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

Часть серии на
Квантовая механика

Атомная, молекулярная и оптическая физика (AMO) является изучение иметь значение -материю и свет -материальные взаимодействия; в масштабе одного или нескольких атомы[1] и энергия масштабируется около нескольких электрон-вольт.[2]:1356[3] Эти три области тесно взаимосвязаны. Теория AMO включает классический, полуклассический и квант лечения. Обычно теория и приложения выброс, поглощение, рассеяние из электромагнитное излучение (свет) от в восторге атомы и молекулы, спектроскопический анализ, генерация лазеры и мазеры и оптические свойства вещества в целом попадают в эти категории.

Атомная и молекулярная физика

Основные статьи: Атомная физика и Молекулярная физика

Атомная физика - подполе AMO, изучающее атомы как изолированную систему электроны и атомное ядро, пока молекулярная физика изучение физических свойств молекулы. Период, термин атомная физика часто ассоциируется с атомная энергия и ядерные бомбы, из-за синоним использование атомный и ядерный в Стандартный английский. Однако физики различают атомную физику, которая рассматривает атом как систему, состоящую из ядра и электронов, и ядерная физика, который считает атомные ядра один. Важными экспериментальными методами являются различные типы спектроскопия. Молекулярная физика, будучи тесно связанным с атомная физика, также сильно пересекается с теоретическая химия, физическая химия и химическая физика.[4]

Оба подполя в первую очередь связаны с электронная структура и динамические процессы, с помощью которых меняются эти устройства. 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 атомная орбиталь теория в области атомной физики расширяется до молекулярная орбиталь теория.[5] Молекулярная физика занимается атомными процессами в молекулах, но дополнительно занимается эффектами, связанными с молекулярная структура. 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 чисто вращательные спектры находятся далеко инфракрасный область (около 30 - 150 мкм длина волны ) из электромагнитный спектр. Колебательные спектры находятся в ближней инфракрасной области (около 1 - 5 мкм), а спектры, полученные от электронных переходов, в основном находятся в видимой и ультрафиолетовый 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. атомная, молекулярная и оптическая физика. Обычно так классифицируются группы исследователей физики.

Оптическая физика

Смотрите также: Оптика

Оптическая физика это исследование поколения электромагнитное излучение, свойства этого излучения и взаимодействие этого излучения с иметь значение,[7] особенно его манипуляции и контроль.[8] Он отличается от общего оптика и оптическая инженерия 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 что исследования приводят к разработке новых устройств. и приложения. Часто одни и те же люди участвуют как в фундаментальных исследованиях, так и в разработке прикладных технологий, например, экспериментальной демонстрации электромагнитно индуцированная прозрачность к С. Э. Харрис и из медленный свет Харрисом и Лене Вестергаард Хау.[9][10]

Исследователи оптической физики используют и разрабатывают источники света, охватывающие весь электромагнитный спектр из микроволны к Рентгеновские лучи. Поле включает в себя генерацию и обнаружение света, линейного и нелинейный оптические процессы и спектроскопия. Лазеры и лазерная спектроскопия преобразовали оптическую науку. Основные исследования по оптической физике также посвящены квантовая оптика и согласованность, и чтобы фемтосекунда оптика.[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, дифракционная оптика, низкокогерентная интерферометрия, оптической когерентной томографии, и ближнепольная микроскопия. Исследования в области оптической физики делают упор на сверхбыструю оптическую науку и технологии. Приложения оптической физики способствуют развитию коммуникации, лекарство, производство, и даже развлекательная программа.[12]

История

Основные статьи: Атомная теория и Основы квантовой механики
В Модель Бора из Атом водорода

Один из первых шагов к атомная физика было признание того, что материя состоит из атомы, говоря современным языком, основная единица химический элемент. Эта теория была разработана Джон Далтон в 18 веке. На этом этапе было неясно, что такое атомы, хотя их можно было описать и классифицировать по их наблюдаемым свойствам в целом; резюмируется развивающимися периодическая таблица, к Джон Ньюлендс и Дмитрий Менделеев примерно с середины до конца 19 века.[13]

Позже связь между атомной физикой и оптическая физика стала очевидной с открытием спектральные линии и попытки описать это явление - в частности, Йозеф фон Фраунгофер, Френель, и другие в 19 веке.[14]

С того времени 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, в том числе электромагнитное излучение и материя - например, фотоэлектрический эффект, Эффект Комптона, а спектры солнечного света обусловлены неизвестным элементом Гелий, ограничение модели Бора водородом и множество других причин приводят к совершенно новой математической модели вещества и света: квантовая механика.[15]

Классическая осцилляторная модель материи

Ранние модели, объясняющие происхождение показатель преломления лечил электрон в атомной системе классически по модели Пол Друде и Хендрик Лоренц. Теория была разработана, чтобы попытаться определить происхождение зависящего от длины волны показателя преломления п материала. В этой модели инцидент электромагнитные волны заставил электрон, связанный с атомом, колебаться. В амплитуда колебания тогда будет иметь отношение к частота падающей электромагнитной волны и резонансный частоты генератора. В суперпозиция Из этих волн, излучаемых многими осцилляторами, тогда получилась бы волна, которая двигалась бы медленнее.[16]:4–8

Ранняя квантовая модель материи и света

Макс Планк вывел формулу для описания электромагнитное поле внутри коробки, когда в тепловое равновесие в 1900 г.[16]:8–9Его модель состояла из суперпозиции стоячие волны. В одном измерении коробка имеет длину L, и только синусоидальные волны волновое число

может находиться в коробке, где п положительный целое число (математически обозначается как ). Уравнение, описывающее эти стоячие волны, имеет вид:

.

куда E0 это величина электрическое поле амплитуда, и E - величина электрического поля в положении Икс. Исходя из этого, Закон планка был выведен.[16]:4–8,51–52

В 1911 г. Эрнест Резерфорд пришел к выводу, основываясь на рассеянии альфа-частиц, 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 г. 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 дискретный набор специфических стоячих волн, несовместимые с непрерывный классическая модель осциллятора.[16]:8

Работа Альберт Эйнштейн в 1905 г. на фотоэлектрический эффект привел к ассоциации световой волны 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

Самым большим шагом к современному пониманию была формулировка квантовой механики с матричная механика подход через Вернер Гейзенберг и открытие Уравнение Шредингера к Эрвин Шредингер.[16]:12

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

Что касается 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 трактуется классически, оно не может справиться с спонтанное излучение.[16]:16 Этот полуклассический подход подходит для большинства систем,[2]:997 особенно под действием лазерных полей высокой интенсивности.[2]:724 Разница 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 рассматривать 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 это приближение не работает.[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

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 атомами. ион молекулярного водорода. Он связан с такими процессами, как ионизация, выше пороговой ионизации и возбуждение фотонами или столкновениями с атомными частицами.

Хотя моделирование атомов по отдельности может показаться нереалистичным, если рассматривать молекулы в газ или же плазма 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 была изолирована большую часть времени. Таким образом, атомная и молекулярная физика дает основную теорию физика плазмы и физика атмосферы хотя оба имеют дело с огромным количеством молекул.

Электронная конфигурация

Электроны образуют условные снаряды вокруг ядра. Это естественно в основное состояние но может быть возбужден поглощением энергии света (фотоны ), магнитные поля или взаимодействие со сталкивающейся частицей (обычно с другими электронами).

Считается, что электроны, населяющие оболочку, находятся в связанное состояние. Энергия, необходимая для удаления электрона из его оболочки (уноса его на бесконечность), называется энергией. энергия связи. Любое количество энергии, поглощенной электроном сверх этого количества, преобразуется в кинетическая энергия согласно сохранение энергии. Говорят, что атом претерпел процесс ионизация.

В случае, если электрон поглощает количество энергии меньше энергии связи, он может перейти в возбужденное состояние или к виртуальное состояние. Через статистически достаточное количество времени электрон в возбужденном состоянии перейдет в более низкое состояние через спонтанное излучение. 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 оже может иметь место, когда энергия передается другим связанным электронам, заставляя ее перейти в континуум. Это позволяет многократно ионизировать атом одним фотоном.

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

Смотрите также

Примечания

  1. ^ а б Атомная, молекулярная и оптическая физика. Национальная академия прессы. 1986 г. ISBN  978-0-309-03575-0.
  2. ^ а б c d е ж грамм Редактор: Гордон Дрейк (разные авторы) (1996). Справочник по атомной, молекулярной и оптической физике. Springer. ISBN  978-0-387-20802-2.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  3. ^ Чен, Л. Т. (ред.) (2009). Атомная, молекулярная и оптическая физика: новые исследования. Издательство Nova Science. ISBN  978-1-60456-907-0.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  4. ^ К. Б. Паркер (1994). Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е изд.). Макгроу Хилл. п.803. ISBN  978-0-07-051400-3.
  5. ^ Р. Э. Дикерсон; И. Гейс (1976). «Глава 9». Химия, материя и Вселенная. W.A. Benjamin Inc. (США). ISBN  978-0-19-855148-5.
  6. ^ I.R. 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 Ю. Б. (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. Получено 23 апреля, 2014.
  9. ^ "Медленный свет". Научные часы. Получено 22 янв, 2013.
  10. ^ Ю. Группа (2010). «главы 9,10». Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-89931-0.
  11. ^ К. Б. Паркер (1994). Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е изд.). Макгроу Хилл. стр.933–934. ISBN  978-0-07-051400-3.
  12. ^ И. Р. 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. ^ а б Р. Э. Дикерсон; И. Гейс (1976). «главы 7, 8». Химия, материя и Вселенная. W.A. Benjamin Inc. (США). ISBN  978-0-19-855148-5.
  14. ^ Ю. Группа (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. ^ а б c d е ж грамм час я Хакен, Х. (1981). Свет (Перепечатка. Ред.). Амстердам, u.a .: North-Holland Physics Publ. ISBN  978-0-444-86020-0.

Рекомендации

  • Bransden, B.H .; Иоахайн, CJ (2002). Физика атомов и молекул (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN  978-0-582-35692-4.
  • Фут, К. Дж. (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.
  • Дж. Р. Хук; Х. Э. Холл (2010). Физика твердого тела (2-е изд.). Манчестерская серия по физике, John Wiley & Sons. ISBN  978-0-471-92804-1.
  • П. В. Аткинс (1978). Физическая химия. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-855148-5.
  • Группа Ю. Б. (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. 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.). Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-87373-0.
  • П.В. 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.В. 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.В. 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), Дж. Р. Хук, Х. Холл, Manchester Physics Series, John Wiley & Sons, 2010 г., ISBN  978 0 471 92804 1
  • Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры, Ю. Группа, John Wiley & Sons, 2010, ISBN  978-0471-89931-0
  • The Light Fantastic - Введение в классическую и квантовую оптику, И. Кеньон, Oxford University Press, 2008 г., 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: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-957336-3.

внешняя ссылка

Учреждения