Fizyka atomowa, molekularna i optyczna - Atomic, molecular, and optical physics

Fizyka atomowa, molekularna i optyczna ( AMO ) zajmuje się badaniem interakcji materia- materia i światło- materia; w skali jednego lub kilku atomów i skale energii wokół kilku elektronowoltów . Te trzy obszary są ze sobą ściśle powiązane. Teoria AMO obejmuje zabiegi klasyczne , półklasyczne i kwantowe . Typowo, teoria i zastosowania emisji , absorpcji , rozsypywania od promieniowania elektromagnetycznego (światło) z wzbudzonych atomów i cząsteczek , analiza spektroskopii generacji laserów i maserami i własności optycznych materii w ogólności, spadek w tych kategoriach.

Fizyka atomowa i molekularna

Fizyka atomowa to poddziedzina AMO, która zajmuje się badaniem atomów jako izolowanego układu elektronów i jądra atomowego , podczas gdy fizyka molekularna zajmuje się badaniem fizycznych właściwości cząsteczek . Termin fizyka atomowa jest często kojarzony z energią jądrową i bombami jądrowymi , ze względu na synonimiczne użycie atomu i atomu w standardowym języku angielskim . Jednak fizycy rozróżniają fizykę atomową — która zajmuje się atomem jako układem składającym się z jądra i elektronów — od fizyki jądrowej , która uwzględnia wyłącznie jądra atomowe . Ważnymi technikami eksperymentalnymi są różne rodzaje spektroskopii . Physics cząsteczkowej , a ściśle związane z fizyki atomowych , a także w znacznym stopniu pokrywa się z chemii teoretycznej , chemii fizycznej i fizyki chemicznej .

Oba poddziedziny dotyczą przede wszystkim struktury elektronowej i dynamicznych procesów, przez które te układy się zmieniają. Generalnie praca ta polega na wykorzystaniu mechaniki kwantowej. W fizyce molekularnej to podejście jest znane jako chemia kwantowa . Jednym z ważnych aspektów fizyki molekularnej jest to, że zasadnicza teoria orbitali atomowych w dziedzinie fizyki atomowej rozszerza się na teorię orbitali molekularnych . Fizyka molekularna zajmuje się procesami atomowymi w cząsteczkach, ale dodatkowo zajmuje się efektami związanymi ze strukturą molekularną . Oprócz elektronowych stanów wzbudzenia, które są znane z atomów, molekuły mogą się obracać i wibrować. Te obroty i wibracje są skwantowane; istnieją dyskretne poziomy energii . Najmniejsze różnice energii istnieją między różnymi stanami rotacyjnymi, dlatego czyste widma rotacyjne znajdują się w zakresie dalekiej podczerwieni ( długość fali około 30-150 µm ) widma elektromagnetycznego . Widma oscylacyjne znajdują się w bliskiej podczerwieni (około 1 - 5 µm), a widma wynikające z przejść elektronowych znajdują się głównie w zakresie widzialnym i ultrafioletowym . Na podstawie pomiaru widm rotacyjnych i oscylacyjnych można obliczyć właściwości cząsteczek, takie jak odległość między jądrami.

Podobnie jak w przypadku wielu dziedzin naukowych, ścisłe nakreślenie może być wysoce wymyślne, a fizyka atomowa jest często rozważana w szerszym kontekście fizyki atomowej, molekularnej i optycznej . Grupy badawcze fizyki są zwykle tak klasyfikowane.

Fizyka optyczna

Fizyka optyczna to nauka o wytwarzaniu promieniowania elektromagnetycznego , właściwościach tego promieniowania oraz oddziaływaniu tego promieniowania z materią , a zwłaszcza manipulacji i kontroli. Różni się od optyki ogólnej i inżynierii optycznej tym, że koncentruje się na odkrywaniu i stosowaniu nowych zjawisk. Nie ma jednak wyraźnego rozróżnienia między fizyką optyczną, optyką stosowaną i inżynierią optyczną, ponieważ urządzenia inżynierii optycznej i zastosowania optyki stosowanej są niezbędne do badań podstawowych w fizyce optycznej, a badania prowadzą do opracowania nowych urządzeń i aplikacje. Często te same osoby są zaangażowane zarówno w badania podstawowe, jak i w rozwój technologii stosowanych, na przykład eksperymentalne zademonstrowanie elektromagnetycznie indukowanej przezroczystości przez SE Harrisa i powolnego światła przez Harrisa i Lene Vestergaard Hau .

Naukowcy zajmujący się fizyką optyczną wykorzystują i opracowują źródła światła, które obejmują widmo elektromagnetyczne od mikrofal do promieni rentgenowskich . Dziedzina obejmuje generowanie i detekcję światła, liniowe i nieliniowe procesy optyczne oraz spektroskopię . Lasery i spektroskopia laserowa zmieniły optykę. Główne badania z zakresu fizyki optycznej poświęcone są również optyce kwantowej i koherencji oraz optyce femtosekundowej . Fizyka optyczna zapewnia również wsparcie w takich dziedzinach, jak nieliniowa reakcja izolowanych atomów na intensywne, ultrakrótkie pola elektromagnetyczne, interakcja atom-wnęka w wysokich polach oraz kwantowe właściwości pola elektromagnetycznego.

Inne ważne obszary badań obejmują rozwój nowych technik optycznych do pomiarów nanooptycznych, optyki dyfrakcyjnej , interferometrii niskokoherentnej , optycznej tomografii koherentnej oraz mikroskopii bliskiego pola . Badania w dziedzinie fizyki optycznej kładą nacisk na ultraszybką naukę i technologię optyczną. Zastosowania fizyki optycznej powodują postęp w komunikacji , medycynie , produkcji , a nawet rozrywce .

Historia

Jednym z najwcześniejszych kroków w kierunku fizyki atomowej było uznanie, że materia składa się z atomów , współcześnie podstawowej jednostki pierwiastka chemicznego . Teoria ta została opracowana przez Johna Daltona w XVIII wieku. Na tym etapie nie było jasne, czym są atomy - chociaż można je było opisać i sklasyfikować na podstawie ich obserwowalnych właściwości w masie; podsumowane przez rozwijającą się tablicę okresową pierwiastków , Johna Newlandsa i Dmitrija Mendelejewa, około połowy do końca XIX wieku.

Później związek między fizyką atomową a fizyką optyczną stał się oczywisty, dzięki odkryciu linii widmowych i próbom opisania tego zjawiska - zwłaszcza Josepha von Fraunhofera , Fresnela i innych w XIX wieku.

Od tego czasu do lat dwudziestych fizycy starali się wyjaśnić widma atomowe i promieniowanie ciała doskonale czarnego . Jedną z prób wyjaśnienia linii widmowych wodoru był model atomu Bohra .

Doświadczenia w tym promieniowania elektromagnetycznego oraz cząstki - takie jak fotoelektrycznego , skutkiem Compton i widma słonecznego należnych do nieznanego elementu helu , ograniczenia modelu Bohra na wodór i wiele innych przyczyn, do całkowicie nowego modelu matematycznego materii i światła: mechanika kwantowa .

Klasyczny model materii oscylatora

Wczesne modele wyjaśniające pochodzenie współczynnika załamania traktowały elektron w układzie atomowym klasycznie zgodnie z modelem Paula Drude i Hendrika Lorentza . Teoria została opracowana w celu określenia źródła współczynnika załamania n materiału zależnego od długości fali . W tym modelu padające fale elektromagnetyczne wymuszały drgania elektronu związanego z atomem . Amplituda oscylacji będzie wówczas mieć związek z częstotliwością od padającej fali elektromagnetycznej i rezonansowych częstotliwości oscylatora. Nałożenie tych emitowanych fal z wielu oscylatorów prowadziłoby następnie do fali, które przesuwają się bardziej powoli.

Wczesny kwantowy model materii i światła

Max Planck wyprowadził wzór opisujący pole elektromagnetyczne wewnątrz pudełka w równowadze termicznej w 1900 roku. Jego model składał się z superpozycji fal stojących . W jednym wymiarze skrzynka ma długość L i tylko fale sinusoidalne o liczbie falowej

może wystąpić w polu, gdzie n jest dodatnią liczbą całkowitą (oznaczoną matematycznie przez ). Równanie opisujące te fale stojące dane jest wzorem:

.

gdzie E 0 jest wielkością amplitudy pola elektrycznego , a E jest wielkością pola elektrycznego w pozycji x . Z tego podstawowego wyprowadzono prawo Plancka .

W 1911 r. Ernest Rutherford doszedł do wniosku, na podstawie rozpraszania cząstek alfa, że ​​atom ma centralnie punktowy proton. Uważał również, że elektron będzie nadal przyciągany do protonu zgodnie z prawem Coulomba, które, jak sprawdził, nadal utrzymuje się w małych skalach. W rezultacie wierzył, że elektrony krążą wokół protonu. Niels Bohr w 1913 połączył model atomu Rutherforda z ideami kwantyzacji Plancka. Mogą istnieć tylko określone i dobrze zdefiniowane orbity elektronu, które również nie promieniują światłem. Na skaczącej orbicie elektron emitowałby lub absorbował światło odpowiadające różnicy energii orbit. Jego przewidywania dotyczące poziomów energii były wtedy zgodne z obserwacjami.

Wyniki te, oparte na dyskretnym zestawie określonych fal stojących, były niezgodne z ciągłym modelem klasycznego oscylatora.

Prace Alberta Einsteina z 1905 roku nad efektem fotoelektrycznym doprowadziły do ​​powiązania fali świetlnej o częstotliwości z fotonem energii . W 1917 Einstein stworzył rozszerzenie modelu Bohrsa poprzez wprowadzenie trzech procesów emisji wymuszonej , emisji spontanicznej i absorpcji (promieniowania elektromagnetycznego) .

Nowoczesne zabiegi

Największymi krokami w kierunku nowoczesnego leczenia było sformułowanie mechaniki kwantowej z podejściem mechaniki macierzy przez Wernera Heisenberga oraz odkrycie równania Schrödingera przez Erwina Schrödingera .

W AMO istnieje wiele półklasycznych zabiegów. To, które aspekty problemu są traktowane kwantowo, a które klasycznie, zależy od konkretnego problemu. Podejście półklasyczne jest wszechobecne w pracach obliczeniowych w AMO, głównie ze względu na duży spadek kosztów obliczeniowych i związanej z nim złożoności.

W przypadku materii znajdującej się pod działaniem lasera, w pełni kwantowo-mechaniczna obróbka układu atomowego lub molekularnego jest połączona z układem znajdującym się pod działaniem klasycznego pola elektromagnetycznego. Ponieważ pole traktowane jest klasycznie, nie radzi sobie z emisją spontaniczną . Ta półklasyczna obróbka jest odpowiednia dla większości systemów, w szczególności tych, na które działają pola laserowe o wysokiej intensywności. Różnica między fizyką optyczną a optyką kwantową polega na zastosowaniu odpowiednio leczenia półklasycznego i w pełni kwantowego.

W ramach dynamiki zderzeń i przy zastosowaniu metody półklasycznej wewnętrzne stopnie swobody mogą być traktowane kwantowo mechanicznie, natomiast ruch względny rozpatrywanych układów kwantowych traktowany jest klasycznie. Rozważając zderzenia o średniej i dużej prędkości, jądra mogą być traktowane klasycznie, podczas gdy elektron jest traktowany mechanicznie kwantowo. W zderzeniach przy niskich prędkościach przybliżenie zawodzi.

Klasyczne metody Monte-Carlo dla dynamiki elektronów można opisać jako półklasyczne, ponieważ warunki początkowe są obliczane przy użyciu obróbki w pełni kwantowej, ale cała dalsza obróbka jest klasyczna.

Izolowane atomy i cząsteczki

Fizyka atomowa, molekularna i optyczna często rozpatruje atomy i molekuły oddzielnie. Modele atomowe będą składać się z pojedynczego jądra, które może być otoczone przez jeden lub więcej związanych elektronów, podczas gdy modele molekularne zazwyczaj dotyczą wodoru cząsteczkowego i jego jonu cząsteczkowego . Dotyczy procesów takich jak jonizacja , jonizacja ponadprogowa i wzbudzanie fotonami lub zderzenia z cząsteczkami atomowymi.

Chociaż modelowanie atomów w izolacji może nie wydawać się realistyczne, jeśli weźmie się pod uwagę cząsteczki w gazie lub plazmie, to skala czasowa interakcji cząsteczka-cząsteczka jest ogromna w porównaniu z procesami atomowymi i molekularnymi, którymi się zajmujemy. Oznacza to, że poszczególne molekuły mogą być traktowane tak, jakby każda z nich była odizolowana przez zdecydowaną większość czasu. Z tego względu fizyka atomowa i molekularna dostarcza podstaw teorii w fizyce plazmy i fizyce atmosfery, mimo że obie dotyczą ogromnej liczby cząsteczek.

Elektroniczna Konfiguracja

Elektrony tworzą hipotetyczne powłoki wokół jądra. Są one naturalnie w stanie podstawowym, ale mogą być wzbudzane przez absorpcję energii światła ( fotony ), pola magnetyczne lub interakcję ze zderzającą się cząsteczką (zazwyczaj innymi elektronami).

Mówi się, że elektrony, które wypełniają powłokę, są w stanie związanym . Energia niezbędna do usunięcia elektronu z jego powłoki (doprowadzenia go do nieskończoności) nazywana jest energią wiązania . Każda ilość energii pochłonięta przez elektron przekraczająca tę ilość jest zamieniana na energię kinetyczną zgodnie z zasadą zachowania energii . Mówi się, że atom przeszedł proces jonizacji .

W przypadku, gdy elektron pochłonie ilość energii mniejszą niż energia wiązania, może przejść do stanu wzbudzonego lub do stanu wirtualnego . Po statystycznie wystarczającej ilości czasu elektron w stanie wzbudzonym przejdzie w stan niższy poprzez emisję spontaniczną . Należy uwzględnić zmianę energii pomiędzy dwoma poziomami energii (zachowanie energii). W neutralnym atomie system wyemituje foton o różnicy energii. Jeśli jednak stan niższy znajduje się w powłoce wewnętrznej, może wystąpić zjawisko znane jako efekt Augera, w którym energia jest przenoszona na inne związane elektrony, powodując jej przejście do kontinuum. Pozwala to na zjonizowanie atomu jednym fotonem.

Istnieją ścisłe reguły selekcji dotyczące konfiguracji elektronicznych, które można osiągnąć przez wzbudzenie światłem – jednak nie ma takich reguł dla wzbudzania przez procesy kolizyjne.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Instytucje