Атомска, молекуларна и оптичка физика

Атомската, молекуларната и оптичката физика (АМО) ги изучува на материјата и интеракциите на светлината; на скала од еден или неколку атоми [1] и енергетски скали околу неколку електронски волти [2]: 1356 [3] Трите области се тесно поврзани. Теоријата на АМО вклучува класични, полукласични и квантни третмани. Типично, теоријата и примената на емисијата, апсорпцијата, расејувањето на електромагнетното зрачење (светлина) од возбудени атоми и молекули, анализата на спектроскопијата, генерацијата на ласери и масери и оптичките својства на материјата воопшто, спаѓаат во овие категории.

Атомска и молекуларна физика

Боров модел на Атом на водород

Атомската физика е поле на АМО кое ги проучува атомите како изолиран систем на електрони и атомско јадро, додека молекуларната физика е проучување на физичките својства на молекулите. Терминот атомска физика често се поврзува со јадрената енергија и јадрените бомби, поради употреба како синоними на атомска и јадрена енергија на стандарден англиски јазик. Сепак, физичарите прават разлика меѓу атомската физика - која се занимава со атомот како систем кој се состои од јадро и електрони - и јадрената физика, која го разгледува атомскиот нуклеалон. Важни експериментални техники се различните видови на спектроскопија. Молекуларната физика, иако тесно поврзана со атомската физика, исто така, многу се преклопува со теоретската хемија, физичката хемија и хемиската физика. [4]

Двете се примарно засегнати со електронската структура и динамичките процеси со кои се менуваат овие аранжмани. Генерално, оваа работа вклучува употреба на квантната механика. За молекуларната физика, овој пристап е познат како квантна хемија. Еден важен аспект на молекуларната физика е дека основната атомска орбитална теорија во полето на атомската физика се проширува кон молекуларната орбитална теорија. [5] Молекуларната физика се занимава со атомски процеси во молекулите, но дополнително е засегната со ефектите што се должат на молекуларната структура. Дополнително, на електронските побудувачки состојби кои се познати од атоми, молекулите можат да ротираат и да вибрираат. Овие ротации и вибрации се квантизирани; постојат дискретни нивоа на енергија. Најмали енергетски разлики постојат помеѓу различни вртежни состојби, па затоа чистиот ротациски спектар се наоѓа далеку во инфрацрвениот регион (околу 30-150 μm бранова должина) на електромагнетниот спектар. Вибрациските спектри се наоѓаат во близина на инфрацрвениот регион (околу 1-5 μm), а спектрите кои произлегуваат од електронските транзиции се најчесто во видливите и ултравиолетови региони. Од мерењето на вртежните и вибрационите спектри може да се пресметаат својствата на молекулите како што се растојанието помеѓу јадрата. [6]

Како и кај многу научни полиња, строгите разграничувања можат да бидат високо измислени, а атомската физика често се разгледува во поширокиот контекст на атомската, молекуларната и оптичката физика. Физичките истражувачки групи обично се толку класифицирани

Оптичка физика

Оптичката физика е студија за генерирање на електромагнетно зрачење, својствата на тоа зрачење и интеракцијата на тоа зрачење со материјата, [7] особено неговата манипулација и контрола [8]. Се разликува од општата оптика и оптичкото инженерство со тоа што е фокусирана на откривањето и примената на нови појави. Сепак, не постои силна разлика меѓу оптичката физика, применетата оптика и оптичкото инженерство, бидејќи уредите за оптичко инженерство и апликациите на применета оптика се неопходни за основно истражување во оптичката физика, а тоа истражување води до развој на нови уреди и апликации. Често истите луѓе се вклучени во основните истражувања и применетиот развој на технологијата, на пример експерименталната демонстрација на електромагнетно индуцирана транспарентност од С. Е. Харис и од бавното светло од Харис и Лен Вестергард Хау. [9] [10] Истражувачите во оптичката физика користат и развиваат извори на светлина кои го опфаќаат електромагнетниот спектар од микробрановите до Х-зраците. Оваа област вклучува генерирање и откривање на лесни, линеарни и нелинеарни оптички процеси и спектроскопија. Ласерите и ласерската спектроскопија ја трансформираа оптичката наука. Голема студија во оптичката физика е исто така посветена на квантната оптика и кохерентност и на фемтосекундната оптика [1] Во оптичката физика, поддршката се обезбедува и во областите како што се нелинеарниот одговор на изолираните атоми во интензивните, ултра-кратки електромагнетни полиња, интеракцијата на атомот-шуплина на високите полиња и квантните својства на електромагнетното поле. [11] Други важни области на истражување вклучуваат развој на нови оптички техники за нано-оптички мерења, дифрактивна оптика, нискокохерентна интерферометрија, оптичка кохерентна томографија и блиско поле на микроскопија. Истражувањата во оптичката физика ставаат акцент на ултра-брзата оптичка наука и технологија. Апликациите на оптичката физика создаваат напредок во комуникациите, медицината, производството, па дури и забава. [12]

Историја

Еден од најраните чекори кон атомската физика беше признавањето дека материјата е составена од атоми, современи термини на основната единица на хемискиот елемент. Оваа теорија ја развил Џон Далтон во 18 век. Во оваа фаза, не беше јасно за кои атоми се работи- иако тие може да бидат опишани и класифицирани според нивните видливи својства во најголемиот дел; сумирани од периодниот систем во развој, од Џон Нојлендс и Дмитриј Менделеев околу средината до крајот на 19 век. [13] Подоцна, врската помеѓу атомската физика и оптичката физика станала очигледна, преку откривање на спектрални линии и обиди да се опише феноменот - особено од Џозеф фон Фраунхофер, Френел и други во 19 век [14]. Од тоа време па до 1920-тите, физичарите се обидуваат да ги објаснат атомските спектри и зрачење на црното тело. Еден обид да се објаснат водородните спектрални линии беше моделот на Боров атом. [13] Експериментите кои ги вклучуваат електромагнетното зрачење и материјата - како што се фотоелектричниот ефект, Комптон-ефектот и спектарот на сончевата светлина поради непознатиот елемент на Хелиум, ограничувањето на Боровскиот модел на Водород и бројни други причини, доведоа до сосема нов математички модел на материјата и светлината: квантна механика. [15]

Класичен осцилаторен модел на материјата

Раните модели за објаснување на потеклото на показателот на прекршување третираат електрони во атомски систем класично според моделот на Пол Друде и Хендрик Лоренц. Теоријата беше развиена за да се обиде да обезбеди потекло за показателот на прекршување n од материјалот зависен од бранова должина. Во овој модел, инцидентот електромагнетни бранови го принудуваат електронот врзан за атомот да осцилира. Амплитудата на осцилацијата тогаш би имала врска со честотата на инцидентот, електромагнетниот бран и резонантните честоти на осцилаторот. Суперпозицијата на овие емитирани бранови од многу осцилатори потоа ќе доведе до бран што се движи побавно. [16]: 4-8

Првиот квантен модел на материјата и светлината

Макс Планк добива формула за да го опише електромагнетното поле во кутијата кога е во топлинска рамнотежа во 1900 година. [16]: 8-9 Неговиот модел се состоеше од суперпозиција на стоечките бранови. Во една димензија, кутијата има должина L, и само синусоидни бранови со брановидна бројка

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

може да се случат во полето, каде што n е позитивен цел број (математички означен со). Равенката што ги опишува овие стојни бранови е дадена со:

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

каде E0 е големината на амплитудата на електричното поле, а E е големината на електричното поле во позиција x. Од овој основен закон произлегува Планковиот закон [16]: 4-8,51-52 Во 1911 година, Ернест Радерфорд заклучил, врз основа на расејување на алфа-честички, дека атомот има централен протонски вид. Тој, исто така, сметал дека електронот ќе биде сè уште привлечен од протонот според законот Кулон, кој сè уште се одржа на мали размери. Како резултат на тоа, тој верувал дека електроните се вртат околу протонот. Нилс Бор, во 1913 година, го комбинирал моделот на Ратерфорд на атомот со квантизациони идеи на Планк. Може да постојат само специфични и добро дефинирани орбити на електронот, кои, исто така, не зрачат светлина. Во орбитата на скокање електронот ќе испушта или апсорбира светлина што одговара на разликата во енергијата на орбитите. Неговото предвидување на нивоата на енергија тогаш беше во согласност со набљудувањето. [16]: 9-10 Овие резултати, засновани на дискретен сет на специфични стојни бранови, не беа во согласност со континуираниот модел на класичен осцилатор [16]: 8 Работата на Алберт Ајнштајн во 1905 година на фотоелектричниот ефект доведе до асоцијација на светлосниот бран на честота со фотон на енергија. Во 1917 година Ајнштајн создал продолжување на моделот на Борс со воведувањето на трите процеси на стимулирана емисија, спонтана емисија и апсорпција (електромагнетно зрачење) [16]: 11

Современи третмани

Најголемите чекори кон современиот третман беа формулирањето на квантната механика со пристапот на матрична механика од Вернер Хајзенберг и откривањето на равенката Шредингер од Ервин Шредингер [16]: 12

Постојат различни полукласични третмани во АМО. Кои аспекти на проблемот се третираат квантно механички и кои се третирани класично зависи од конкретниот проблем кој се проучува. Полукласичниот пристап е сеприсутен во компјутерската работа во рамките на АМО, во голема мера поради големиот пад на пресметковните трошоци и сложеноста.

За материјата под дејство на ласер, целосно квантната механичка обработка на атомскиот или молекуларниот систем се комбинира со системот кој треба да биде под дејство на класично електромагнетно поле [16]: 14 Бидејќи полето е третирано класично, не може да се справи со спонтана емисија. [16]: 16 Овој полукласичен третман важи за повеќето системи, [2]: 997 особено оние под дејство на ласерски полиња со висок интензитет [2]: 724. Дистинкцијата помеѓу оптичката физика и квантната оптика е во употреба на полукласични и целосно квантни третмани, соодветно. [2]: 997

Во рамките на динамиката на судир и со користење на полукласичниот третман, внатрешните степени на слобода можат да се третираат квантно механички, додека релативното движење на квантните системи што се разгледуваат се третираат класично [2]: 556. Кога се разгледуваат судири со средно и високо ниво на брзина јадрата може да се третираат класично, додека електронот се третира со квант механички модели. Во судири со мала брзина, приближувањето не успева [2]: 754

Класичните методи на Монте-Карло за динамиката на електроните може да се опишат како полукласични со тоа што првичните услови се пресметуваат со користење на целосно квантен третман, но сите понатамошни третмани се класични. [2]: 871

Изолирани атоми и молекули

Атомската, молекуларната и оптичката физика често ги разгледуваат атомите и молекулите во изолација. Атомските модели се состојат од едно јадро кое може да биде опкружено со еден или повеќе врзани електрони, додека молекуларните модели обично се занимаваат со молекуларен водород и неговиот молекуларен водороден јон. Тие се занимаваат со процеси како што се јонизација, над прагот на јонизација и ексцитација од страна на фотони или судири со атомски честички.

Додека моделирањето на атомите во изолација не може да изгледа реалистично, но ако се земат предвид молекулите во гас или плазма тогаш временските размери за интеракциите на молекулните молекули се огромни во споредба со атомските и молекуларните процеси за кои сме засегнати. Ова значи дека поединечно молекулите може да се третираат како секој да биде изолиран за поголемиот дел од времето. Со ова разгледување, атомската и молекуларната физика ја обезбедува основната теорија во физикатата на плазма и атмосферската физика, иако двете се справуваат со огромен број молекули.

Електронска конфигурација

Електроните формираат поединечни школки околу јадрото. Тие се природно во основна состојба, но можат да бидат возбудени со апсорпција на енергија од светлина (фотони), магнетни полиња или интеракција со судир на честички (обично други електрони). Електроните што ја населуваат школка се вели дека се во врзана состојба. Енергијата потребна за отстранување на електрони од нејзината обвивка (земајќи ја до бесконечност) се нарекува врзивна енергија. Секоја количина на енергија апсорбирана од електронот што јанадминува оваа количина се претвора во кинетичка енергија според принципот на конзервација на енергија. Се вели дека атомот бил подложен на јонизација. Во случај електронот да апсорбира количина на енергија помала од врзивната енергија, таа може да премине во возбудена состојба или во виртуелна состојба. По статистички доволна количина на време, електронот во возбудена состојба ќе премине во пониска состојба преку спонтана емисија. Мора да се земе предвид промената на енергијата помеѓу двете енергетски нивоа (конзервација на енергија). Во неутрален атом, системот ќе испушти фотон на разликата во енергијата. Меѓутоа, ако пониската состојба е во внатрешната обвивка, феноменот познат како ефект на Аугер може да се случи каде што енергијата се пренесува на други врзани електрони, предизвикувајќи таа да влезе во континуумот. Ова овозможува да се размножи јонизиран атом со еден фотон. Постојат строги правила за селекција во однос на електронските конфигурации кои може да се добијат со возбуда со помош на светлина, но сепак не постојат такви правила за возбудување со процеси на судир.