La física atómica, molecular y óptica (AMO) es el estudio de las interacciones materia - materia y materia - luz ; en la escala de uno o unos pocos átomos [1] y las escalas de energía alrededor de varios voltios de electrones . [2] : 1356 [3] Las tres áreas están estrechamente relacionadas entre sí. La teoría de la OMA incluye tratamientos clásicos , semiclásicos y cuánticos . Típicamente, la teoría y las aplicaciones de emisión , absorción , dispersión de la radiación electromagnética (luz) de la excitación. Los átomos y las moléculas , el análisis de la espectroscopia, la generación de láseres y maser , y las propiedades ópticas de la materia en general, entran en estas categorías.
Física Atómica y Molecular [ editar ]
La física atómica es el subcampo de AMO que estudia los átomos como un sistema aislado de electrones y un núcleo atómico , mientras que la física molecular es el estudio de las propiedades físicas de las moléculas . El término física atómica se asocia a menudo con la energía nuclear y las bombas nucleares , debido al uso sinónimo de atómico y nuclear en el inglés estándar . Sin embargo, los físicos distinguen entre la física atómica, que trata con el átomo como un sistema formado por un núcleo y electrones, y la física nuclear , que consideraNúcleos atómicos solos. Las técnicas experimentales importantes son los diversos tipos de espectroscopia . La física molecular, si bien está estrechamente relacionada con la física atómica , también se solapa en gran medida con la química teórica , la química física y la física química . [4]
Ambos subcampos están relacionados principalmente con la estructura electrónica y los procesos dinámicos mediante los cuales cambian estos acuerdos. Generalmente este trabajo implica el uso de la mecánica cuántica. Para la física molecular, este enfoque se conoce como química cuántica . Un aspecto importante de la física molecular es que la teoría orbital atómica esencial en el campo de la física atómica se expande a la teoría orbital molecular . [5] La física molecular se ocupa de los procesos atómicos en las moléculas, pero también tiene que ver con los efectos debidos a la estructura molecular.. Además de los estados de excitación electrónicos que se conocen a partir de los átomos, las moléculas pueden girar y vibrar. Estas rotaciones y vibraciones están cuantizadas; Hay niveles discretos de energía . Las diferencias de energía más pequeñas existen entre diferentes estados de rotación, por lo tanto, los espectros de rotación pura están en la región del infrarrojo lejano (aproximadamente 30 - 150 µm de longitud de onda ) del espectro electromagnético . Los espectros vibracionalesestán en el infrarrojo cercano (alrededor de 1 a 5 µm) y los espectros resultantes de las transiciones electrónicas están en su mayoría en el visible y ultravioletaregiones. A partir de la medición, se pueden calcular las propiedades de los espectros de rotación y vibración de las moléculas, como la distancia entre los núcleos. [6]
Al igual que en muchos campos científicos, la delineación estricta puede ser altamente artificial y la física atómica a menudo se considera en el contexto más amplio de la física atómica, molecular y óptica . Los grupos de investigación en física suelen estar tan clasificados.
Física óptica [ editar ]
La física óptica es el estudio de la generación de radiación electromagnética , las propiedades de esa radiación y la interacción de esa radiación con la materia , [7] especialmente su manipulación y control. [8] Se diferencia de la óptica general y la ingeniería óptica.En eso se enfoca en el descubrimiento y aplicación de nuevos fenómenos. Sin embargo, no hay una distinción fuerte entre física óptica, óptica aplicada e ingeniería óptica, ya que los dispositivos de ingeniería óptica y las aplicaciones de óptica aplicada son necesarios para la investigación básica en física óptica, y esa investigación conduce al desarrollo de nuevos dispositivos. y aplicaciones. A menudo, las mismas personas están involucradas tanto en la investigación básica como en el desarrollo de tecnología aplicada, por ejemplo, la demostración experimental de transparencia inducida electromagnéticamente por SE Harris y de luz lenta por Harris y Lene Vestergaard Hau . [9] [10]
Los investigadores en el uso de la física óptica y desarrollar fuentes de luz que abarcan todo el espectro electromagnético de microondas a los rayos X . El campo incluye la generación y detección de luz, procesos ópticos lineales y no lineales , y espectroscopia . Los láseres y la espectroscopia láser han transformado la ciencia óptica. El estudio principal en física óptica también está dedicado a la óptica cuántica y la coherencia , y a la óptica de femtosegundos . [1]En física óptica, también se proporciona soporte en áreas como la respuesta no lineal de los átomos aislados a los campos electromagnéticos intensos y ultra cortos, la interacción átomo-cavidad en los campos altos y las propiedades cuánticas del campo electromagnético. [11]
Otras áreas importantes de investigación incluyen el desarrollo de nuevas técnicas ópticas para mediciones nano-ópticas, óptica difractiva , interferometría de baja coherencia , tomografía de coherencia óptica y microscopía de campo cercano . La investigación en física óptica pone énfasis en la ciencia y tecnología ópticas ultrarrápidas. Las aplicaciones de la física óptica crean avances en las comunicaciones , la medicina , la manufactura e incluso el entretenimiento . [12]
Historia [ editar ]
Uno de los primeros pasos hacia la física atómica fue el reconocimiento de que la materia estaba compuesta de átomos , en términos modernos, la unidad básica de un elemento químico . Esta teoría fue desarrollada por John Dalton en el siglo XVIII. En esta etapa, no estaba claro qué eran los átomos, aunque podrían describirse y clasificarse por sus propiedades observables en masa; resumido por la tabla periódica en desarrollo , por John Newlands y Dmitri Mendeleyev a mediados del siglo XIX. [13]
Más tarde, la conexión entre la física atómica y la física óptica se hizo evidente, mediante el descubrimiento de líneas espectrales y los intentos de describir el fenómeno, especialmente por Joseph von Fraunhofer , Fresnel y otros en el siglo XIX. [14]
Desde ese momento hasta la década de 1920, los físicos buscaban explicar los espectros atómicos y la radiación del cuerpo negro . Un intento de explicar las líneas espectrales de hidrógeno fue el modelo del átomo de Bohr . [13]
Los experimentos que incluyen la radiación electromagnética y la materia, como el efecto fotoeléctrico , el efecto Compton y los espectros de la luz solar, debido al elemento desconocido del helio , la limitación del modelo de Bohr al hidrógeno y muchas otras razones, llevan a un modelo matemático completamente nuevo. De la materia y la luz: la mecánica cuántica . [15]
Modelo de oscilador clásico de la materia [ editar ]
Los primeros modelos para explicar el origen del índice de refracción trataron un electrón en un sistema atómico según el modelo de Paul Drude y Hendrik Lorentz . La teoría se desarrolló para intentar proporcionar un origen para el índice de refracción dependiente de la longitud de onda n de un material. En este modelo, las ondas electromagnéticas incidentes forzaron la oscilación de un electrón enlazado a un átomo . La amplitud de la oscilación tendría entonces una relación con la frecuencia de la onda electromagnética incidente y las frecuencias resonantes del oscilador. La superposicionDe estas ondas emitidas por muchos osciladores, se produciría una onda que se movía más lentamente. [16] : 4–8
Modelo cuántico principios de la materia y la luz [ editar ]
Max Planck derivó una fórmula para describir el campo electromagnético dentro de una caja cuando estaba en equilibrio térmico en 1900. [16] : 8–9 Su modelo consistía en una superposición de ondas estacionarias . En una dimensión, la caja tiene una longitud L , y solo ondas sinusoidales de número de onda
puede aparecer en el cuadro, donde n es un entero positivo (matemáticamente denotado por). La ecuación que describe estas ondas estacionarias está dada por:
- .
donde E 0 es la magnitud de la amplitud del campo eléctrico , y E es la magnitud del campo eléctrico en la posición x . De esta base se deriva la ley de Planck . [16] : 4–8,51–52
En 1911, Ernest Rutherford concluyó, basándose en la dispersión de partículas alfa, que un átomo tiene un protón en forma de punto central. También pensó que la ley de Coulomb atraería aún un electrón al protón, que él había comprobado que aún se encontraba en pequeñas escalas. Como resultado, creía que los electrones giraban alrededor del protón. Niels Bohr , en 1913, combinó el modelo de Rutherford del átomo con las ideas de cuantificación de Planck. Sólo podrían existir órbitas específicas y bien definidas del electrón, que tampoco irradian luz. Al saltar en órbita, el electrón emitiría o absorbería la luz correspondiente a la diferencia de energía de las órbitas. Su predicción de los niveles de energía era entonces consistente con la observación. [16] : 9-10
Estos resultados, basados en un conjunto discreto de ondas estacionarias específicas, fueron inconsistentes con el modelo de oscilador clásico continuo . [16] : 8
El trabajo de Albert Einstein en 1905 sobre el efecto fotoeléctrico condujo a la asociación de una onda de luz de frecuencia. con un foton de energia . En 1917, Einstein creó una extensión del modelo de Bohrs mediante la introducción de los tres procesos de emisión estimulada , emisión espontánea y absorción (radiación electromagnética) . [16] : 11
Tratamientos modernos [ editar ]
Los pasos más grandes hacia el tratamiento moderno fueron la formulación de la mecánica cuántica con el enfoque de la mecánica matricial de Werner Heisenberg y el descubrimiento de la ecuación de Schrödinger por Erwin Schrödinger . [16] : 12
Hay una variedad de tratamientos semi-clásicos dentro de AMO. Los aspectos del problema que se tratan de forma mecánica y los que se tratan de forma clásica dependen del problema específico en cuestión. El enfoque semiclásico es ubicuo en el trabajo computacional dentro de la AMO, en gran parte debido a la gran disminución en el costo computacional y la complejidad asociada con él.
Para la materia bajo la acción de un láser, un tratamiento mecánico cuántico del sistema atómico o molecular se combina con el sistema bajo la acción de un campo electromagnético clásico. [16] : 14 Dado que el campo se trata de forma clásica, no se puede tratar con la emisión espontánea . [16] : 16 Este tratamiento semi-clásico es válido para la mayoría de los sistemas, [2] : 997 en particular aquellos bajo la acción de campos láser de alta intensidad. [2] : 724 La distinción entre física óptica y óptica cuántica es el uso de tratamientos semi-clásicos y totalmente cuánticos, respectivamente. [2] : 997
Dentro de la dinámica de colisión y el uso del tratamiento semiclásico, los grados internos de libertad pueden tratarse mecánicamente, mientras que el movimiento relativo de los sistemas cuánticos considerados se trata de forma clásica. [2] : 556 Al considerar las colisiones de velocidad media a alta, los núcleos se pueden tratar clásicamente mientras que el electrón se trata de manera mecánica. En colisiones a baja velocidad la aproximación falla. [2] : 754
Los métodos clásicos de Monte-Carlo para la dinámica de los electrones se pueden describir como semi-clásicos, ya que las condiciones iniciales se calculan utilizando un tratamiento totalmente cuántico, pero todos los tratamientos adicionales son clásicos. [2] : 871
Atomos y moleculas aislados [ editar ]
La física atómica, molecular y óptica a menudo considera a los átomos y moléculas en aislamiento. Los modelos atómicos consistirán en un solo núcleo que puede estar rodeado por uno o más electrones unidos, mientras que los modelos moleculares suelen estar relacionados con el hidrógeno molecular y su ion de hidrógeno molecular . Se ocupa de procesos como la ionización , la ionización por encima del umbral y la excitación por fotones o colisiones con partículas atómicas.
Si bien el modelado de átomos en aislamiento puede no parecer realista, si se consideran las moléculas en un gas o plasma , las escalas de tiempo para las interacciones molécula-molécula son enormes en comparación con los procesos atómicos y moleculares que nos interesan. Esto significa que las moléculas individuales se pueden tratar como si cada una estuviera aislada durante la mayor parte del tiempo. Por esta consideración, la física atómica y molecular proporciona la teoría subyacente en la física del plasma y la física atmosférica , aunque ambas se ocupan de un gran número de moléculas.
Configuración electrónica [ editar ]
Los electrones forman conchas nocionales alrededor del núcleo. Estos se encuentran naturalmente en un estado fundamental, pero pueden ser estimulados por la absorción de energía de la luz ( fotones ), campos magnéticos o la interacción con una partícula en colisión (típicamente otros electrones).
Se dice que los electrones que pueblan una capa están en un estado de enlace . La energía necesaria para eliminar un electrón de su capa (llevándolo al infinito) se llama energía de enlace . Cualquier cantidad de energía absorbida por el electrón en exceso de esta cantidad se convierte en energía cinética de acuerdo con la conservación de energía . Se dice que el átomo ha sufrido el proceso de ionización .
En el caso de que el electrón absorba una cantidad de energía menor que la energía de enlace, puede pasar a un estado excitado o a un estado virtual . Después de una cantidad de tiempo estadísticamente suficiente, un electrón en un estado excitado experimentará una transición a un estado inferior a través de la emisión espontánea . El cambio en la energía entre los dos niveles de energía se debe tener en cuenta (conservación de la energía). En un átomo neutro, el sistema emitirá un fotón de la diferencia de energía. Sin embargo, si el estado inferior está en una capa interna, un fenómeno conocido como el efecto Augerpuede tener lugar donde la energía se transfiere a otros electrones enlazados, lo que hace que entre en el continuo. Esto permite multiplicar un átomo por un solo fotón.
Existen reglas de selección estrictas en cuanto a las configuraciones electrónicas que pueden alcanzarse mediante la excitación mediante la luz, sin embargo, no existen tales reglas para la excitación mediante procesos de colisión.
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