Atomik, moleküler ve optik fizik

Atomik, moleküler ve optik fizik, bir ya da birkaç atomun ölçeğinde, madde-madde ve ışık-madde etkileşimi çalışmadır ve enerji, birkaç elektron voltları etrafında ölçeklenir.^[1]^[2]^:1356^[3] Üç alanla yakından ilişkilidir. AMO teorisi, klasik, yarı klasik ve kuantum işlemlerini kapsar. Tipik olarak, teori ve emisyon uygulamaları, elektromanyetik yayılım ve emilme, spektroskopi analizi, lazer ve mazerlerin kuşağı ve genel olarak maddenin optik özellikleri, uyarılmış atom ve moleküllerden, bu kategorilere ayrılır.

Atomik ve moleküler fizik

Atomik fizik, moleküler fizik, moleküllerin fiziksel özelliklerinin çalışmaları iken, atom çekirdeği ve elektronlarının sistem izolasyonu olarak atom çalışmaları olan AMO’nun alt dalıdır. Atom fiziği terimi, standart İngilizce ’de atomik ile nükleer eş anlamlı olarak kullanıldığından dolayı, sıklıkla nükleer enerji ve nükleer bomba ile ilişkilendirildi. Fakat fizikçiler, bir çekirdek ve elektronlardan oluşan bir sistem olarak atom ile ilişkilendirilen atom fiziği ile sadece atom çekirdeğini dikkate alan nükleer fizik arasındaki farkı ayırt ettiler. Önemli deneysel teknikler, spektroskopinin çeşitli türleridir. Atom fiziği ile yakından ilgilenen moleküler fizik, ayrıca teorik kimya, fizikokimya ve kimyasal fizik ile büyük ölçüde örtüşmektedir.^[4]

Her iki alt dal, bu düzenlemelerin değişimlerinden dolayı elektronik yapısı ve dinamik süreçleri ile ilgilidir. Genellikle bu çalışma, kuantum mekaniğini kullanmayı içerir.^[5] Moleküler fizik için bu yaklaşım kuantum kimyası olarak bilinir. Atom fiziği alanındaki temel atom orbital teorisi olan moleküler fizik önemli özelliklerinden biri, moleküler orbital teorisini genişletmektir. Moleküler fizik moleküllerin atomik işlemleri ile ilgilidir, ancak bu ek olarak moleküler yapısı nedeniyle oluşan etkilerle de ilgilenir. Ayrıca atom ve moleküllerden bilinen, elektronik uyarma koşullar döndürülebilir ve titretilebilir. Bu döndürülmeler ve titreşimler, nicelendirilebilir; iki enerji seviyesi vardır. En küçük enerji farkı, farklı dönme koşulları vardır, bu yüzden, saf dönme spektrumları, elektromanyetik spektrumun kızılötesi bölgesindedir (yaklaşık 30 150 mikron dalga boyu). Titreşim spektrumları, kızılötesine yakın (yaklaşık 1 5 um) ve çoğunlukla görünür ve ultraviyole bölgelerde elektronik geçişlerden kaynaklanan spektrumdur. Çekirdekler arası mesafe gibi moleküllerin dönme ve titreşim spektrumları ölçümünden hesaplanabilir.^[6]

Birçok bilimsel alanlarda olduğu gibi, sıkı tarif yüksek derecede yanıltıcı olabilir ve atom fiziği, genellikle, atomik, moleküler ve optik fiziğin geniş kapsamında kabul edilir. Fizik araştırma grupları genellikle bu yüzden sınıflandırılır.

Optik fizik

Optik fizik, elektromanyetik radyasyon kuşağının, madde ile radyasyonun etkileşimi ve bu radyasyonun özelliklerinin, özellikle radyasyonun manipülasyonu ve kontrolü, çalışmasıdır.^[7] Keşif ve yeni bulguların uygulamalarına odaklı olan, optik ve optik mühendisliklerinden farklıdır. Güçlü bir ayrım yoktur, fakat optik fizik, uygulamalı optik ve optik mühendisliği arasında, optik mühendislik cihazları ve uygulamalı optik uygulamalarından bu yana, yeni cihazlar ve uygulamaların geliştirilmesine yol açan optik fizikteki bu temel araştırmalar için gerekli araştırmalardır. Genellikle aynı insanlar, hem temel araştırma hem de uygulamalı teknolojiyi geliştirmeye katılıyor.^[8]

Optik fizikteki araştırmacılar, X-ışınlarına mikrodalgalardan elektromanyetik spektrum yayan, ışık kaynaklarının geliştirilmesi ve kullanılmasıdır. Alan, ışığın kuşağını ve algılamasını, doğrusal ve doğrusal olmayan optik süreçler ve spektroskopiyi içerir. Lazerler ve lazer spektroskopisi optik bilimi dönüştürdü. Optik fizikteki büyük çalışma, ayrıca kuantum optik ve tutarlılık ve femtosaniye optik için ayrılmıştır. Optik fizik, desteği, ultra kısa elektromanyetik alanlar, yüksek sahalarda atom boşluğu etkileşimi, elektromanyetik alanın kuantum özellikleri ve yoğun izole atomların doğrusal olmayan tepkilerinin alanlarında sağlar.^[9]

Araştırmanın diğer önemli alanları, difraktif optik, düşük tutarlılık enterforemetre, optik koherens tomografi, yakın alan mikroskobu ve Nano-optik ölçümler için yeni optik tekniklerin geliştirilmesini içermektedir. Optik fizikteki araştırmalar, ultra hızlı optik bilim ve teknoloji üzerine vurgu yapar. Optik fizik uygulamaları, iletişim, ilaç, üretim ve hatta eğlence ilerlemelerini oluşturur.^[10]

Geçmiş

Atom fiziğine geçişte ilk adımlardan biri, kimyasal elementin temel birimi modern terimlerde atomlardan oluşan maddenin tanımlanmasıdır. Bu teori, 18. yüzyılda John Dalton tarafından geliştirilmiştir. Onlar toplu olarak kendi gözlenebilir özelliklerine göre tarif ve tasnif edilebilir rağmen, bu, 19. yüzyılın sonlarının ortalarına doğru John Newlands ve Dmitri Mendeleyev tarafından gelişmekte olan periyodik tabloda özetlenebilecek kadar net değildi.^[11]

Daha sonra, özellikle 19. yüzyılda Joseph von Fraunhofer, Fresnel’in, spektral çizgiler ve olguyu tanımlama girişimlerinin keşfetmesiyle atom fiziği ve optik fizik arasındaki bağlantı belli oldu.^[12]

O zamandan beri, 1920'lere kadar, fizikçiler atom spektrumları ve cisim radyasyonu açıklamak için araştırmalar yaptılar. Bohr atom modeli, hidrojen spektral hatları açıklamak için bir girişimdir.^[11]

Madde ve elektromanyetik radyasyonu Helyumun bilinmeyen elementi ve sayısız diğer nedenlerden dolayı güneş spektrumları, madde ve ışığın tamamen yeni bir matematiksel modeline yol açtı; kuantum mekaniği.^[13]

Maddenin klasik osilatör modeli

Kırılma indeksi kökenini araştırmak için erken modeller, Paul Drude ve Hendrik Lorentz’in modeline göre klasik bir şekilde bir atomik sistemde bir elektron gibi muamele eder. Bir maddenin dalga boyuna bağımlı kırılma indisi (n) için bir kaynağı temin etme girişimi için geliştirilmiştir. Bu modelde, Gelen elektromanyetik dalgalar, bir atomun elektronunu salması için kuvvet uygular. Salınım genliği, sonra, gelen elektromanyetik dalganın frekansı ve osilatör tınlaşım frekansları arasında bir ilişki vardır. Birçok osilatörden yayılan bu dalgaların çakışması, daha sonra yavaş yavaş hareket eden bir dalgaya yol açar.^[14]^:4–8

Madde ve ışığın erken kuantum modeli

Max Planck, 1900 yılında termal dengedeki bir kutu içinde, elektromanyetik alanını açıklamak için bir formül türemiştir.^[14]^:8–9 Onun modeli, duran dalgaların bir süperpozisyonunu oluşturdu. Bir boyutlu düzlemde, kutu uzunluğu L olan ve dalga sayısının sadece sinüs dalgaları

Kutuda oluşabilir, (matematiksel olarak şeklinde gösterilen) n pozitif bir tam sayıdır. Bu kararlı dalgaların tarifi şu denklem ile gösterilir:

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

.

E0, elektrik alan genliği büyüklüğüdür. E x konumundaki elektrik alanını büyüklüğüdür.^[14]^{:4–8,51–52}

Temelden, Planck yasası elde edilmiştir. Ernest Rutherford, alfa parçacığı saçılması dayalı bir atomun, merkezi noktasal proton olduğunu sonuçlandırmıştır. O ayrıca hala küçük düzenlemeleri kabul edilmeyen Coulomb yasası ile bir elektronun proton tarafından çekilebileceğini düşünmüştür. Sonuç olarak, O elektronların proton etrafından döndüğüne inanıyordu. Niels Bohr, 1913 yılında Planck niceleme fikirleri ile atomu Rutherford modeli kombine etti. Sadece elektronun özel ve iyi tanımlanmış yörüngeleri bulunabilir ve ışık yaymazlar. Elektronların yörünge atlamalarında, yörüngenin enerjisinde farklı tekabül eden bir ışığı yayar veya emer. Onun enerji seviyelerindeki tahmini, daha sonra gözlemlerle tutarlı oldu.^[14]^:9–10

Belirli durgun dalgaların ayrı bir setine dayalı olan bu sonuçlar, sürekli, klasik osilatör modellemesi ile tutarsızdı.^[14]^:8

1905'te bir frekansın ışık dalgalarının $\nu$ birleşimi bir enerjinin fotonu ile $h\nu$ Albert Einstein'in fotoelektrik üzerindeki çalışmaları. 1917'de Einstein uyarılmış emisyon, spontan emisyon ve absorpsiyon (elektromanyetik radyasyon) üç süreçlerinin getirilmesi ile Bohrs modeline bir uzantısı oluşturdu.^[14]^:11

Modern süreçler

Modern sürece yönelik büyük adımlar, Werner Heisenberg ’in matris mekaniği yaklaşımı ve Erwin Schrödinger tarafından Schrödinger denkleminin keşfi ile kuantum mekaniği formülasyonu oldu.^[14]^:12

AMO içinde yarı klasik süreç çeşitleri vardır. Mekanik kuantum süreçlenen ve klasik şekilde süreçlenen sorun görüşleri, eldeki belirli sorunlara bağlıdır. Yarı klasik yaklaşımlar, büyük ölçüde bağlantılı hesaplama maliyeti ve karmaşıklığında büyük bir azalma, AMO içinde hesaplama çalışmalarının her yerindedir.

Bir lazer etkisi altında madde için, atomik veya moleküler sistemin tamamen kuantum mekaniksel süreci, klasik bir elektromanyetik alanın etkisi altında olan sistem ile birleştirilir. Alan klasik bir şekilde süreçlendirilirken, bu, kendiliğinden emisyon ile uyuşmaz.^[14]^:14 Bu yarı klasik süreçler, çoğu sistemler için geçerlidir,^[14]^:16 özellikle bunlar yüksek yoğunluklu lazer alanlarının etkisi altında olanlardır,^[2]^:997^[2]^:724 Optik fizik ve kuantum optiği arasındaki ayrım, sırası ile yarı klasik süreçlerin ve kuantum süreçlerin kullanılmasıdır.^[2]^:997

Çarpışma dinamikleri ve yarı klasik süreçlerde, serbestliğin iç derecesi mekanik kuantum ile süreçlenebilir, söz konusu kuantum sistemlerinin göreli hareketi esnasında klasik bir şekilde süreçlenir.^[2]^:556 Yüksek hızlı çarpışmalar ortalama gözlemlendiğinde, elektron kuantum mekaniği ile süreçlendirilirken, çekirdek klasik bir şekilde süreçlendirilebilir. Düşük hızlı çarpışmalarda yaklaşım başarısız olur.^[2]^:754

Elektronların dinamikleri için klasik Monte-Carlo yöntemleri, tam kuantum süreçleri kullanılarak hesaplanan başlangıç koşulları içinde yarı klasik olarak tanımlanabilir, ancak tüm ilerideki süreçler klasiktir.^[2]^:871

İzole atomlar ve moleküller

İzole olmuş atam ve moleküllere genellikle atomik, moleküler ve Optik fizik dikkate alır. Atom modelleri çekirdek etrafına bir veya daha fazla elektron içerir. Bu modeller hidrojen molekülü veya hidrojen molekülü ile alakalıdır. Bu atomları, kendilerine özgün olan oluşum enerjileri, fiziksel halleri veya yoğunlukları etkilemez. Ancak iyonlaşma ve fotonlar tarafından uyarılan veya çarpışan atomlar etkiler.

İzole atomları modellerken, eğer gaz veya plazma molekülleri ise moleküler çekim kuvveti çok büyük olacağından gerçekçi olmadığı düşünülebilir yani kendine özgü moleküllerin büyük çoğunluğu zamanla izole olmuş gibi davranabilir. Çok sayıda molekül olsa bile atom ve molekül fiziği plazma fiziğinin ve atmosferik fiziğin altında yatan teoriyi sağlar.

Elektronik Gruplaşma

Elektronlar çekirdeğin etrafında hayali kabukları oluştururlar. Bunlar doğal olarak temel durumda olurlar ancak ışıktan (fotonlar) ve manyetik alanlardan enerji emilimi ile veya çarpışan bir parçacık (genelde başka elektronlar) ile etkileşim ile uyarılabilirler.

Kabuğu oluşturan elektronların bağlı durumda oldukları söylenir. Bir elektronu kabuğundan (sonsuzluğa alır) çıkarmak için gerekli olan enerjiye bağlanma enerjisi denir. Bir elektron tarafından bu miktarın üzerinde emilen enerji, enerjinin korunumu yasasına göre kinetik enerjiye dönüştürülür. Atomun iyonlaşma sürecine uğradığı söylenir.

Elektronun bağlanma enerjisinden az miktarda enerji emmesi durumunda ise, uyarılmış hale veya sanal hale geçiş yapabilir. İstatistiksel olarak yeterli bir zamanın ardından uyarılmış haldeki bir elektron, kendiliğinden emisyon ile daha düşük bir hale geçiş yapar. İki enerji seviyesi arasındaki enerji değişimi açıklanmalıdır (enerjinin korunumu). Nötr bir atomda sistem, enerjideki değişimin fotonunu yayacaktır. Ancak düşük hal iç kabuktaysa, enerjinin başka bir bağlı elektrona aktarıldığı yerde Auger etkisi olarak bilinen bir olay gerçekleşir ve elektronun süreme girmesine yol açar.

Işıkla uyarılma ile ulaşılabilecek elektronik konfigürasyonları ile ilgili sıkı seçim kuralları vardır - ancak çarpışma süreçleri ile uyarılma için böyle kurallar yoktur.

Ayrıca bakınız

Notlar

^ Atomic, molecular, and optical physics. National Academy Press. 1986. ISBN 0-309-03575-9.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Editor: Gordon Drake (Various authors) (1996). Handbook of atomic, molecular, and optical physics. Springer. ISBN 0-387-20802-X.
^ Chen, L. T. (ed.) (2009). Atomic, Molecular and Optical Physics: New Research. Nova Science Publishers. ISBN 978-1-60456-907-0.
^ C.B. Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2. bas.). McGraw Hill. s. 803. ISBN 0-07-051400-3.
^ R. E. Dickerson, I. Geis (1976). "chapter 9". Chemistry, Matter, and the Universe. W.A. Benjamin Inc. (USA). ISBN 0-19-855148-7.
^ I.R. Kenyon (2008). "chapters 12, 13, 17". The Light Fantastic – Introduction to Classic and Quantum Optics. Oxford University Press. ISBN 9-780198-566465.
^ Y. B. Band (2010). "chapters 3". Light and Matter: Electromagnetism, Optics, Spectroscopy and Lasers. , John Wiley & Sons. ISBN 978-0471-89931-0.
^ Y.B. Band (2010). "chapters 9,10". Light and Matter: Electromagnetism, Optics, Spectroscopy and Lasers. John Wiley & Sons. ISBN 978-0471-89931-0.
^ C.B. Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2. bas.). McGraw Hill. ss. 933-934. ISBN 0-07-051400-3.
^ I. R. Kenyon (2008). "5, 6, 10, 16". The Light Fantastic – Introduction to Classic and Quantum Optics (2. bas.). Oxford University Press. ISBN 9-780198-566465.
^ ^a ^b R. E. Dickerson, I. Geis (1976). "chapters 7, 8". Chemistry, Matter, and the Universe. W.A. Benjamin Inc. (USA). ISBN 0-19-855148-7.
^ Y.B. Band (2010). Light and Matter: Electromagnetism, Optics, Spectroscopy and Lasers. John Wiley & Sons. ss. 4-11. ISBN 978-0471-89931-0.
^ P. A. Tipler, G. Mosca (2008). "chapter 34". Physics for Scientists and Engineers - with Modern Physics. Freeman. ISBN 0-7167-8964-7.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Haken, H. (1981). Light (Reprint. bas.). Amsterdam u.a.: North-Holland Physics Publ. ISBN 0444860207.