Атомная, молекулярная и оптическая физика - Atomic, molecular, and optical physics

Атомная, молекулярная и оптическая физика ( AMO ) - это изучение взаимодействий материя- материя и свет- материя; в масштабе одного или нескольких атомов, а энергия - порядка нескольких электрон-вольт . Эти три области тесно взаимосвязаны. Теория AMO включает классические , полуклассические и квантовые трактовки. Как правило, теория и применение излучения , поглощения , рассеяния от электромагнитного излучения (света) от возбужденных атомов и молекул , анализ спектроскопии, генерации лазеров и мазеров , а также оптических свойств вещества в общем, попадают в эти категории.

Атомная и молекулярная физика

Атомная физика - это подраздел AMO, изучающий атомы как изолированную систему электронов и атомного ядра , а молекулярная физика - это изучение физических свойств молекул . Термин атомная физика часто ассоциируется с ядерной энергетикой и ядерными бомбами из-за синонимичного использования атомных и ядерных 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 типы спектроскопии . Молекулярная физика , хотя и тесно связана с атомной физикой , также сильно пересекается с теоретической химией , физической химией и химической физикой .

Оба подполя в первую очередь связаны с электронной структурой и динамическими процессами, с помощью которых они меняются. Обычно в этой работе используется квантовая механика. 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 . Молекулярная физика занимается атомными процессами в молекулах, но дополнительно занимается эффектами, связанными с молекулярной структурой . В дополнение к состояниям электронного возбуждения, которые известны атомам, молекулы могут вращаться и колебаться. Эти вращения и колебания квантуются; есть дискретные уровни энергии . Между различными вращательными состояниями существует наименьшая разница в энергии, поэтому чистые вращательные спектры находятся в дальней инфракрасной области ( длина волны около 30–150 мкм ) электромагнитного спектра . Спектры колебаний находятся в ближней инфракрасной области (около 1–5 мкм), а спектры, обусловленные электронными переходами, в основном находятся в видимой и ультрафиолетовой областях. Измеряя вращательные и колебательные спектры, можно вычислить такие свойства молекул, как расстояние между ядрами.

Как и во многих областях науки, строгое разграничение может быть очень надуманным, и атомная физика часто рассматривается в более широком контексте атомной, молекулярной и оптической физики . Обычно так классифицируются группы исследователей физики.

Оптическая физика

Оптическая физика - это изучение генерации электромагнитного излучения , свойств этого излучения и взаимодействия этого излучения с веществом , особенно его манипуляции и контроля. Он отличается от общей оптики и оптической инженерии тем, что ориентирован на открытие и применение новых явлений. Однако нет сильного различия между оптической физикой, прикладной оптикой и оптической инженерией, поскольку устройства оптической инженерии и приложения прикладной оптики необходимы для фундаментальных исследований в оптической физике, и что исследования приводят к разработке новых устройств. и приложения. Часто одни и те же люди участвуют как в фундаментальных исследованиях и разработке прикладных технологий, например , экспериментальную демонстрацию электромагнитно индуцированной прозрачности на SE Harris и от медленного света Харрис и Лене Vestergaard Хау .

Исследователи оптической физики используют и разрабатывают источники света, охватывающие весь электромагнитный спектр от микроволн до рентгеновских лучей . Эта область включает в себя генерацию и обнаружение света, линейные и нелинейные оптические процессы и спектроскопию . Лазеры и лазерная спектроскопия изменили оптику. Основные исследования в области оптической физики также посвящены квантовой оптике и когерентности , а также фемтосекундной оптике. В оптической физике поддержка также предоставляется в таких областях, как нелинейный отклик изолированных атомов на интенсивные ультракороткие электромагнитные поля, взаимодействие атома с полостью в сильных полях и квантовые свойства электромагнитного поля.

Другие важные области исследований включают разработку новых оптических методов для нанооптических измерений, дифракционной оптики , низкокогерентной интерферометрии , оптической когерентной томографии и микроскопии ближнего поля . Исследования в области оптической физики делают упор на сверхбыструю оптическую науку и технологии. Применение оптической физики способствует развитию средств связи , медицины , производства и даже развлечений .

История

Одним из первых шагов к атомной физике было признание того, что материя состоит из атомов , которые, говоря современным языком, являются основной единицей химического элемента . Эта теория была разработана Джоном Далтоном в 18 веке. На этом этапе было неясно, что такое атомы - хотя их можно было описать и классифицировать по их наблюдаемым свойствам в целом; суммированы проявляющим периодической таблицы , по Ньюлендс и Менделеев вокруг середины до конца 19 - го века.

Позже связь между атомной физикой и оптической физикой стала очевидной в результате открытия спектральных линий и попыток описать это явление - особенно Йозефом фон Фраунгофер , Френелем и другими в 19 веке.

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 .

Эксперименты, включающие электромагнитное излучение и материю, такие как фотоэлектрический эффект , эффект Комптона и спектры солнечного света из-за неизвестного элемента гелия , ограничение модели Бора водородом и многие другие причины, приводят к совершенно новой математической модели. материи и света: квантовая механика .

Классическая осцилляторная модель материи

Ранние модели, объясняющие происхождение показателя преломления, рассматривали электрон в атомной системе классически в соответствии с моделью Пола Друде и Хендрика Лоренца . Теория была разработана, чтобы попытаться определить источник зависящего от длины волны показателя преломления n материала. В этой модели падающие электромагнитные волны заставляли электрон, связанный с атомом, колебаться . Тогда амплитуда колебаний будет иметь отношение к частоте падающей электромагнитной волны и резонансным частотам генератора. Суперпозиция этих излучаемых волн от многих осцилляторов затем приведет к волне , которая перемещается медленнее.

Ранняя квантовая модель материи и света

Макс Планк вывел формулу для описания электромагнитного поля внутри ящика, когда он находился в тепловом равновесии в 1900 году. Его модель состояла из суперпозиции стоячих волн . В одном измерении ящик имеет длину L , и только синусоидальные волны волнового числа

может находиться в поле, где n - положительное целое число (математически обозначается как ). Уравнение, описывающее эти стоячие волны, имеет вид:

.

где E 0 - величина амплитуды электрического поля , а E - величина электрического поля в позиции x . Из этого был выведен закон Планка .

В 1911 году Эрнест Резерфорд на основе рассеяния альфа-частиц пришел к выводу, что у атома есть центральный точечный протон. Он также думал, что электрон все еще будет притягиваться к протону по закону Кулона, который, как он убедился, все еще сохраняется в 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. Прыгая по орбите, электрон будет излучать или поглощать свет, соответствующий разнице в энергии орбит. Его предсказание уровней энергии тогда согласовывалось с наблюдениями.

Эти результаты, основанные на дискретном наборе конкретных стоячих волн, несовместимы с моделью непрерывного классического осциллятора.

Работа Альберта Эйнштейна в 1905 году по фотоэлектрическому эффекту привела к ассоциации световой волны определенной частоты с фотоном энергии . В 1917 году Эйнштейн расширил модель Бора, введя три процесса: стимулированное излучение , спонтанное излучение и поглощение (электромагнитное излучение) .

Современные методы лечения

Самые крупные шаги в направлении современного лечения была формулировка квантовой механики с матричной механики подхода Вернера Гейзенберга и открытия уравнения Шредингера по Эрвина Шредингера .

AMO предлагает множество полуклассических методов лечения. Какие аспекты проблемы рассматриваются квантово-механически, а какие - классически, зависит от конкретной проблемы. Полуклассический подход повсеместно используется в вычислительной работе в AMO, в основном из-за значительного снижения вычислительных затрат и сложности, связанных с ним.

Что касается вещества, находящегося под действием лазера, полностью квантово-механическое рассмотрение атомной или молекулярной системы сочетается с системой, находящейся под действием классического электромагнитного поля. Поскольку поле трактуется классически, оно не может иметь дело со спонтанным излучением . Этот полуклассический подход применим к большинству систем, особенно к тем, которые находятся под действием лазерных полей высокой интенсивности. Разница между оптической физикой и квантовой оптикой заключается в использовании полуклассической и полностью квантовой трактовки соответственно.

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. При рассмотрении столкновений со средней и высокой скоростью, ядра можно рассматривать классически, а электроны - квантово-механическими. При столкновениях на малых скоростях приближение не выполняется.

Классические методы Монте-Карло для динамики электронов можно охарактеризовать как полуклассические в том смысле, что начальные условия вычисляются с использованием полностью квантовой обработки, но вся дальнейшая обработка является классической.

Изолированные атомы и молекулы

Атомная, молекулярная и оптическая физика часто рассматривает атомы и молекулы изолированно. Атомные модели будут состоять из одного ядра, которое может быть окружено одним или несколькими связанными электронами, в то время как молекулярные модели обычно связаны с молекулярным водородом и его молекулярным ионом водорода . Это касается таких процессов, как ионизация , сверхпороговая ионизация и возбуждение фотонами или столкновения с атомными частицами.

Хотя моделирование атомов по отдельности может показаться нереалистичным, если рассматривать молекулы в газе или плазме, тогда масштабы взаимодействия молекула-молекула 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 была изолирована большую часть времени. К этому вниманию атомной и молекулярная физика обеспечивает базовую теорию в области физики плазмы и физике атмосферы , хотя и имеет дело с огромным количеством молекул.

Электронная конфигурация

Электроны образуют условные оболочки вокруг ядра. Они, естественно, находятся в основном состоянии, но могут быть возбуждены поглощением энергии света ( фотоны ), магнитными полями или взаимодействием со сталкивающейся частицей (обычно с другими электронами).

Говорят, что электроны, населяющие оболочку, находятся в связанном состоянии . Энергия, необходимая для того, чтобы вывести электрон из его оболочки (увести его на бесконечность), называется энергией связи . Любое количество энергии, поглощенной электроном, превышающее это количество, преобразуется в кинетическую энергию в соответствии с законом сохранения энергии . Говорят, что атом подвергся ионизации .

В случае, если электрон поглощает количество энергии, меньшее энергии связи, он может перейти в возбужденное состояние или в виртуальное состояние . По прошествии статистически достаточного количества времени электрон в возбужденном состоянии перейдет в более низкое состояние посредством спонтанного излучения . Необходимо учитывать изменение энергии между двумя уровнями энергии (сохранение энергии). В нейтральном атоме система излучает 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 отбора электронных конфигураций, которые могут быть достигнуты при возбуждении светом, однако таких правил для возбуждения в результате столкновительных процессов нет.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

  • Bransden, BH; Иоахайн, 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, Э.У. и Шортли, Г.Х. (1935). Теория атомных спектров . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-09209-8.
  • Коуэн, Роберт Д. (1981). Теория атомной структуры и спектров . Калифорнийский университет Press. ISBN 978-0-520-03821-9.
  • Линдгрен И. и Моррисон Дж. (1986). Атомная теория многих тел (второе изд.). Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-16649-0.
  • JR Hook; HE Hall (2010). Физика твердого тела (2-е изд.). Манчестерская серия по физике, John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92804-1.
  • PW Аткинс (1978). Физическая химия . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-855148-5.
  • Группа YB (2010). Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-89931-0.
  • И. Р. Кеньон (2008). The Light Fantastic - Введение в классическую и квантовую оптику . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856646-5.
  • Т. Хей, 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 Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-87373-0.
  • PW Аткинс (1974). Quanta: Справочник концепций . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-855493-6.
  • Э. Аберс (2004). Квантовая механика . Пирсон Эд., Эддисон Уэсли, Prentice Hall Inc. ISBN 978-0-13-146100-0.
  • П. У. 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. У. 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) , JR Hook, HE Hall, Manchester Physics Series, John Wiley & Sons, 2010, ISBN  978 0 471 92804 1
  • Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры , диапазон YB, John Wiley & Sons, 2010, ISBN  978-0471-89931-0
  • The Light Fantastic - Introduction to Classic and Quantum Optics , IR Kenyon, 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

Учреждения