Atomik, moleküler ve optik fizik - Atomic, molecular, and optical physics

Atomik, moleküler ve optik fizik ( AMO ), madde- madde ve hafif- madde etkileşimlerinin incelenmesidir; bir veya birkaç atom ölçeğinde ve birkaç elektron volt civarında enerji ölçeğinde . Üç alan birbiriyle yakından ilişkilidir. AMO teorisi klasik , yarı klasik ve kuantum tedavilerini içerir. Tipik olarak, uyarılmış atomlardan ve moleküllerden elektromanyetik radyasyonun (ışık) emisyonu , absorpsiyonu , saçılması , spektroskopi analizi, lazer ve maser üretimi ve genel olarak maddenin optik özellikleri teori ve uygulamaları bu kategorilere girer.

Atom ve moleküler fizik

Atomik fizik AMO bir alt alanı olduğu izole edilmiş bir sistem olarak çalışmaları atomuna elektron ve atom çekirdeği , ise molekül fiziği fiziksel özelliklerinin çalışmadır moleküller . Atom fiziği terimi , standart İngilizce'de atom ve nükleerin eşanlamlı kullanımı nedeniyle , genellikle nükleer güç ve nükleer bombalarla ilişkilendirilir . Ancak fizikçiler, atomu bir çekirdek ve elektronlardan oluşan bir sistem olarak ele alan atom fiziği ile yalnızca atom çekirdeğini dikkate alan nükleer fizik arasında ayrım yaparlar . Önemli deneysel teknikler, çeşitli spektroskopi türleridir . Moleküler fizik , atom fiziği ile yakından ilgili olmakla birlikte, teorik kimya , fiziksel kimya ve kimyasal fizik ile de büyük ölçüde örtüşür .

Her iki alt alan da öncelikle elektronik yapı ve bu düzenlemelerin değiştiği dinamik süreçlerle ilgilidir. Genellikle bu çalışma kuantum mekaniğinin kullanılmasını içerir. Moleküler fizik için bu yaklaşım kuantum kimyası olarak bilinir . Moleküler fiziğin önemli bir yönü, atom fiziği alanındaki temel atomik yörünge teorisinin moleküler yörünge teorisine genişlemesidir . Moleküler fizik, moleküllerdeki atomik süreçlerle ilgilenir, ancak moleküler yapıdan kaynaklanan etkilerle de ilgilenir . Atomlardan bilinen elektronik uyarılma hallerine ek olarak, moleküller dönebilir ve titreşebilir. Bu dönüşler ve titreşimler nicelenir; ayrık enerji seviyeleri vardır . Farklı dönme durumları arasında en küçük enerji farklılıkları vardır, bu nedenle saf dönme spektrumları elektromanyetik spektrumun uzak kızılötesi bölgesinde (yaklaşık 30 - 150 µm dalga boyu ) bulunur . Titreşim spektrumları yakın kızılötesi (yaklaşık 1 - 5 µm) ve elektronik geçişlerden kaynaklanan spektrumlar çoğunlukla görünür ve morötesi bölgelerdedir. Moleküllerin dönme ve titreşim spektrumlarının ölçülmesinden çekirdekler arasındaki mesafe gibi özellikler hesaplanabilir.

Pek çok bilimsel alanda olduğu gibi, katı bir tanımlama oldukça yapmacık olabilir ve atom fiziği genellikle daha geniş atomik, moleküler ve optik fizik bağlamında düşünülür . Fizik araştırma grupları genellikle çok sınıflandırılır.

optik fizik

Optik fizik , elektromanyetik radyasyon üretimi, bu radyasyonun özellikleri ve bu radyasyonun madde ile etkileşimi , özellikle manipülasyonu ve kontrolü üzerine yapılan çalışmadır . Yeni fenomenlerin keşfine ve uygulanmasına odaklandığı için genel optik ve optik mühendisliğinden farklıdır . Bununla birlikte, optik fizik, uygulamalı optik ve optik mühendislik arasında güçlü bir ayrım yoktur, çünkü optik mühendisliği cihazları ve uygulamalı optik uygulamaları, optik fizikteki temel araştırmalar için gereklidir ve bu araştırma yeni cihazların geliştirilmesine yol açar. ve uygulamalar. Genellikle aynı kişiler hem temel araştırma hem de uygulamalı teknoloji geliştirme süreçlerinde yer alırlar, örneğin elektromanyetik olarak indüklenen şeffaflığın SE Harris tarafından ve yavaş ışığın Harris ve Lene Vestergaard Hau tarafından deneysel olarak gösterilmesi gibi .

Optik fizik kullanımda Araştırmacılar ve yayılan ışık kaynaklarını, elektromanyetik spektrumu gelen mikrodalga için X-ışınları . Alan, ışığın, doğrusal ve doğrusal olmayan optik süreçlerin ve spektroskopinin üretilmesini ve saptanmasını içerir . Lazerler ve lazer spektroskopisi optik bilimi dönüştürdü. Optik fizikteki ana çalışma aynı zamanda kuantum optiği ve tutarlılık ile femtosaniye optiğine ayrılmıştır . Optik fizikte, izole atomların yoğun, ultra kısa elektromanyetik alanlara doğrusal olmayan tepkisi, yüksek alanlarda atom-boşluk etkileşimi ve elektromanyetik alanın kuantum özellikleri gibi alanlarda da destek sağlanmaktadır.

Diğer önemli araştırma alanları arasında nano-optik ölçümler, difraktif optikler , düşük tutarlılık interferometrisi , optik tutarlılık tomografisi ve yakın alan mikroskobu için yeni optik tekniklerin geliştirilmesi yer almaktadır . Optik fizikteki araştırmalar, ultra hızlı optik bilim ve teknolojiye vurgu yapar. Optik fiziğin uygulamaları iletişimde , tıpta , üretimde ve hatta eğlencede ilerlemeler yaratır .

Tarih

Bohr modeli arasında hidrojen atomu

Atom fiziğine doğru atılan ilk adımlardan biri, maddenin modern anlamda bir kimyasal elementin temel birimi olan atomlardan oluştuğunun kabul edilmesiydi . Bu teori, 18. yüzyılda John Dalton tarafından geliştirilmiştir . Bu aşamada, atomların ne olduğu net değildi - kütle olarak gözlemlenebilir özelliklerine göre tanımlanıp sınıflandırılabilseler de; 19. yüzyılın ortalarından sonlarına doğru John Newlands ve Dmitri Mendeleyev tarafından gelişen periyodik tablo ile özetlenmiştir .

Daha sonra, atom fiziği ve optik fizik arasındaki bağlantı , spektral çizgilerin keşfi ve fenomeni tanımlama girişimleri - özellikle 19. yüzyılda Joseph von Fraunhofer , Fresnel ve diğerleri tarafından - belirgin hale geldi .

O zamandan 1920'lere kadar fizikçiler atomik spektrumları ve kara cisim radyasyonunu açıklamaya çalışıyorlardı . Hidrojen spektral çizgilerini açıklamaya yönelik bir girişim Bohr atom modeliydi .

Elektromanyetik radyasyon ve maddeyi içeren deneyler - fotoelektrik etki , Compton etkisi ve güneş ışığının spektrumları gibi, bilinmeyen Helyum elementi nedeniyle , Bohr modelinin Hidrojen ile sınırlandırılması ve diğer birçok neden, tamamen yeni bir matematiksel modele yol açar. madde ve ışık: kuantum mekaniği .

Maddenin klasik osilatör modeli

Kırılma indisinin kökenini açıklayan ilk modeller , bir atomik sistemdeki bir elektronu klasik olarak Paul Drude ve Hendrik Lorentz'in modeline göre ele aldı . Teori, bir malzemenin dalga boyuna bağlı kırılma indisi n için bir orijin sağlamaya çalışmak için geliştirildi . Bu modelde, gelen elektromanyetik dalgalar , bir atoma bağlı bir elektronu salınmaya zorladı . Genlik salınım daha sonra bir ilişki olur frekans gelen elektromanyetik dalganın ve rezonans osilatör frekanslarının. Üst üste bir çok osilatörlerin Bu yayılan dalgaların daha sonra yavaş hareket bir dalgasına sebep olur.

Madde ve ışığın erken kuantum modeli

Max Planck , 1900'de termal dengedeyken bir kutunun içindeki elektromanyetik alanı tanımlamak için bir formül türetti . Onun modeli, duran dalgaların bir üst üste bindirilmesinden oluşuyordu . Bir boyutta, kutunun uzunluğu L ve sadece sinüzoidal dalga sayısı dalgaları vardır.

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

n'nin pozitif bir tamsayı olduğu kutuda oluşabilir (matematiksel olarak ile gösterilir ). Bu duran dalgaları tanımlayan denklem şu şekilde verilir: $\scriptstyle n\in \mathbb {N} _{1}$

E=E_{0}\sin \sol({\frac {n\pi }{L}}x\sağ)\,\!

.

burada E ₀ , elektrik alan genliğinin büyüklüğü ve E , x konumundaki elektrik alanının büyüklüğüdür . Bu temelden Planck yasası türetilmiştir.

1911'de Ernest Rutherford , alfa parçacık saçılımına dayanarak, bir atomun merkezi nokta benzeri bir protona sahip olduğu sonucuna vardı. Ayrıca, bir elektronun hala küçük ölçeklerde tutulduğunu doğruladığı Coulomb yasası tarafından protona çekilebileceğini düşündü. Sonuç olarak, elektronların proton etrafında döndüğüne inanıyordu. Niels Bohr , 1913'te Rutherford atom modelini Planck'ın nicemleme fikirleriyle birleştirdi. Elektronun yalnızca belirli ve iyi tanımlanmış yörüngeleri var olabilir ve bunlar da ışık yaymaz. Sıçrayan yörüngede elektron, yörüngelerin enerjilerindeki farka karşılık gelen ışığı yayar ya da emer. Enerji seviyelerine ilişkin tahmini, o zaman gözlemle tutarlıydı.

Ayrık bir dizi belirli duran dalgaya dayanan bu sonuçlar, sürekli klasik osilatör modeliyle tutarsızdı .

Tarafından yapılan çalışma, Einstein 1905 yılında fotoelektrik etkisi frekansının bir ışık dalgasının birlikte yol enerji foton ile . 1917'de Einstein, uyarılmış emisyon , kendiliğinden emisyon ve absorpsiyon (elektromanyetik radyasyon) olmak üzere üç sürecin tanıtılmasıyla Bohrs modelinin bir uzantısını yarattı . ${\görüntüleme stili \nu }$ ${\görüntüleme stili h\nu }$

Modern tedaviler

Modern tedaviye doğru atılan en büyük adımlar , Werner Heisenberg'in matris mekaniği yaklaşımıyla kuantum mekaniğinin formülasyonu ve Erwin Schrödinger tarafından Schrödinger denkleminin keşfiydi .

AMO içinde çeşitli yarı klasik tedaviler vardır. Problemin hangi yönlerinin kuantum mekaniksel olarak ele alındığı ve hangilerinin klasik olarak ele alındığı, eldeki spesifik probleme bağlıdır. Yarı-klasik yaklaşım, büyük ölçüde hesaplama maliyetindeki büyük düşüş ve onunla ilişkili karmaşıklık nedeniyle AMO içindeki hesaplama çalışmalarında her yerde bulunur.

Bir lazerin etkisi altındaki madde için, atomik veya moleküler sistemin tamamen kuantum mekaniksel bir işlemi, klasik bir elektromanyetik alanın etkisi altındaki sistemle birleştirilir. Alan klasik olarak ele alındığından spontan emisyonla baş edemez . Bu yarı-klasik tedavi, özellikle yüksek yoğunluklu lazer alanlarının etkisi altındaki sistemler olmak üzere çoğu sistem için geçerlidir. Optik fizik ve kuantum optiği arasındaki fark, sırasıyla yarı-klasik ve tam kuantum tedavilerinin kullanılmasıdır.

Çarpışma dinamiği içinde ve yarı-klasik işlem kullanılarak, iç serbestlik dereceleri kuantum mekanik olarak işlenebilirken, incelenen kuantum sistemlerinin bağıl hareketi klasik olarak işlenir. Orta ila yüksek hızlı çarpışmalar göz önüne alındığında, elektron kuantum mekanik olarak işlenirken çekirdekler klasik olarak ele alınabilir. Düşük hızlı çarpışmalarda yaklaşım başarısız olur.

Elektronların dinamiği için klasik Monte-Carlo yöntemleri, başlangıç koşullarının tam bir kuantum işlemi kullanılarak hesaplandığı, ancak tüm sonraki işlemlerin klasik olduğu için yarı klasik olarak tanımlanabilir.

İzole atomlar ve moleküller

Atomik, Moleküler ve Optik fizik sıklıkla atomları ve molekülleri ayrı ayrı ele alır. Atomik modeller, bir veya daha fazla bağlı elektronla çevrili olabilen tek bir çekirdekten oluşurken, moleküler modeller tipik olarak moleküler hidrojen ve moleküler hidrojen iyonu ile ilgilidir . İyonizasyon , eşiğin üzerinde iyonizasyon ve fotonlar tarafından uyarılma veya atomik parçacıklarla çarpışma gibi işlemlerle ilgilidir .

Atomları izole bir şekilde modellemek gerçekçi görünmese de, bir gaz veya plazmadaki moleküller göz önüne alındığında, o zaman molekül-molekül etkileşimleri için zaman ölçekleri, ilgilendiğimiz atomik ve moleküler süreçlere kıyasla çok büyüktür. Bu, tek tek moleküllerin, zamanın büyük çoğunluğunda her biri izole edilmiş gibi ele alınabileceği anlamına gelir. Bu düşünceyle atom ve moleküler fizik, her ikisi de çok sayıda molekülle uğraşsa da , plazma fiziği ve atmosferik fiziğin altında yatan teoriyi sağlar .

Elektronik konfigürasyon

Elektronlar çekirdeğin etrafında kavramsal kabuklar oluşturur. Bunlar doğal olarak temel durumdadır, ancak ışıktan ( fotonlar ), manyetik alanlardan veya çarpışan bir parçacıkla (tipik olarak diğer elektronlar) etkileşimden enerjinin emilmesiyle uyarılabilir .

Bir kabuğu dolduran elektronların bağlı durumda oldukları söylenir . Bir elektronu kabuğundan çıkarmak (sonsuza kadar götürmek) için gerekli olan enerjiye bağlanma enerjisi denir . Elektron tarafından bu miktarı aşan herhangi bir enerji miktarı, enerjinin korunumuna göre kinetik enerjiye dönüştürülür . Atomun iyonlaşma sürecinden geçtiği söylenir .

Elektronun bağlanma enerjisinden daha az bir miktar enerji emmesi durumunda uyarılmış duruma veya sanal duruma geçebilir . İstatistiksel olarak yeterli bir süre sonra, uyarılmış durumdaki bir elektron, kendiliğinden emisyon yoluyla daha düşük bir duruma geçiş yapacaktır . İki enerji seviyesi arasındaki enerji değişimi hesaba katılmalıdır (enerjinin korunumu). Nötr bir atomda sistem, enerji farkının bir fotonu yayar. Bununla birlikte, alt durum bir iç kabuktaysa, enerjinin başka bir bağlı elektrona aktarıldığı ve bunun sürekliliğe gitmesine neden olan Auger etkisi olarak bilinen bir fenomen meydana gelebilir. Bu, bir atomun tek bir fotonla iyonize edilmesini sağlar.

Işıkla uyarma ile ulaşılabilen elektronik konfigürasyonlara ilişkin katı seçim kuralları vardır, ancak çarpışma süreçleriyle uyarma için böyle kurallar yoktur.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Bransden, BH; Joachain, CJ (2002). Atomların ve Moleküllerin Fiziği (2. baskı). Prentice Salonu. ISBN'si 978-0-582-35692-4.
Ayak, CJ (2004). Atom Fiziği . Oxford Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-19-850696-6.
Herzberg, G. (1979) [1945]. Atomik Spektrumlar ve Atom Yapısı . Dover. ISBN'si 978-0-486-60115-1.
Condon, EU & Shortley, GH (1935). Atomik Spektrum Teorisi . Cambridge Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-521-09209-8.
Cowan, Robert D. (1981). Atom Yapısı ve Spektrum Teorisi . Kaliforniya Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-520-03821-9.
Lindgren, I. & Morrison, J. (1986). Atomik Çok Vücut Teorisi (İkinci baskı). Springer-Verlag. ISBN'si 978-0-387-16649-0.
JR Kanca; HE Salonu (2010). Katı Hal Fiziği (2. baskı). Manchester Fizik Serisi, John Wiley & Sons. ISBN'si 978-0-471-92804-1.
PW Atkins (1978). Fiziksel kimya . Oxford Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-19-855148-5.
YB Bandı (2010). Işık ve Madde: Elektromanyetizma, Optik, Spektroskopi ve Lazerler . John Wiley ve Oğulları. ISBN'si 978-0-471-89931-0.
IR Kenyon (2008). Işık Fantastik – Klasik ve Kuantum Optiğine Giriş . Oxford Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-19-856646-5.
T.Hey, P.Walters (2009). Yeni Kuantum Evren . Cambridge Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-521-56457-1.
R. Loudon (1996). Işığın Kuantum Teorisi . Oxford University Press (Oxford Science Publications). ISBN'si 978-0-19-850177-0.
R. Eisberg; R. Resnick (1985). Atomların, Moleküllerin, Katıların, Çekirdeklerin ve Parçacıkların Kuantum Fiziği (2. baskı). John Wiley ve Oğulları. ISBN'si 978-0-471-87373-0.
PW Atkins (1974). Quanta: Kavramların bir el kitabı . Oxford Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-19-855493-6.
E. Abers (2004). Kuantum Mekaniği . Pearson Ed., Addison Wesley, Prentice Hall Inc. ISBN 978-0-13-146100-0.
PW Atkins (1977). Moleküler Kuantum Mekaniği Bölüm I ve II: KUANTUM KİMYASINA Giriş (Cilt 1) . Oxford Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-19-855129-4.
PW Atkins (1977). Moleküler Kuantum Mekaniği Bölüm III: KUANTUM KİMYASINA Giriş (Cilt 2) . Oxford Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-19-855129-4.
Katı Hal Fiziği (2. Baskı) , JR Hook, HE Hall, Manchester Fizik Serisi, John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978 0 471 92804 1
Işık ve Madde: Elektromanyetizma, Optik, Spektroskopi ve Lazerler , YB Bandı, John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0471-89931-0
Fantastik Işık – Klasik ve Kuantum Optiğine Giriş , IR Kenyon, Oxford University Press, 2008, ISBN 978-0-19-856646-5
El kitabı atomik, moleküler ve optik fizik , Editör: Gordon Drake, Springer , Çeşitli yazarlar, 1996, ISBN 0-387-20802-X
Fox, Mark (2010). Katıların optik özellikleri . Oxford New York: Oxford University Press. ISBN'si 978-0-19-957336-3.

Languages

In other projects