Atomare, molekulare und optische Physik (AMO) ist die Studie der Sache-Sache und Wechselwirkungen der leichten Sache; an der Skala ein oder einige Atome und Energie klettert um mehrere Elektronvolt. Die drei Gebiete sind zueinander in Beziehung gebrachter closley. AMO Theorie schließt klassisch, halbklassisch und Quant-Behandlungen ein. Gewöhnlich fallen die Theorie und Anwendungen von emmision, Absorption, dem Zerstreuen der elektromagnetischen Radiation (Licht) von aufgeregten Atomen und Molekülen, Analyse der Spektroskopie, Generation von Lasern und Masern und den optischen Eigenschaften der Sache im Allgemeinen, in diese catergories.

Geschichte und Entwicklungen

Einer der frühsten Schritte zur Atomphysik war die Anerkennung, dass Sache aus Atomen, in modernen Begriffen die grundlegende Einheit eines chemischen Elements zusammengesetzt wurde. Diese Theorie wurde von John Dalton im 18. Jahrhundert entwickelt. In dieser Bühne war es nicht klar, was Atome waren - obwohl sie beschrieben und durch ihre erkennbaren Eigenschaften in großen Mengen klassifiziert werden konnten; zusammengefasst durch das sich entwickelnde Periodensystem, durch John Newlands und Dmitri Mendeleyev um die Mitte zum Ende des 19. Jahrhunderts.

Später ist die Verbindung zwischen Atomphysik und optischer Physik offenbar durch die Entdeckung von geisterhaften Linien geworden und versucht, das Phänomen - namentlich durch Joseph von Fraunhofer, Fresnel und andere im 19. Jahrhundert zu beschreiben.

Von dieser Zeit bis zu den 1920er Jahren bemühten sich Physiker, Atomspektren und blackbody Radiation zu erklären. Ein Versuch, geisterhafte Wasserstofflinien zu erklären, war das Atom-Modell von Bohr.

Experimente einschließlich der elektromagnetischen Radiation und Sache - wie die fotoelektrische Wirkung, Wirkung von Compton und Spektren des Sonnenlichtes das erwartete zum unbekannten Element von Helium, der Beschränkung des Modells von Bohr zu Wasserstoff, und vielen anderen Gründen, führen zu einem völlig neuen mathematischen Modell der Sache und des Lichtes: Quant-Mechanik.

Diese neue Theorie von Atomen und Radiation hat nicht nur geisterhafte Linien von Wasserstoff, aber jedes Atom, folglich die Theorie hinter der Spektroskopie erklärt, und hat weiter noch die ungewöhnlichen Eigenschaften der Sache und Wechselwirkungen mit der Radiation, wie beobachtet, in Experimenten erklärt.

Wie man

verstand, haben auch Elektronschalen in Atomen - und dieser bestanden Elektronen, die diese Schalen besetzen, verbinden Atome, um Moleküle gemäß strengen Quant-Regeln, d. h. das Atomaugenhöhlenmodell zu bilden. Das hat eine neue theoretische Grundlage für das Periodensystem und die ganze Chemie (obwohl bekannt, als Quant-Chemie) geschaffen. An diesem Punkt wurde molekulare Physik gegründet.

Seit dem Zweiten Weltkrieg ist sowohl die theoretische als auch experimentelle Arbeit in AMO mit einem schnellen Schritt vorwärts gegangen. Das kann zugeschrieben werden, um in der Rechentechnologie fortzuschreiten, die größere und hoch entwickeltere Modelle des Atombaus erlaubt, und das Zerstreuen und die Kollisionsprozesse vereinigt hat. Weiter haben technologische Fortschritte in Gaspedalen, Entdeckern, magnetischer Feldgeneration und Lasern experimenteller Arbeit außerordentlich geholfen.

Diese gesammelten Elemente der theoretischen und experimentellen Forschung sind kürzlich in ein Feld, AMO fusioniert worden.

Frühe Modelle

Klassisches Oszillator-Modell der Sache

Frühe Modelle, um den Ursprung des Index der Brechung zu erklären, haben ein Elektron in einem Atomsystem klassisch gemäß dem Modell von Paul Drude und Hendrik Lorentz behandelt. Die Theorie waas hat sich entwickelt, um zu versuchen, einen Ursprung für den von der Wellenlänge abhängigen Brechungsindex n eines Materials zur Verfügung zu stellen. In diesem Modell Ereignis haben elektromagnetische Wellen ein zu einem Atom verpflichtetes Elektron gezwungen zu schwingen. Der Umfang der Schwingung würde dann eine Beziehung zur Frequenz des Ereignisses elektromagnetische Welle und die Frequenzen von Reasonant des Oszillators haben. Die Überlagerung dieser ausgestrahlten Wellen von vielen Oszillatoren würde dann zu einer Welle führen, die sich langsamer bewegt hat.

Frühes Quant-Modell der Sache und des Lichtes

Max Planck hat eine Formel abgeleitet, um das elektromagnetische Feld innerhalb eines Kastens wenn im Thermalgleichgewicht 1900 zu beschreiben.

Sein Modell hat aus einer Überlagerung von stehenden Wellen bestanden. In einer Dimension hat der Kasten Länge L, und nur sinusodial Wellen von wavenumber

:

kann im Kasten vorkommen, wo n eine positive ganze Zahl (mathematisch angezeigt durch) ist. Durch die Gleichung, die diese stehenden Wellen beschreibt, wird gegeben:

:.

wo E der Umfang des elektrischen Feldumfangs ist, und E der Umfang des elektrischen Feldes an der Position x ist. Von dieser Basis wurde das Gesetz von Planck abgeleitet.

1911 hat Ernest Rutherford, gestützt auf dem Alphateilchen-Zerstreuen aufgehört, dass ein Atom ein punktmäßiges Hauptproton hat. Er hat auch gedacht, dass ein Elektron noch vom Proton durch das Gesetz der Ampere-Sekunde angezogen würde, das er noch gehalten an kleinen Skalen nachgeprüft hatte. Infolgedessen hat er geglaubt, dass Elektronen um das Proton gekreist haben. Neils Bohr 1913 hat das Modell von Rutherford des Atoms mit den quantisation Ideen von Planck verbunden. Nur spezifische und bestimmte Bahnen des Elektrons konnten bestehen, die auch Licht nicht ausstrahlen. In der springenden Bahn würde das Elektron ausstrahlen oder Licht entsprechend dem Unterschied in der Energie der Bahnen absorbieren. Seine Vorhersage der Energieniveaus war dann mit der Beobachtung im Einklang stehend.

Diese Ergebnisse, die auf einem getrennten Satz von spezifischen stehenden Wellen gestützt sind, waren mit dem dauernden klassischen Oszillator-Modell inkonsequent..

Die Arbeit von Albert Einstein 1905 auf der fotoelektrischen Wirkung hat zur Vereinigung einer leichten Welle der Frequenz mit einem Foton der Energie geführt. 1917 hat Einstein eine Erweiterung auf das Modell von Bohrs durch die Einführung der drei Prozesse der stimulierten Emission, spontanen Emission und Absorption (elektromagnetische Radiation) geschaffen.

Isolierte Atome und Moleküle

Atomare, Molekulare und Optische Physik denkt oft Atome und Moleküle in der Isolierung. Atommodelle werden aus einem einzelnen Kern bestehen, der durch ein oder mehr bestimmte Elektronen umgeben werden kann, während molekulare Modelle normalerweise mit Molekularem Wasserstoff beschäftigt sind und es Molekulares Wasserstoffion ist. Es ist mit der Bildung von Molekülen nicht beschäftigt (obwohl viel von der Physik identisch ist) noch es Atome in einem festen Zustand als kondensierte Sache untersucht. Es ist mit Prozessen wie Ionisation, Über der Schwellenionisation und Erregung durch Fotonen oder Kollisionen mit Atompartikeln beschäftigt.

Während das Modellieren von Atomen in der Isolierung realistisch nicht scheinen kann, wenn man Moleküle in einem Benzin oder Plasma dann denkt, sind die Zeitskalen für Wechselwirkungen des Molekül-Moleküls im Vergleich mit den atomaren und molekularen Prozessen riesig, mit denen wir betroffen werden. Das bedeutet, dass die individuellen Moleküle behandelt werden können, als ob jeder in der Isolierung für die große Mehrheit der Zeit war, die sie sind. Durch diese Rücksicht stellt atomare und molekulare Physik die zu Grunde liegende Theorie in der Plasmaphysik und atmosphärischen Physik zur Verfügung, wenn auch sich beider mit riesigen Zahlen von Molekülen befassen.

Elektronische Konfiguration

Elektronen bilden begriffliche Schalen um den Kern. Diese sind natürlich in einem Boden-Staat, aber können aufgeregt sein

durch die Absorption der Energie vom Licht (Fotonen), magnetische Felder oder Wechselwirkung mit einer kollidierenden Partikel (normalerweise andere Elektronen).

Wie man

sagt, sind Elektronen, die eine Schale bevölkern, in einem bestimmten Staat. Die Energie, die notwendig ist, um ein Elektron von seiner Schale zu entfernen (es in die Unendlichkeit bringend), wird die Bindungsenergie genannt. Jede Menge der Energie, die vom Elektron über diesen Betrag gefesselt ist, wird zur kinetischen Energie gemäß der Bewahrung der Energie umgewandelt. Wie man sagt, hat das Atom den Prozess der Ionisation erlebt.

Falls das Elektron eine Menge der Energie weniger absorbiert als die Bindungsenergie, kann es zu einem aufgeregten Staat oder zu einem Virtuellen Staat wechseln. Nach einer statistisch genügend Menge der Zeit wird ein Elektron in einem aufgeregten Staat einen Übergang zu einem niedrigeren Staat über die spontane Emission erleben. Die Änderung in der Energie zwischen den zwei Energieniveaus muss (Bewahrung der Energie) verantwortlich gewesen werden. In einem neutralen Atom wird das System ein Foton des Unterschieds in der Energie ausstrahlen. Jedoch, wenn eines seiner inneren Schale-Elektronen, ein bekanntes Phänomen entfernt worden ist, weil die Erdbohrer-Wirkung stattfinden kann, wohin die Menge der Energie einem der bestimmten Elektronen übertragen wird, die es veranlassen, ins Kontinuum einzutreten. Das erlaubt, um zu multiplizieren, ionisiert ein Atom mit einem einzelnen Foton.

Es gibt strenge Auswahlregeln betreffs der elektronischen Konfigurationen, die durch die Erregung durch das Licht erreicht werden können — jedoch gibt es keine solche Regeln für die Erregung durch Kollisionsprozesse.

Atomphysik

Atomphysik (oder Atom-Physik) sind das Feld der Physik, die Atome als ein isoliertes System von Elektronen und einem Atomkern studiert. Es ist in erster Linie mit der Einordnung von Elektronen um den Kern und die Prozesse beschäftigt, durch die sich diese Maßnahmen ändern. Das schließt Ionen sowie neutrale Atome und, wenn sonst nicht festgesetzt, zu den Zwecken dieser Diskussion ein es sollte angenommen werden, dass der Begriff Atom Ionen einschließt.

Der Begriff Atomphysik wird häufig mit der Kernkraft und den Atombomben, wegen des synonymischen Gebrauches von atomaren und Kern-in Standardenglisch vereinigt. Jedoch unterscheiden Physiker zwischen der Atomphysik — der sich mit dem Atom als ein System befasst, das aus einem Kern und Elektronen — und Kernphysik besteht, die Atomkerne als allein betrachtet.

Als mit vielen wissenschaftlichen Feldern kann strenge Zeichnung hoch erfunden werden, und Atomphysik wird häufig im breiteren Zusammenhang der atomaren, molekularen und optischen Physik betrachtet. Physik-Forschungsgruppen werden gewöhnlich so klassifiziert.

Molekulare Physik

Molekulare Physik ist die Studie der physikalischen Eigenschaften von Molekülen, den chemischen Obligationen zwischen Atomen sowie der molekularen Dynamik. Seine wichtigsten experimentellen Techniken sind die verschiedenen Typen der Spektroskopie. Das Feld ist nah mit der Atomphysik verbunden und überlappt außerordentlich mit der theoretischen Chemie, physischen Chemie und chemischen Physik.

Zusätzlich zu den elektronischen Erregungsstaaten, die von Atomen bekannt sind, sind Moleküle im Stande, zu rotieren und zu vibrieren. Diese Folgen und Vibrationen werden gequantelt, es gibt getrennte Energieniveaus. Die kleinsten Energieunterschiede bestehen zwischen verschiedenen Rotationsstaaten, deshalb sind reine Rotationsspektren im weiten Infrarotgebiet (ungefähr 30 - 150 µm Wellenlänge) des elektromagnetischen Spektrums. Schwingspektren sind in der infraroten Nähe (ungefähr 1 - 5 µm), und Spektren, die sich aus elektronischen Übergängen ergeben, sind größtenteils in den sichtbaren und ultravioletten Gebieten. Davon, Rotations- und Schwingspektrum-Eigenschaften von Molekülen wie die Entfernung zwischen den Kernen zu messen, kann berechnet werden.

Ein wichtiger Aspekt der molekularen Physik ist, dass sich die wesentliche Atomaugenhöhlentheorie im Feld der Atomphysik zur molekularen Augenhöhlentheorie ausbreitet.

Optische Physik

Optische Physik ist die Studie der Generation der elektromagnetischen Radiation, der Eigenschaften dieser Radiation und der Wechselwirkung dieser Radiation mit der Sache, besonders seine Manipulation und Kontrolle. Es unterscheidet sich von der allgemeinen Optik und optischen Technik, in der es auf die Entdeckung und Anwendung neuer Phänomene eingestellt wird. Es gibt keine starke Unterscheidung, jedoch, zwischen der optischen Physik, angewandten Optik und optischen Technik, da die Geräte der optischen Technik und die Anwendungen der angewandten Optik für die Grundlagenforschung in der optischen Physik notwendig sind, und führt diese Forschung zur Entwicklung von neuen Geräten und Anwendungen. Häufig werden dieselben Leute sowohl an der Grundlagenforschung als auch an der angewandten Technologieentwicklung beteiligt.

Forscher in der optischen Physik verwenden und entwickeln leichte Quellen, die das elektromagnetische Spektrum von Mikrowellen bis Röntgenstrahlen abmessen. Das Feld schließt die Generation und Entdeckung von leichten, geradlinigen und nichtlinearen optischen Prozessen und Spektroskopie ein. Laser und Laserspektroskopie haben optische Wissenschaft umgestaltet. Die Hauptstudie in der optischen Physik wird auch der Quant-Optik und Kohärenz, und der Femtosekunde-Optik gewidmet. In der optischen Physik wird Unterstützung auch in Gebieten wie die nichtlineare Antwort von isolierten Atomen zu intensiven, elektromagnetischen Ultrakurzfeldern, der Wechselwirkung der Atom-Höhle an hohen Feldern und den Quant-Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes zur Verfügung gestellt.

Andere wichtige Gebiete der Forschung schließen die Entwicklung von neuartigen optischen Techniken für nano-optische Maße, diffractive Optik, niedrige Kohärenz interferometry, optische Kohärenz-Tomographie und Nah-Feldmikroskopie ein. Die Forschung in der optischen Physik legt einen Wert auf die ultraschnelle optische Wissenschaft und Technologie. Die Anwendungen der optischen Physik schaffen Förderungen in Kommunikationen, Medizin, Herstellung und sogar Unterhaltung.

Siehe auch

• Geborene-Oppenheimer Annäherung
• Frequenz, die sich verdoppelt
• Beugung
• Interferometry
• Isomere Verschiebung
• Hyperfeine Struktur
• Nichtlineare Optik
• Photonics
• Nanotechnologie
• Negativer Index metamaterials
• Metamaterial, der bemäntelt
• Molekularer Energiestaat
• Das molekulare Modellieren
• Partikel-Physik
• Physische Chemie
• Foton-Polarisation
• Quant-Chemie
• Quant-Optik
• Starrer Rotor
• Spektroskopie
• Superlinse

Spektroskopie

• Stationärer Staat
• Übergang des Staates
• Vektor-Modell des Atoms

Referenzen

Links

• Gemeinsames Quant-Institut an der Universität Marylands und NIST
• Atomphysik im Internet
• JILA (Atomphysik)
• ORNL Physik-Abteilung
• http://iopscience.iop.org/0953-4075/, Institut für die Physik
• http://www.aps.org/units/damop/, amerikanische physische Gesellschaft
• http://www.nsf.gov/funding/pgm_summ.jsp?pims_id=13622, nationales Wissenschaftsfundament
• http://www.sciencedirect.com/science/bookseries/1049250X, ScienceDirect
• http://web.am.qub.ac.uk/ctamop/, Zentrum für die theoretische, atomare, molekulare und optische Physik, die Universität der Königin Belfast
• http://ampd.epsdivisions.org/, europäische physische Gesellschaft