Física atómica, molecular y óptica.

La física atómica, molecular y óptica (AMO) es el estudio de las interacciones materia-materia y luz-materia; a la escala de uno o unos pocos átomos y escalas de energía alrededor de varios electronvoltios. Las tres áreas están estrechamente interrelacionadas. La teoría AMO incluye tratamientos clásicos, semiclásicos y cuánticos. Por lo general, la teoría y las aplicaciones de emisión, absorción, dispersión de radiación electromagnética (luz) de átomos y moléculas excitados, análisis de espectroscopia, generación de láseres y másers, y las propiedades ópticas de la materia en general, caen dentro de estas categorías.

Física atómica y molecular

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 inglés estándar. Sin embargo, los físicos distinguen entre la física atómica, que trata al átomo como un sistema que consta de un núcleo y electrones, y la física nuclear, que considera únicamente los núcleos atómicos. Las técnicas experimentales importantes son los diversos tipos de espectroscopia. La física molecular, aunque está estrechamente relacionada con la física atómica, también se superpone en gran medida con la química teórica, la química física y la física química.

Ambos subcampos se ocupan principalmente de la estructura electrónica y los procesos dinámicos mediante los cuales cambian estos arreglos. 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 esencial de los orbitales atómicos en el campo de la física atómica se expande a la teoría de los orbitales moleculares. La física molecular se ocupa de los procesos atómicos en las moléculas, pero también se ocupa de los efectos debidos a la estructura molecular. Además de los estados de excitación electrónicos que se conocen de los átomos, las moléculas pueden rotar y vibrar. Estas rotaciones y vibraciones están cuantificadas; hay niveles de energía discretos. Las diferencias de energía más pequeñas existen entre los diferentes estados de rotación, por lo tanto, los espectros de rotación puros se encuentran en la región del infrarrojo lejano (alrededor de 30 - 150 µm de longitud de onda) del espectro electromagnético. Los espectros de vibración se encuentran en el infrarrojo cercano (alrededor de 1 a 5 µm) y los espectros resultantes de las transiciones electrónicas se encuentran principalmente en las regiones visible y ultravioleta. A partir de la medición de los espectros de rotación y vibración, se pueden calcular las propiedades de las moléculas, como la distancia entre los núcleos.

Al igual que con muchos campos científicos, la delimitación estricta puede ser muy 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 clasificarse así.

Física óptica

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, especialmente su manipulación y control. Se diferencia de la óptica general y la ingeniería óptica en que se centra en el descubrimiento y aplicación de nuevos fenómenos. Sin embargo, no existe una distinción clara entre física óptica, óptica aplicada e ingeniería óptica, ya que los dispositivos de la ingeniería óptica y las aplicaciones de la 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 S. E. Harris y de luz lenta por Harris y Lene Vestergaard Hau.

Los investigadores en física óptica utilizan y desarrollan fuentes de luz que abarcan el espectro electromagnético desde las microondas hasta 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. También se dedican importantes estudios en física óptica a la óptica cuántica y la coherencia, y a la óptica de femtosegundos. En física óptica, también se brinda soporte en áreas como la respuesta no lineal de átomos aislados a campos electromagnéticos intensos y ultracortos, la interacción átomo-cavidad en campos altos y propiedades cuánticas del campo electromagnético.

Otras áreas importantes de investigación incluyen el desarrollo de nuevas técnicas ópticas para mediciones nanoópticas, 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 óptica ultrarrápida. Las aplicaciones de la física óptica generan avances en las comunicaciones, la medicina, la fabricación e incluso el entretenimiento.

Historia

El modelo Bohr del átomo de hidrógeno

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 podían describirse y clasificarse por sus propiedades observables a granel; resumido por la tabla periódica en desarrollo, por John Newlands y Dmitri Mendeleyev a mediados o finales del siglo XIX.

Más tarde, la conexión entre la física atómica y la física óptica se hizo evidente, por el descubrimiento de líneas espectrales y los intentos de describir el fenómeno, especialmente por parte de Joseph von Fraunhofer, Fresnel y otros en el siglo XIX..

Desde entonces hasta la década de 1920, los físicos buscaron explicar los espectros atómicos y la radiación de cuerpo negro. Un intento de explicar las líneas espectrales del hidrógeno fue el modelo del átomo de Bohr.

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, conducen a una nuevo modelo matemático de la materia y la luz: la mecánica cuántica.

Modelo de oscilador clásico de la materia

Los primeros modelos para explicar el origen del índice de refracción trataban un electrón en un sistema atómico de forma clásica según el modelo de Paul Drude y Hendrik Lorentz. La teoría se desarrolló para intentar proporcionar un origen para el índice de refracción n dependiente de la longitud de onda de un material. En este modelo, las ondas electromagnéticas incidentes obligaron a un electrón unido a un átomo a oscilar. La amplitud de la oscilación tendría entonces una relación con la frecuencia de la onda electromagnética incidente y las frecuencias resonantes del oscilador. La superposición de estas ondas emitidas por muchos osciladores daría lugar a una onda que se movería más lentamente.

Primero modelo cuántico de materia y luz

Max Planck derivó una fórmula para describir el campo electromagnético dentro de una caja cuando está en equilibrio térmico en 1900. 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

k=nπ π L{displaystyle k={frac {npi} } {L}}

puede ocurrir en la caja, donde n es un entero positivo (denotado matemáticamente por n▪ ▪ N1{displaystyle scriptstyle nin mathbb {N} _{1}). La ecuación que describe estas ondas de pie es dada por:

E=E0pecado⁡ ⁡ ()nπ π Lx){displaystyle E=E_{0}sin left({frac {npi ¡Sí!.

donde E₀ es la magnitud de la amplitud del campo eléctrico, y E es la magnitud del campo eléctrico en la posición x. A partir de esta base, se derivó la ley de Planck.

En 1911, Ernest Rutherford concluyó, basándose en la dispersión de partículas alfa, que un átomo tiene un protón central similar a un punto. También pensó que un electrón seguiría siendo atraído por el protón por la ley de Coulomb, que había verificado que aún se mantenía a escalas pequeñas. Como resultado, creía que los electrones giraban alrededor del protón. Niels Bohr, en 1913, combinó el modelo atómico de Rutherford con las ideas de cuantización de Planck. Solo podrían existir órbitas específicas y bien definidas del electrón, que tampoco irradian luz. En el salto de órbita, el electrón emitiría o absorbería luz correspondiente a la diferencia de energía de las órbitas. Su predicción de los niveles de energía era entonces consistente con la observación.

Estos resultados, basados en un conjunto discreto de ondas estacionarias específicas, eran inconsistentes con el modelo de oscilador clásico continuo.

El trabajo de Albert Einstein en 1905 sobre el efecto fotoeléctrico llevó a la asociación de una onda ligera de frecuencia .. {displaystyle nu } con un foton de energía h.. {displaystyle hnu }. En 1917 Einstein creó una extensión al modelo Bohrs mediante la introducción de los tres procesos de emisión estimulada, emisión espontánea y absorción (radiación electromagnética).

Tratamientos modernos

Los mayores pasos hacia el tratamiento moderno fueron la formulación de la mecánica cuántica con el enfoque de la mecánica matricial por parte de Werner Heisenberg y el descubrimiento de la ecuación de Schrödinger por parte de Erwin Schrödinger.

Hay una variedad de tratamientos semiclásicos dentro de AMO. Qué aspectos del problema se tratan mecánicamente cuánticamente y cuáles se tratan clásicamente depende del problema específico en cuestión. El enfoque semiclásico es omnipresente en el trabajo computacional dentro de 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, se combina un tratamiento totalmente mecánico cuántico del sistema atómico o molecular con el sistema bajo la acción de un campo electromagnético clásico. Dado que el campo se trata de forma clásica, no puede tratar con la emisión espontánea. Este tratamiento semiclásico es válido para la mayoría de los sistemas, en particular aquellos bajo la acción de campos láser de alta intensidad. La distinción entre física óptica y óptica cuántica es el uso de tratamientos semiclásicos y completamente cuánticos, respectivamente.

Dentro de la dinámica de colisión y utilizando el tratamiento semiclásico, los grados de libertad internos pueden tratarse mecánicamente cuánticamente, mientras que el movimiento relativo de los sistemas cuánticos en consideración se trata de forma clásica. Cuando se consideran colisiones de velocidad media a alta, los núcleos se pueden tratar de forma clásica mientras que el electrón se trata mecánicamente cuánticamente. En colisiones a baja velocidad, la aproximación falla.

Los métodos clásicos de Montecarlo para la dinámica de los electrones pueden describirse como semiclásicos en el sentido de que las condiciones iniciales se calculan utilizando un tratamiento completamente cuántico, pero todo el tratamiento posterior es clásico.

Átomos y moléculas aisladas

La física atómica, molecular y óptica suele considerar los átomos y las moléculas de forma aislada. Los modelos atómicos consistirán en un solo núcleo que puede estar rodeado por uno o más electrones enlazados, 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 modelar átomos de forma aislada puede no parecer realista, si se consideran 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 preocupan. Esto significa que las moléculas individuales pueden tratarse como si cada una estuviera aislada la mayor parte del tiempo. Mediante esta consideración, la física atómica y molecular proporciona la teoría subyacente en la física del plasma y la física atmosférica, aunque ambas tratan con un gran número de moléculas.

Configuración electrónica

Los electrones forman capas teóricas alrededor del núcleo. Estos se encuentran naturalmente en un estado fundamental, pero pueden ser excitados 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 ligado. La energía necesaria para sacar 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 la 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 oa un estado virtual. Después de una cantidad de tiempo estadísticamente suficiente, un electrón en un estado excitado sufrirá una transición a un estado más bajo a través de la emisión espontánea. Debe tenerse en cuenta el cambio de energía entre los dos niveles de energía (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, puede tener lugar un fenómeno conocido como efecto Auger en el que la energía se transfiere a otros electrones enlazados, lo que hace que entre en el continuo. Esto permite multiplicar la ionización de un átomo con un solo fotón.

Existen reglas de selección estrictas en cuanto a las configuraciones electrónicas que se pueden alcanzar mediante la excitación por luz; sin embargo, no existen tales reglas para los procesos de excitación por colisión.