Введение

Изучение взаимодействия материи и света в малых масштабах.

Атомная, молекулярная и оптическая физика (AMO) – это изучение взаимодействий между материей и светом в масштабе одного или нескольких атомов и при энергиях порядка нескольких электронвольт. Эти три области тесно взаимосвязаны. Теория AMO включает в себя классические, полуклассические и квантовые подходы. Как правило, к этим категориям относятся теория и применение процессов излучения, поглощения и рассеяния электромагнитного излучения (света) возбужденными атомами и молекулами, анализ спектроскопии, создание лазеров и мазеров, а также общие оптические свойства материи.

Атомная и молекулярная физика

Атомная физика — это раздел AMO, изучающий атомы как изолированную систему электронов и атомного ядра, а молекулярная физика — изучение физических свойств молекул. Термин «атомная физика» часто ассоциируется с ядерной энергетикой и ядерным оружием из-за синонимичного использования слов «атомный» и «ядерный» в английском языке. Однако физики различают атомную физику, которая рассматривает атом как систему, состоящую из ядра и электронов, и ядерную физику, которая изучает только атомные ядра. Важными экспериментальными методами являются различные виды спектроскопии. Молекулярная физика, хотя и тесно связана с атомной физикой, также имеет значительное пересечение с теоретической химией, физической химией и химической физикой. Обе эти области в основном посвящены электронной структуре и динамическим процессам, изменяющим эти структуры. Как правило, эта работа включает использование квантовой механики. Для молекулярной физики этот подход известен как квантовая химия. Важным аспектом молекулярной физики является то, что базовая теория атомных орбиталей в атомной физике расширяется до молекулярно-орбитальной теории. Молекулярная физика изучает атомные процессы в молекулах, но также учитывает эффекты, обусловленные молекулярной структурой. Помимо электронных возбужденных состояний, известных для атомов, молекулы способны вращаться и колебаться. Эти вращения и колебания квантованы, то есть существуют дискретные энергетические уровни. Наименьшие различия в энергии наблюдаются между различными вращательными состояниями, поэтому чистые вращательные спектры находятся в дальней инфракрасной области (около 30–150 мкм длины волны) электромагнитного спектра. Вибрационные 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 свойства молекул, такие как расстояние между ядрами. Как и во многих научных областях, строгое разграничение может быть весьма условным, и атомная физика часто рассматривается в более широком контексте атомной, молекулярной и оптической физики. Исследовательские группы по физике обычно классифицируются именно так.

Оптическая физика

Оптическая физика – это изучение генерации электромагнитного излучения, свойств этого излучения и взаимодействия этого излучения с веществом, особенно его манипулирования и управления. Она отличается от общей оптики и оптической инженерии тем, что ориентирована на открытие и применение новых явлений. Однако четкого разграничения между оптической физикой, прикладной оптикой и оптической техникой нет, поскольку приборы оптической техники и применения прикладной оптики необходимы для фундаментальных исследований в оптической физике, а эти исследования приводят к разработке новых приборов и приложений. Зачастую одни и те же специалисты участвуют как в фундаментальных исследованиях, так и в разработке прикладных технологий, например, экспериментальное подтверждение электромагнитно-индуцированной прозрачности С. Э. Харрисом и эффекта замедления света Харрисом и Лене Вестергаард Хау. Исследователи в области оптической физики используют и разрабатывают источники света, охватывающие электромагнитный спектр от микроволн до рентгеновских лучей. Эта область включает генерацию и детектирование света, линейные и нелинейные оптические процессы, а также спектроскопию. Лазеры и лазерная спектроскопия коренным образом изменили оптическую науку. Значительные исследования в оптической физике также посвящены квантовой оптике и когерентности, а также фемтосекундной оптике. Другие важные направления исследований включают разработку новых оптических методов для нанооптических измерений, дифракционной оптики, интерферометрии с низкой когерентностью, оптической когерентной томографии и микроскопии ближнего поля. Исследования в области оптической физики делают акцент на ультрабыстрой оптической науке и технологиях. Применение оптической физики способствует прогрессу в области связи, медицины, производства и даже индустрии развлечений.

История

Одним из первых шагов к атомной физике стало признание того, что материя состоит из атомов, которые в современных терминах являются основной единицей химического элемента. Эту теорию разработал Джон Дальтон в XVIII веке. На этом этапе было неясно, что представляют собой атомы, хотя их можно было описывать и классифицировать по их наблюдаемым свойствам в макроскопических количествах, что было обобщено в развивающейся периодической таблице, созданной Джоном Ньюлендсом и Дмитрием Менделеевым примерно в середине-конце XIX века. Позже связь между атомной и оптической физикой стала очевидной благодаря открытию спектральных линий и попыткам описать это явление, предпринятым, в частности, Иозефом фон Фраунгофером, Френелем и другими учеными в XIX веке. С этого времени и до 1920-х годов физики стремились объяснить атомные спектры и излучение абсолютно черного тела. Одной из попыток объяснить спектральные линии водорода стала модель атома Бора.

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 объяснить зависимость показателя преломления n материала от длины волны. В этой модели, падающие электромагнитные волны заставляли электрон, связанный с атомом, колебаться. Амплитуда этих колебаний зависела бы от частоты падающей электромагнитной волны и резонансных частот осциллятора. Суперпозиция этих излучаемых волн от множества осцилляторов приводила к волне, распространяющейся с меньшей скоростью.

Ранняя квантовая модель материи и света

Макс Планк вывел формулу для описания электромагнитного поля внутри коробки, находящейся в тепловом равновесии, в 1900 году. Его модель состояла из суперпозиции стоячих волн. В одном измерении коробка имеет длину L, и в ней могут существовать только синусоидальные волны с волновым числом , где n – положительное целое число (математически обозначается ). Уравнение, описывающее эти стоячие волны, имеет вид: , где E0 – величина амплитуды электрического поля, а E – величина электрического поля в точке x. Из этого базового принципа был выведен закон Планка. В 1911 году Эрнест Резерфорд, основываясь на рассеянии альфа-частиц, пришел к выводу, что атом имеет центральный точечный протон. Он также полагал, что электрон по-прежнему будет притягиваться к протону законом Кулона, который, как он установил, сохраняет свою силу и 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 заданные орбиты электрона, которые при этом не излучают свет. При переходе с одной орбиты на другую электрон будет излучать или поглощать свет, соответствующий разнице энергий между орбитами. Его предсказание энергетических уровней совпало с результатами наблюдений. Эти результаты, основанные на дискретном наборе специфических стоячих волн, противоречили непрерывной классической модели осциллятора. Работа Альберта Эйнштейна в 1905 году по фотоэлектрическому эффекту привела к установлению связи между световой волной частоты и фотоном энергии . В 1917 году Эйнштейн расширил модель Бора, введя три процесса: вынужденное излучение, спонтанное излучение и поглощение (электромагнитного излучения).

Современные методы лечения

Наиболее значительными шагами к современному подходу стали формулировка квантовой механики с использованием подхода матричной механики Вернером Гейзенбергом и открытие уравнения Шрёдингера Эрвином Шрёдингером. В области АМО существует множество полуклассических методов. То, какие аспекты проблемы рассматриваются квантово-механически, а какие – классически, зависит от конкретной задачи. Полуклассический подход широко используется в вычислительных работах в АМО, главным образом из-за значительного снижения вычислительных затрат и сложности, связанных с ним. Для вещества, находящегося под действием лазера, полное квантово-механическое описание атомной или молекулярной системы сочетается с рассмотрением системы, подверженной воздействию классического электромагнитного поля. Поскольку поле рассматривается классически, оно не может учесть спонтанное излучение. Это полуклассическое описание применимо к большинству систем, особенно к тем, которые подвергаются воздействию лазерных полей высокой интенсивности. Различие между оптической физикой и квантовой оптикой заключается в использовании полуклассических и полностью квантовых методов соответственно. В динамике столкновений и при использовании полуклассического подхода внутренние степени свободы могут рассматриваться квантово-механически, в то время как относительное движение рассматриваемых квантовых систем – классически. При рассмотрении столкновений средней и высокой скорости ядра можно рассматривать классически, а электрон – квантово-механически. При низкоскоростных столкновениях это приближение неприменимо. Классические методы Монте-Карло для динамики электронов можно охарактеризовать как полуклассические, поскольку начальные условия рассчитываются с использованием полного квантово-механического описания, а все последующее рассмотрение – классическое.

Изолированные атомы и молекулы

Атомная, молекулярная и оптическая физика часто рассматривает атомы и молекулы в изоляции. Атомные модели обычно состоят из одного ядра, окруженного одним или несколькими связанными электронами, а молекулярные модели, как правило, посвящены молекулярному водороду и его молекулярному иону. Эта область изучает такие процессы, как ионизация, ионизация выше пороговой энергии и возбуждение фотонами или столкновениями с атомными частицами. Хотя моделирование атомов в изоляции может показаться нереалистичным, если учитывать молекулы в газе или плазме, то временные масштабы взаимодействия между молекулами значительно превышают масштабы атомных и молекулярных процессов, представляющих для нас интерес. Это позволяет рассматривать отдельные молекулы как изолированные в подавляющем большинстве случаев. Таким образом, атомная и молекулярная физика предоставляет фундаментальную теоретическую базу для физики плазмы и физики атмосферы, несмотря на то, что обе эти области имеют дело с огромным количеством молекул.

Электронная конфигурация

Электроны формируют энергетические уровни вокруг ядра. Они естественным образом находятся в основном состоянии, но могут быть возбуждены поглощением энергии от света (фотонов), магнитных полей или взаимодействия со сталкивающейся частицей (обычно другими электронами). Электроны, занимающие энергетический уровень, находятся в связанном состоянии. Энергия, необходимая для удаления электрона с этого уровня (до бесконечности), называется энергией связи. Любое количество энергии, поглощенное электроном сверх этой величины, преобразуется в кинетическую энергию в соответствии с законом сохранения энергии. Атом подвергается процессу ионизации. Если электрон поглощает количество энергии, меньшее энергии связи, он может перейти в возбужденное или виртуальное состояние. После статистически значимого времени электрон в возбужденном состоянии перейдет на более низкий уровень посредством спонтанного излучения. Изменение энергии между двумя уровнями должно учитываться (закон сохранения энергии). В нейтральном атоме система излучит фотон, энергия которого равна разности энергий уровней. Однако, если нижний уровень находится во внутренней оболочке, может произойти явление, известное как эффект Оже, при котором энергия передается другому связанному электрону, переводя его в континуум. Это позволяет многократно ионизировать атом одним фотоном. Существуют строгие правила отбора для электронных конфигураций, которые могут быть достигнуты при возбуждении светом, но таких правил нет для возбуждения при столкновениях.