

• Американское физическое общество - Отдел атомной, молекулярной и оптической физики
• Европейское физическое общество - Отдел атомной, молекулярной и оптической физики
• Национальный научный фонд - атомная, молекулярная и оптическая физика
• Массачусетский технологический институт и Гарвардский центр ультрахолодных атомов
• Стэнфордская инициатива QFARM в области квантовой науки и техники
• JILA - Атомная и молекулярная физика
• Объединенный квантовый институт Мэрилендского университета и НИСТ
• Отдел физики ОРНЛ
• Королевский университет Белфаста - Центр теоретической, атомной, молекулярной и оптической физики,
• Калифорнийский университет, Беркли – атомная, молекулярная и оптическая физика