Кіріспе
Атомдық, молекулалық және оптикалық физика (АМО) – бір немесе бірнеше атомдар деңгейінде және бірнеше электрон вольт энергия шкаласындағы материя-материя және жарық-материя өзара әрекеттесуін зерттеу. Бұл үш сала тығыз байланысты. АМО теориясы классикалық, жартылай классикалық және кванттық талдауларды қамтиды. Әдетте, қозған атомдар мен молекулалардан электромагниттік сәулеленудің (жарықтың) шығарылуы, сіңірілуі, шашырауы, спектроскопияның талдауы, лазерлер мен мазерлерді жасау, сондай-ақ материяның оптикалық қасиеттері туралы теория мен қолданыстары осы санаттарға жатады.
Atomic, molecular, and optical physics (AMO) is the study of matter–matter and light–matter interactions, at the scale of one or a few atoms and energy scales around several electron volts. The three areas are closely interrelated. AMO theory includes classical, semi classical and quantum treatments. Typically, the theory and applications of emission, absorption, scattering of electromagnetic radiation (light) from excited atoms and molecules, analysis of spectroscopy, generation of lasers and masers, and the optical properties of matter in general, fall into these categories.
Атомдық және молекулалық физика
Атомдық физика – атомды электрондар мен атом ядросының оқшауланған жүйесі ретінде зерттейтін АМО-ның кіші саласы, ал молекулалық физика – молекулалардың физикалық қасиеттерін зерттейтін ғылым. Атомдық физика термині көбінесе ядролық энергия мен ядролық бомбалармен байланысты, себебі стандартты ағылшын тілінде «атомдық» және «ядролық» сөздері синоним ретінде қолданылады. Дегенмен, физиктер атом физикасын – ядро мен электрондардан тұратын жүйе ретінде атомды зерттейтін сала, және тек атом ядроларын қарастыратын ядролық физиканы ажыратады. Маңызды тәжірибелік әдістер – спектроскопияның түрлі түрі. Молекулалық физика атом физикасымен тығыз байланысты, сонымен қатар теориялық химия, физикалық химия және химиялық физикамен де көп ортақ нәрселері бар. Екі сала да электрондық құрылымға және осы құрылымдардың өзгеруінің динамикалық процестеріне қатысты. Әдетте, бұл жұмыс кванттық механиканы қолдануды қамтиды. Молекулалық физика үшін бұл тәсіл кванттық химия деп аталады. Молекулалық физиканың маңызды аспектілерінің бірі – атомдық физика саласындағы негізгі атомдық орбиталь теориясы молекулалық орбиталь теориясына дейін кеңейеді. Молекулалық физика молекулалардағы атомдық процестермен айналысады, бірақ сонымен қатар молекулалық құрылымға байланысты әсерлерді де қарастырады. Атомдардағы белгілі электрондық қоздырулардан өзге, молекулалар айналуға және тербелуге қабілетті. Бұл айналулар мен тербелулер квантталған, яғни дискретті энергия деңгейлеріне ие. Әртүрлі айналу күйлері арасындағы ең кішкентай энергия айырмашылығы бар, сондықтан таза айналу спектрлері электромагниттік спектрдің алыс инфрақызыл аймағында (шамамен 30-150 мкм толқын ұзындығы) орналасады. Тербеліс спектрлері жақын инфрақызыл (шамамен 1-5 мкм) аймақта, ал электрондық ауысулардан туындайтын спектрлер көбінесе көрінетін және ультракүлгін аймақтарда болады. Молекулалардың айналу және тербеліс спектрлерін өлшеу арқылы ядролар арасындағы қашықтықты есептеуге болады. Көптеген ғылыми салалардағыдай, қатаң шектелу шартты болуы мүмкін, және атом физикасы көбінесе атомдық, молекулалық және оптикалық физиканың кең контекстінде қарастырылады. Физика зерттеу топтары әдетте осылай классификацияланады.
Оптика физикасы
Оптика физикасы – электромагниттік сәулеленудің туындауы, оның қасиеттері және материямен өзара әрекеттесуін, әсіресе оны манипуляциялау мен басқаруды зерттейтін ғылым. Ол жалпы оптикадан және оптикалық инженериядан жаңа құбылыстарды ашу мен қолдануға бағытталғандығымен ерекшеленеді. Дегенмен, оптика физикасы, қолданбалы оптика және оптикалық инженерия арасында қатаң шекара жоқ, себебі оптикалық инженерияның құралдары мен қолданбалы оптиканың қолданыстары оптика физикасындағы негізгі зерттеулер үшін қажет, ал осы зерттеулер жаңа құралдар мен қолданыстарды дамытуға әкеледі. Көбінесе бір адамдар негізгі зерттеулермен де, қолданбалы технологияларды дамытумен де айналысады, мысалы, С.Э. Харрис пен Лене Вестергаард Хаудың электромагниттік түрде туындаған мөлдірлікті және жарық жылдамдығын баяулатуды эксперименталды түрде көрсетуі. Оптика физикасының зерттеушілері микротолқындардан рентген сәулелеріне дейінгі электромагниттік спектрді қамтитын жарық көздерін пайдаланады және жасайды. Бұл салаға жарықтың туындауы мен анықталуы, сызықтық және сызықсыз оптикалық процестер, сондай-ақ спектроскопия кіреді. Лазерлер мен лазерлік спектроскопия оптика ғылымын өзгертіп жіберді. Оптика физикасының маңызды зерттеулері кванттық оптика мен когеренттілікке, сондай-ақ фемтосекундтық оптикаға арналған. Басқа да маңызды зерттеу салаларына нанооптикалық өлшемдер, дифракциялық оптика, төмен когерентті интерферометрия, оптикалық когерентті томография және жақын өріс микроскопиясы үшін жаңа оптикалық техникаларды әзірлеу кіреді. Оптика физикасы зерттеулері ультражылдам оптикалық ғылым мен технологияға ерекше назар аударады. Оптика физикасының қолданыстары коммуникация, медицина, өндіріс және тіпті ойын-сауық салаларындағы жетістіктерге ықпал етеді.
Тарих
Атомдық физикаға жасалған алғашқы қадамдардың бірі – заттың атомдардан тұратынын түсіну болды, қазіргі терминдермен айтқанда, химиялық элементтің негізгі құрылымдық бірлігі. Бұл теорияны 18 ғасырда Джон Дальтон жасады. Осы кезеңде атомдардың қандай екені белгісіз болғанмен, оларды көрінетін қасиеттері арқылы сипаттау және жіктеу мүмкін болды; 19 ғасырдың ортасы мен соңында Джон Ньюлендс және Дмитрий Менделеев жасаған периодтық кесте арқылы жүйеленді. Кейіннен, 19 ғасырда Иосиф фон Фраунгофер, Френель және тағы басқалардың спектрлік сызықтарды ашуы және осы құбылысты түсіндіру әрекеттері арқылы атомдық физика мен оптикалық физика арасындағы байланыс анықталды. Сол кезден бастап 1920 жылдарға дейін физиктер атомдық спектрлер мен абсолют қара дене сәулеленуін түсіндіруге тырысты. Сутек спектрлік сызықтарын түсіндіруге жасалған әрекеттердің бірі – Бор атом моделі.
Материяның классикалық тербеліс моделі
Бұзылу индексінің пайда болуын түсіндіруге арналған алғашқы модельдер Пауль Друд пен Хендрик Лоренцтің моделіне сәйкес, атомдық жүйедегі электронды классикалық тұрғыдан қарастырды. Теория материалдың толқын ұзындығына тәуелді сыну индексі n-нің шығу тегін түсіндіру мақсатымен жасалды. Бұл модельде, түсетін электромагниттік толқындар атомға байланысқан электронды тербеліске келтіреді. Тербелістің амплитудасы түсетін электромагниттік толқынның жиілігімен және осциллятордың резонанстық жиіліктерімен байланысты болады. Мұндай көптеген осцилляторлардан тараған толқындардың суперпозициясы нәтижесінде толқынның жылдамдығы төмендейді.
Материя мен жарықтың бастапқы кванттық моделі
Макс Планк 1900 жылы жылулық тепе-теңдікте болған кезде қораптың ішіндегі электромагниттік өрісті сипаттау формуласын шығарды. Оның моделі тұрақты толқындардың үстінен орналасуынан тұрады. Бір өлшемде, қораптың ұзындығы L болады, ал қорапта тек қана толқын санының синусоидты толқындары болуы мүмкін, мұнда n оң бүтін сан (математикалық түрде көрсетіледі). Осы тұрақтанған толқындарды сипаттайтын теңдеу мынадан беріледі: мұнда E0 - электр өрісінің амплитудасының шамасы, ал E - x позициясындағы электр өрісінің шамасы. Осы негізден Планк заңы шығарылды. 1911 жылы Эрнест Резерфорд альфа бөлшектерінің шашырауы негізінде атомның орталық нүкте тәрізді протоны бар деген тұжырымға келді. Ол сондай-ақ электронды әлі де протонға Куломбтың заңымен тартылған деп ойлады, ол кіші масштабта әлі де сақталатынын растады. Нәтижесінде ол электронның протонның айналасында айналып жүретінін түсінді. 1913 жылы Нильс Бор атомның Резерфорд моделін Планктың кванттану идеясымен біріктірді. Электронның тек белгілі бір және нақты орбиталары ғана болуы мүмкін, олар жарық сәулесін де шығармайды. Орбитаға секірген кезде электрон орбиталардың энергиясының айырмасына сәйкес жарық шығарады немесе сіңіреді. Оның энергия деңгейлерін болжауы бақылаулармен сәйкес келді. Бұл нәтижелер, нақты тұрақтанған толқындардың дискретті жиынтығына негізделген, үздіксіз классикалық осциллятор моделімен сәйкес келмеді. Альберт Эйнштейннің 1905 жылы фотоэлектрлік эффект бойынша жұмысы жиілігі болған жарық толқынын энергиясы болатын фотонмен байланыстыруға әкелді. 1917 жылы Эйнштейн Бор моделін ынталандырылған эмиссия, спонтанды эмиссия және сіңіру (электромагниттік сәулелену) үш процесін енгізу арқылы кеңейтті.
can occur in the box, where n is a positive integer (mathematically denoted by ). The equation describing these standing waves is given by:
where E0 is the magnitude of the electric field amplitude, and E is the magnitude of the electric field at position x. From this basic, Planck's law was derived. In 1911, Ernest Rutherford concluded, based on alpha particle scattering, that an atom has a central pointlike proton. He also thought that an electron would be still attracted to the proton by Coulomb's law, which he had verified still held at small scales. As a result, he believed that electrons revolved around the proton. Niels Bohr, in 1913, combined the Rutherford model of the atom with the quantisation ideas of Planck. Only specific and well defined orbits of the electron could exist, which also do not radiate light. In jumping orbit the electron would emit or absorb light corresponding to the difference in energy of the orbits. His prediction of the energy levels was then consistent with observation. These results, based on a discrete set of specific standing waves, were inconsistent with the continuous classical oscillator model. Work by Albert Einstein in 1905 on the photoelectric effect led to the association of a light wave of frequency with a photon of energy In 1917 Einstein created an extension to Bohrs model by the introduction of the three processes of stimulated emission, spontaneous emission and absorption (electromagnetic radiation).
Қазіргі заманғы емдер
Қазіргі заманғы қарастыруларға жасалған ең үлкен қадамдар – Вернер Гейзенбергтің матрицалық механика әдісі арқылы кванттық механиканы қалыптастыруы және Эрвин Шредингердің Шредингер теңдеуін ашуы болды. АТО-да (Атомдық, молекулалық және оптикалық физика) әртүрлі жартылай классикалық қарастырулар бар. Проблеманың қандай аспектілері кванттық механикалық, ал қайсысы классикалық түрде қарастырылатыны нақты проблемаға байланысты. Жартылай классикалық тәсіл АТО-дағы есептеу жұмыстарында кеңінен қолданылады, көбінесе оған байланысты есептеу шығындары мен күрделіліктің айтарлықтай төмендеуіне байланысты. Лазердің әсерімен болатын материя үшін атомдық немесе молекулалық жүйенің толық кванттық механикалық қарастырылуы классикалық электромагниттік өрістің әсерімен жүзеге асырылады. Өріс классикалық түрде қарастырылғандықтан, спонтанды шығарылымды есепке ала алмайды. Бұл жартылай классикалық қарастыру көптеген жүйелер үшін жарамды, әсіресе жоғары интенсивті лазерлік өрістердің әсеріне ұшыраған жүйелер үшін. Оптикалық физика мен кванттық оптиканың арасындағы айырмашылық жартылай классикалық және толық кванттық қарастыруларды қолдану болып табылады. Соқтығысу динамикасы шеңберінде және жартылай классикалық тәсілді пайдалана отырып, ішкі еркіндік дәрежелері кванттық механикалық түрде қарастырылуы мүмкін, ал қарастырылып отырған кванттық жүйелердің салыстырмалы қозғалысы классикалық түрде қарастырылады. Орташа және жоғары жылдамдықтағы соқтығысуларды қарастырғанда, ядроларды классикалық түрде, ал электронды кванттық механикалық түрде қарастыруға болады. Төмен жылдамдықтағы соқтығысуларда бұл жуықтау сәтсіз болады. Электрон динамикасы үшін классикалық Монте-Карло әдістерін жартылай классикалық деп санауға болады, себебі бастапқы шарттар толық кванттық қарастыруды пайдалана отырып есептеледі, бірақ одан әрі қарастыру классикалық болып табылады.
Оқшауланған атомдар мен молекулалар
Атомдық, молекулалық және оптикалық физика атомдар мен молекулаларды көбінесе оқшау қарастырады. Атомдық модельдер бір ядродан тұрады, ол бір немесе бірнеше байланысқан электрондармен қоршалған, ал молекулалық модельдер әдетте молекулалық сутегі және оның молекулалық сутегі ионымен айналысады. Ол иондану, иондану шегінен асып түсу және фотондармен немесе атомдық бөлшектермен соқтығысу арқылы қоздыру сияқты процестерді зерттейді. Атомдарды оқшау модельдеу шынайы көрінбесе де, егер газ немесе плазмадағы молекулаларды қарастырсақ, молекулалар арасындағы өзара әрекеттесу уақыты бізді қызықтыратын атомдық және молекулалық процестерге қарағанда әлдеқайда ұзақ болады. Бұл жеке молекулаларды уақыттың көп бөлігінде оқшауланғандай қарастыруға мүмкіндік береді. Осыған байланысты атомдық және молекулалық физика плазма физикасы мен атмосфералық физиканың негізгі теориялық базасын құрайды, тіпті екеуі де көптеген молекулалармен айналысса да.
Электрондық конфигурация
Электрондар ядроның айналасында шартты қабықшалар құрайды. Олар табиғи түрде негізгі күйде болады, бірақ жарықтан (фотоннан), магниттік өрістерден немесе басқа бөлшектермен (әдетте басқа электрондармен) соқтығысу арқылы энергияны сіңіру арқылы қоздырылуы мүмкін. Қабықшаны толтырған электрондар байланысқан күйде болады. Электронды қабығынан алып тастауға қажетті энергия (оны шексізке дейін жылжыту) байланысу энергиясы деп аталады. Электрон сіңірген энергияның осы мөлшерден артық бөлігі, энергия сақталу заңына сәйкес, кинетикалық энергияға айналады. Атом иондану процесіне ұшырайды. Егер электрон байланысу энергиясынан кем энергияны сіңірсе, ол қозған күйге немесе виртуалды күйге өтуі мүмкін. Статистикалық тұрғыдан жеткілікті уақыт өткен соң, қозған күйдегі электрон спонтанды сәуле шығару арқылы төменгі күйге өтеді. Екі энергия деңгейі арасындағы энергия өзгерісі ескерілуі тиіс (энергия сақталу заңы). Бейтарап атомда жүйе энергия айырмашылығына тең фотонды шығарады. Дегенмен, егер төменгі күй ішкі қабықта болса, Аугер эффекті деп аталатын құбылыс орын алуы мүмкін, онда энергия басқа байланысқан электрондарға беріліп, олардың континумға өтуіне себеп болады. Бұл бір фотонмен атомды көп рет иондауға мүмкіндік береді. Жарықпен қоздыру арқылы қол жеткізілетін электрондық конфигурациялар үшін қатаң іріктеу ережелері бар, бірақ соқтығысу процестері арқылы қоздыру үшін мұндай ережелер жоқ.