Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Атомная, молекулярная и оптическая физика ( AMO ) - это изучение взаимодействий материя- материя и свет- материя; в масштабе одного или нескольких атомов [1] и масштабах энергии около нескольких электрон-вольт . [2] : 1356 [3] 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) извозбужденные атомы и молекулы , спектроскопический анализ, генерация лазеров и мазеров и оптические свойства вещества в целом попадают в эти категории.

Атомная и молекулярная физика [ править ]

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 рассматриваеттолько 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 . [4]

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 . [5] 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 . 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 . Спектры колебаний находятся в ближней инфракрасной области (около 1–5 мкм), а спектры электронных переходов в основном в видимой и ультрафиолетовой областях.регионы. Измеряя вращательные и колебательные спектры, можно вычислить такие свойства молекул, как расстояние между ядрами. [6]

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 [ править ]

Оптическая физика является исследование генерации электромагнитного излучения , свойства этого излучения, и взаимодействие этого излучения с вопросом , [7] , особенно ее манипуляции и контроля. [8] Он отличается от общей оптики и оптической инженерии.в том, что он 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 эти 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 . [9] [10]

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, линейных и нелинейных оптических процессов и спектроскопию . Лазеры и лазерная спектроскопия изменили оптику. Основные исследования в области оптической физики также посвящены квантовой оптике и когерентности , а также фемтосекундной оптике. [1]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. [11]

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 . [12]

История [ править ]

Бор модель из атома водорода

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. [13]

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. [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 из-за неизвестного элемента гелия , ограничение модели Бора водородом и многие другие причины, приводят к совершенно новой математической модели. материи и света: квантовая механика . [15]

Классическая осцилляторная модель материи [ править ]

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. суперпозицияИз этих волн, излучаемых многими осцилляторами, тогда получилась бы волна, которая двигалась бы медленнее.[16] : 4–8

Ранняя квантовая модель материи и света [ править ]

Макс Планк вывел формулу для описания электромагнитного поля внутри ящика, когда он находился 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 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 . [16] : 4–8,51–52

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. [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 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) . [16] : 11

Современные методы лечения [ править ]

Самые крупные шаги в направлении современного лечения была формулировка квантовой механики с матричной механики подхода Вернера Гейзенберга и открытия уравнения Шредингера по Эрвина Шредингера . [16] : 12

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. [16] : 14 Поскольку поле трактуется классически, оно не может иметь дело со спонтанным излучением . [16] : 16 Это полуклассическое рассмотрение справедливо для большинства систем, [2] : 997 особенно тех, которые находятся под действием лазерных полей высокой интенсивности. [2] : 724 Различие между оптической физикой и квантовой оптикой заключается в использовании полуклассической и полностью квантовой трактовки 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 со средней и высокой скоростью, ядра можно рассматривать классически, а электроны - квантово-механически. При столкновениях на малых скоростях приближение не выполняется. [2] : 754

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. [2] : 871

Изолированные атомы и молекулы [ править ]

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 времени для взаимодействий 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 находилась изолированно 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 [ править ]

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, явление, известное как эффект Ожеможет иметь место, когда энергия передается другим связанным электронам, заставляя ее перейти 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.

См. Также [ править ]

  • 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 фотона
  • Квантовая химия
  • Квантовая оптика
  • Жесткий ротор
  • Спектроскопия
  • Superlens
  • Стационарное состояние
  • Переход государства
  • Векторная модель атома

Заметки [ править ]

  1. ^ a b Атомная, молекулярная и оптическая физика . Национальная академия прессы. 1986. ISBN 978-0-309-03575-0.
  2. ^ a b c d e f g Редактор: Гордон Дрейк (разные авторы) (1996). Справочник по атомной, молекулярной и оптической физике . Springer . ISBN 978-0-387-20802-2.CS1 maint: extra text: authors list (link)
  3. Перейти ↑ Chen, LT (ed.) (2009). Атомная, молекулярная и оптическая физика: новые исследования . Издательство Nova Science. ISBN 978-1-60456-907-0.CS1 maint: extra text: authors list (link)
  4. Перейти ↑ CB Parker (1994). Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е изд.). Макгроу Хилл. п. 803 . ISBN 978-0-07-051400-3.
  5. ^ RE 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» . The Light Fantastic - 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 Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-89931-0.
  8. ^ «Оптическая физика» . Университет Аризоны . Проверено 23 апреля 2014 года .
  9. ^ "Медленный свет" . Science Watch . Проверено 22 января 2013 года .
  10. ^ Группа YB (2010). «главы 9,10». Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-89931-0.
  11. Перейти ↑ CB Parker (1994). Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е изд.). Макгроу Хилл. С.  933–934 . ISBN 978-0-07-051400-3.
  12. ^ ИК Кеньон (2008). «5, 6, 10, 16» . The Light Fantastic - Введение в классическую и квантовую оптику (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856646-5.
  13. ^ a b Р. Э. 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 Вили и сыновья. С. 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 . Фримен. ISBN 978-0-7167-8964-2.
  16. ^ Б с д е е г ч я Хакеном, H. (1981). Свет (Перепечатка. Ред.). Amsterdam ua: North-Holland Physics Publ. ISBN 978-0-444-86020-0.

Ссылки [ править ]

  • 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.
  • YB Band (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.
  • П. У. 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 [ править ]

  • Модели Лоренца и Друде (см. И послушайте лекцию 2)
  • Нелинейные и анизотропные материалы (см. И послушайте лекцию 3)
  • ScienceDirect - достижения в атомной, молекулярной и оптической физике
  • Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика

Учреждения [ править ]

  • 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
  • MIT-Гарвардский центр ультрахолодных атомов
  • JILA - Атомная и молекулярная физика
  • Объединенный квантовый институт Мэрилендского университета и NIST
  • ORNL Физический отдел
  • Королевский университет Белфаста - Центр теоретической, атомной, молекулярной и оптической физики ,
  • Калифорнийский университет в Беркли - атомная, молекулярная и оптическая физика