Атомная, молекулярная и оптическая физика

Изучение взаимодействия материи и света в малых масштабах

Атомная, молекулярная и оптическая физика ( АМО ) изучает взаимодействия материя -материя и свет -материя в масштабе одного или нескольких атомов ^[1] и энергетических масштабах около нескольких электрон-вольт . ^[2]^{: 1356}^[3] Эти три области тесно взаимосвязаны. Теория АМО включает классические , полуклассические и квантовые трактовки. Обычно в эти категории попадают теория и приложения испускания , поглощения , рассеяния электромагнитного излучения ( света) возбужденными атомами и молекулами , анализ спектроскопии, генерация лазеров и мазеров , а также оптические свойства материи в целом.

Атомная и молекулярная физика

Атомная физика — это подраздел АМО, который изучает атомы как изолированную систему электронов и атомного ядра , в то время как молекулярная физика — это изучение физических свойств молекул . Термин «атомная физика» часто ассоциируется с ядерной энергетикой и ядерными бомбами из-за синонимичного 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 типы спектроскопии . Молекулярная физика , хотя и тесно связана с атомной физикой , также во многом пересекается с теоретической химией , физической химией и химической физикой . ^[4]

Оба подполя в первую очередь связаны с электронной структурой и динамическими процессами, посредством которых эти механизмы изменяются. Обычно эта работа связана с использованием квантовой механики. Для молекулярной физики 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 дополнительно занимается эффектами, обусловленными молекулярной структурой . Помимо состояний электронного возбуждения, которые известны из 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, возникающие в результате электронных переходов, в основном находятся 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 . Группы физических исследований обычно классифицируются таким образом.

Оптическая физика

Оптическая физика изучает генерацию электромагнитного излучения , свойства этого излучения и взаимодействие этого излучения с материей , ^[7] особенно его манипуляцию и контроль. ^[8] Она отличается от общей оптики и оптической инженерии тем, что она сосредоточена на открытии и применении новых явлений. Однако нет строгого 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 эти исследования приводят к разработке новых устройств и приложений. Часто одни и те же люди участвуют как в фундаментальных исследованиях, так и в разработке прикладных технологий, например, экспериментальная демонстрация электромагнитно-индуцированной прозрачности С. Э. Харрисом и медленного света Харрисом и Леной Вестергаард Хау . ^[9]^[10]

Исследователи в области оптической физики используют и разрабатывают источники света, которые охватывают электромагнитный спектр от микроволн до рентгеновских лучей . Область включает в себя генерацию и обнаружение света, линейные и нелинейные оптические процессы и спектроскопию . Лазеры и лазерная спектроскопия преобразили оптическую науку. Основные исследования в области оптической физики также посвящены квантовой оптике и когерентности , а также фемтосекундной оптике. ^[1] В области оптической физики 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 микроскопию ближнего поля . Исследования в области оптической физики делают акцент на сверхбыстрой оптической науке и технологии. Приложения оптической физики создают достижения в области коммуникаций , медицины , производства и даже развлечений . ^[12]

История

Одним из самых ранних шагов к атомной физике было признание того, что материя состоит из атомов , в современных терминах — основных единиц химического элемента . Эта теория была разработана Джоном Дальтоном в 18 веке. На этом этапе не было ясно, что такое атомы, — хотя их можно было описать и классифицировать по их наблюдаемым свойствам в целом; обобщено в периодической таблице , разработанной Джоном Ньюлендсом и Дмитрием Менделеевым примерно в середине-конце 19 века. ^[13]

Позднее связь между атомной физикой и оптической физикой стала очевидной благодаря открытию спектральных линий и попыткам описать это явление, в частности, 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, обусловленные неизвестным элементом Гелием , ограничение модели Бора водородом и множество других причин, приводят к совершенно новой математической модели материи и света: квантовой механике . ^[15]

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 обеспечить происхождение зависящего от длины волны показателя преломления n материала. В этой модели падающие электромагнитные волны заставляли электрон, связанный с атомом, колебаться . Амплитуда колебания затем будет иметь отношение к частоте падающей электромагнитной волны и резонансным частотам осциллятора. Суперпозиция этих излучаемых волн от многих осцилляторов затем приведет к волне, которая будет двигаться медленнее. ^[16]^{: 4–8}

Ранняя квантовая модель материи и света

Макс Планк вывел формулу для описания электромагнитного поля внутри ящика, находящегося в тепловом равновесии , 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

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

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

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

.

где E ₀ — величина амплитуды электрического поля , а E — величина электрического поля в точке 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 считал, что электрон все еще будет притягиваться к протону законом Кулона, который, как он проверил, все еще соблюдается 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. На прыгающей орбите электрон будет излучать или поглощать свет, соответствующий разнице в энергии орбит. Его предсказание уровней энергии тогда согласовывалось с наблюдением. ^[16]^{: 9–10}

Эти результаты, основанные на дискретном наборе определенных стоячих волн, не соответствовали модели непрерывного классического осциллятора. ^[16]^{: 8}

Работа Альберта Эйнштейна в 1905 году по фотоэлектрическому эффекту привела к ассоциации световой волны частоты с фотоном энергии . В 1917 году Эйнштейн создал расширение модели Бора, введя три процесса: вынужденное излучение , спонтанное излучение и поглощение (электромагнитное излучение) . ^[16]^{: 11} $\nu$ $h\nu$

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

Для материи, находящейся под действием лазера, полностью квантово-механическое рассмотрение атомной или молекулярной системы сочетается с системой, находящейся под действием классического электромагнитного поля. ^[16]^{: 14} Поскольку поле рассматривается классически, оно не может иметь дело со спонтанным излучением . ^[16]^{: 16} Это полуклассическое рассмотрение справедливо 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 рассмотрения соответственно. ^[2]^{: 997}

В динамике столкновений и при использовании полуклассического подхода внутренние степени свободы могут рассматриваться квантово-механически, в то время как относительное движение рассматриваемых квантовых систем рассматривается классически. ^[2]^{: 556} При рассмотрении столкновений на средних и высоких скоростях ядра могут рассматриваться классически, в то время как электрон рассматривается квантово-механически. При столкновениях на низких скоростях приближение не работает. ^[2]^{: 754}

Классические методы Монте-Карло для динамики электронов можно описать как полуклассические в том смысле, что начальные условия рассчитываются с использованием полностью квантовой обработки, но вся дальнейшая обработка является классической. ^[2]^{: 871}

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 . Она связана с такими процессами, как ионизация , ионизация выше порога и возбуждение фотонами или столкновениями с атомными частицами.

Хотя моделирование атомов в изоляции может показаться нереалистичным, если рассматривать молекулы в газе или плазме , то временные масштабы для взаимодействия молекула-молекула огромны по сравнению с атомными и молекулярными процессами, которые нас интересуют. Это означает, что отдельные молекулы можно рассматривать так, как если бы каждая из них находилась в изоляции большую часть времени. При таком рассмотрении атомная и молекулярная физика предоставляет базовую теорию в физике плазмы и физике атмосферы, хотя обе имеют дело с огромным количеством молекул.

Электронная конфигурация

Электроны образуют воображаемые оболочки вокруг ядра. Они естественным образом находятся в основном состоянии , но могут быть возбуждены поглощением энергии света ( фотонов ), магнитных полей или взаимодействием со сталкивающейся частицей (обычно другими электронами).

Электроны, заполняющие оболочку, называются находящимися в связанном состоянии . Энергия, необходимая для удаления электрона из оболочки (переноса 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 подвергся процессу ионизации .

В случае, если электрон поглощает количество энергии, меньшее энергии связи, он может перейти в возбужденное состояние или в виртуальное состояние . По истечении статистически достаточного количества времени электрон в возбужденном состоянии перейдет в более низкое состояние посредством спонтанного излучения . Необходимо учитывать изменение энергии между двумя уровнями энергии (закон сохранения энергии). В нейтральном атоме система испустит фотон с разницей в энергии. Однако, если более низкое состояние находится во внутренней оболочке, может иметь место явление, известное как эффект Оже , когда энергия передается другим связанным электронам, заставляя их перейти в континуум. Это позволяет многократно ионизировать атом одним фотоном.

Существуют строгие правила отбора электронных конфигураций, которые могут быть достигнуты при возбуждении светом, однако для возбуждения посредством столкновительных процессов таких правил нет.

Смотрите также

Примечания

^ ab Атомная, молекулярная и оптическая физика. National Academy Press. 1986. ISBN 978-0-309-03575-0.
^ abcdefg Гордон Дрейк, ред. (1996). Справочник по атомной, молекулярной и оптической физике . Springer . ISBN 978-0-387-20802-2.
^ Чен, LT, ред. (2009). Атомная, молекулярная и оптическая физика: новые исследования . Nova Science Publishers. ISBN 978-1-60456-907-0.
^ CB Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2-е изд.). McGraw Hill. стр. 803. ISBN 978-0-07-051400-3.
^ RE Dickerson; I. Geis (1976). "глава 9". Химия, материя и Вселенная . WA Benjamin Inc. (США). ISBN 978-0-19-855148-5.
^ IR Kenyon (2008). "главы 12, 13, 17" . The Light Fantastic – Введение в классическую и квантовую оптику . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856646-5.
^ YB Band (2010). "главы 3". Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-89931-0.
^ "Оптическая физика". Университет Аризоны. Архивировано из оригинала 13 мая 2019 г. Получено 23 апреля 2014 г.
^ "Slow Light". Science Watch . Получено 22 января 2013 г.
^ YB Band (2010). "главы 9,10". Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-89931-0.
^ CB Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2-е изд.). McGraw Hill. стр. 933–934. ISBN 978-0-07-051400-3.
^ IR Kenyon (2008). "5, 6, 10, 16" . The Light Fantastic – Введение в классическую и квантовую оптику (2-е изд.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856646-5.
^ ab RE Dickerson; I. Geis (1976). "главы 7, 8". Химия, материя и Вселенная . WA Benjamin Inc. (США). ISBN 978-0-19-855148-5.
^ YB Band (2010). Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . John Wiley & Sons. стр. 4–11 . ISBN 978-0-471-89931-0.
^ PA Tipler; G. Mosca (2008). "глава 34". Физика для ученых и инженеров - с Modern Physics . Freeman. ISBN 978-0-7167-8964-2.
^ abcdefghi Хакен, Х. (1981). Свет (Перепечатка. Под ред.). Амстердам ua: Издательство физики Северной Голландии. ISBN 978-0-444-86020-0.

Ссылки

Bransden, BH; Joachain, CJ (2002). Физика атомов и молекул (2-е изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-582-35692-4.
Фут, К. Дж. (2004). Атомная физика . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850696-6.
Герцберг, Г. (1979) [1945]. Атомные спектры и атомная структура . Довер. 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 . Издательство Калифорнийского университета. ISBN 978-0-520-03821-9.
Линдгрен, И. и Моррисон, Дж. (1986). Атомная теория многих тел (второе издание). Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-16649-0.
JR Hook; HE Hall (2010). Физика твердого тела (2-е изд.). Серия физики Манчестера, John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92804-1.
PW Atkins (1978). Физическая химия . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855148-5.
YB Band (2010). Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-89931-0.
IR Kenyon (2008). The Light Fantastic – Введение в классическую и квантовую оптику . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856646-5.
T.Hey, P.Walters (2009). Новая квантовая вселенная . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-56457-1.
Р. Лаудон (1996). Квантовая теория света . Oxford University Press (Oxford Science Publications). ISBN 978-0-19-850177-0.
Р. Айсберг; Р. Резник (1985). Квантовая физика атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (2-е изд.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-87373-0.
PW Atkins (1974). Quanta: Справочник концепций . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855493-6.
Э. Аберс (2004). Квантовая механика . Pearson Ed., Addison Wesley, Prentice Hall Inc. ISBN 978-0-13-146100-0.
PW Atkins (1977). Молекулярная квантовая механика, части I и II: Введение в КВАНТОВУЮ ХИМИЮ (том 1) . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855129-4.
PW Atkins (1977). Молекулярная квантовая механика Часть III: Введение в КВАНТОВУЮ ХИМИЮ (Том 2) . Oxford University Press. 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 , YB Band, John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0471-89931-0
Фантастический свет – Введение в классическую и квантовую оптику , IR Kenyon, Oxford University Press, 2008, ISBN 978-0-19-856646-5
Справочник по атомной, молекулярной и оптической физике , редактор: Гордон Дрейк, Springer , разные авторы, 1996, ISBN 0-387-20802-X
Фокс, Марк (2010). Оптические свойства твердых тел . Оксфорд, Нью-Йорк: Oxford University Press. 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 - Отделение атомной, молекулярной и оптической физики
Европейское физическое общество - Отделение атомной, молекулярной и оптической физики
Национальный научный фонд — атомная, молекулярная и оптическая физика
Центр ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарварда
Стэнфордская инициатива QFARM для квантовой науки и техники
JILA - Атомная и молекулярная физика
Объединенный квантовый институт Мэрилендского университета и NIST
Физическое отделение ORNL
Университет Квинс в Белфасте — Центр теоретической, атомной, молекулярной и оптической физики,
Калифорнийский университет в Беркли — атомная, молекулярная и оптическая физика

[nap-1] Атомная, молекулярная и оптическая физика. National Academy Press. 1986. ISBN 978-0-309-03575-0.

[Drake-2] Гордон Дрейк, ред. (1996). Справочник по атомной, молекулярной и оптической физике . Springer . ISBN 978-0-387-20802-2.

[chen-3] Чен, LT, ред. (2009). Атомная, молекулярная и оптическая физика: новые исследования . Nova Science Publishers. ISBN 978-1-60456-907-0.

[4] CB Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2-е изд.). McGraw Hill. стр. 803. ISBN 978-0-07-051400-3.

[5] RE Dickerson; I. Geis (1976). "глава 9". Химия, материя и Вселенная . WA Benjamin Inc. (США). ISBN 978-0-19-855148-5.

[6] IR Kenyon (2008). "главы 12, 13, 17" . The Light Fantastic – Введение в классическую и квантовую оптику . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856646-5.

[7] YB Band (2010). "главы 3". Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-89931-0.

[8] "Оптическая физика". Университет Аризоны. Архивировано из оригинала 13 мая 2019 г. Получено 23 апреля 2014 г.

[9] "Slow Light". Science Watch . Получено 22 января 2013 г.

[10] YB Band (2010). "главы 9,10". Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-89931-0.

[11] CB Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2-е изд.). McGraw Hill. стр. 933–934. ISBN 978-0-07-051400-3.

[12] IR Kenyon (2008). "5, 6, 10, 16" . The Light Fantastic – Введение в классическую и квантовую оптику (2-е изд.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856646-5.

[R.E._Dickerson,_I._Geis_1976-13] RE Dickerson; I. Geis (1976). "главы 7, 8". Химия, материя и Вселенная . WA Benjamin Inc. (США). ISBN 978-0-19-855148-5.

[14] YB Band (2010). Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . John Wiley & Sons. стр. 4–11 . ISBN 978-0-471-89931-0.

[15] PA Tipler; G. Mosca (2008). "глава 34". Физика для ученых и инженеров - с Modern Physics . Freeman. ISBN 978-0-7167-8964-2.

[Haken-16] Хакен, Х. (1981). Свет (Перепечатка. Под ред.). Амстердам ua: Издательство физики Северной Голландии. ISBN 978-0-444-86020-0.