Física atómica, molecular y óptica

Estudio de las interacciones materia-luz a pequeña escala

La física atómica, molecular y óptica ( AMO ) es el estudio de las interacciones materia -materia y luz -materia, a escala de uno o unos pocos átomos ^[1] y escalas de energía alrededor de varios electrón-voltios . ^[2]^{: 1356}^[3] Las tres áreas están estrechamente relacionadas entre sí. La teoría AMO incluye tratamientos clásicos , semiclásicos y cuánticos . Por lo general, la teoría y las aplicaciones de la emisión , la absorción , la dispersión de la radiación electromagnética (luz) de átomos y moléculas excitados , el análisis de la espectroscopia, la generación de láseres y máseres y las propiedades ópticas de la materia en general, entran en estas categorías.

Física atómica y molecular

La física atómica es el subcampo de la 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 a menudo se asocia 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 del átomo como un sistema que consiste en un núcleo y electrones, y la física nuclear , que considera solo 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 . ^[4]

Ambos subcampos se ocupan principalmente de la estructura electrónica y los procesos dinámicos por los cuales estos arreglos cambian. 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 se ocupa de los efectos debidos a la estructura molecular . Además de los estados de excitación electrónica que se conocen de los átomos, las moléculas pueden rotar y vibrar. Estas rotaciones y vibraciones están cuantizadas; hay niveles de energía discretos. Las diferencias de energía más pequeñas existen entre diferentes estados rotacionales, por lo tanto, los espectros rotacionales puros están en la región del infrarrojo lejano (alrededor de 30 - 150 μm de longitud de onda ) del espectro electromagnético . Los espectros vibracionales se encuentran en el infrarrojo cercano (aproximadamente entre 1 y 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 rotacionales y vibracionales se pueden calcular propiedades de las moléculas como la distancia entre los núcleos. ^[6]

Como sucede con muchos campos científicos, la delimitación estricta puede ser muy artificial y la física atómica suele considerarse en el contexto más amplio de la física atómica, molecular y óptica . Los grupos de investigación en física suelen clasificarse de esta manera.

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 , ^[7] especialmente su manipulación y control. ^[8] Se diferencia de la óptica general y la ingeniería óptica en que se centra en el descubrimiento y la aplicación de nuevos fenómenos. Sin embargo, no existe una distinción marcada entre física óptica, óptica aplicada e ingeniería óptica, ya que los dispositivos de 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 la transparencia inducida electromagnéticamente por SE Harris y de la luz lenta por Harris y Lene Vestergaard Hau . ^[9]^[10]

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. El estudio principal en física óptica también se dedica a la óptica cuántica y la coherencia , y a la óptica de femtosegundos . ^[1] En física óptica, también se proporciona apoyo en áreas como la respuesta no lineal de átomos aislados a campos electromagnéticos intensos y ultracortos, la interacción átomo-cavidad en 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 óptica ultrarrápida. Las aplicaciones de la física óptica crean avances en las comunicaciones , la medicina , la fabricación e incluso el entretenimiento . ^[12]

Historia

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 en conjunto; resumidas por la tabla periódica en desarrollo , por John Newlands y Dmitri Mendeleyev alrededor de mediados y fines del siglo XIX. ^[13]

Más tarde, la conexión entre la física atómica y la física óptica se hizo evidente con el descubrimiento de las líneas espectrales y los intentos de describir el fenómeno, en particular por Joseph von Fraunhofer , Fresnel y otros en el siglo XIX. ^[14]

Desde entonces hasta la década de 1920, los físicos intentaron explicar los espectros atómicos y la radiación del cuerpo negro . Un intento de explicar las líneas espectrales del hidrógeno fue el modelo atómico de Bohr . ^[13]

Los experimentos que incluyen radiación electromagnética y 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 un modelo matemático completamente nuevo de la materia y la luz: la mecánica cuántica . ^[15]

Modelo oscilador clásico de la materia

Los primeros modelos para explicar el origen del índice de refracción trataban al electrón en un sistema atómico de manera clásica según el modelo de Paul Drude y Hendrik Lorentz . La teoría fue desarrollada 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 obligaban a un electrón ligado 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 desde muchos osciladores conduciría entonces a una onda que se movería más lentamente. ^[16]^{: 4–8}

Modelo cuántico temprano 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. ^[16]^{: 8–9} Su modelo consistía en una superposición de ondas estacionarias . En una dimensión, la caja tiene longitud L , y solo ondas sinusoidales de número de onda

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

puede ocurrir en la caja, donde n es un entero positivo (denotado matemáticamente por ). La ecuación que describe estas ondas estacionarias está dada por: $\scriptstyle n\in \mathbb {N} _{1}$

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

.

donde E ₀ es la magnitud de la amplitud del campo eléctrico y E es la magnitud del campo eléctrico en la posición x . A partir de este principio básico se derivó 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 central puntual. También pensó que un electrón seguiría siendo atraído por el protón por la ley de Coulomb, que había verificado que todavía 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 cuantificación de Planck. Solo podrían existir órbitas específicas y bien definidas del electrón, que tampoco irradian luz. En la órbita saltante, el electrón emitiría o absorbería luz correspondiente a la diferencia de energía de las órbitas. Su predicción de los niveles de energía fue entonces coherente con la observación. ^[16]^{: 9–10}

Estos resultados, basados en un conjunto discreto de ondas estacionarias específicas, eran 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 luminosa de frecuencia con un fotón de energía . En 1917, Einstein creó una extensión del modelo de Bohr mediante la introducción de los tres procesos de emisión estimulada , emisión espontánea y absorción (radiación electromagnética) . ^[16]^{: 11} $\nu$ $h\nu$

Tratamientos modernos

Los mayores pasos hacia el tratamiento moderno fueron la formulación de la mecánica cuántica con el enfoque de la mecánica matricial por Werner Heisenberg y el descubrimiento de la ecuación de Schrödinger por Erwin Schrödinger . ^[16]^{: 12}

Existen diversos tratamientos semiclásicos dentro de AMO. Los aspectos del problema que se tratan de manera mecánica cuántica y los que se tratan de manera clásica dependen del problema específico en cuestión. El enfoque semiclásico es omnipresente en el trabajo computacional dentro de AMO, en gran medida 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 mecánico cuántico completo del sistema atómico o molecular con el sistema bajo la acción de un campo electromagnético clásico. ^[16]^{: 14} Dado que el campo se trata de manera clásica, no puede tratar la emisión espontánea . ^[16]^{: 16} Este tratamiento semiclásico 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 semiclásicos y completamente cuánticos respectivamente. ^[2]^{: 997}

En el marco de la dinámica de colisiones y utilizando el tratamiento semiclásico, los grados de libertad internos pueden tratarse de manera mecanocuántica, mientras que el movimiento relativo de los sistemas cuánticos en consideración se trata de manera clásica. ^[2]^{: 556} Al considerar colisiones de velocidad media a alta, los núcleos pueden tratarse de manera clásica, mientras que el electrón se trata de manera mecanocuántica. En colisiones de baja velocidad, la aproximación falla. ^[2]^{: 754}

Los métodos clásicos de Monte Carlo 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. ^[2]^{: 871}

Átomos y moléculas aislados

La física atómica, molecular y óptica considera con frecuencia los átomos y las moléculas de forma aislada. Los modelos atómicos consistirán en un único núcleo que puede estar rodeado por uno o más electrones ligados, mientras que los modelos moleculares suelen estar relacionados con el hidrógeno molecular y su ion hidrógeno molecular . Se ocupan de procesos como la ionización , la ionización por encima del umbral y la excitación por fotones o colisiones con partículas atómicas.

Aunque la modelización de átomos de forma aislada puede no parecer realista, si se consideran las moléculas en un gas o plasma , las escalas de tiempo para las interacciones entre moléculas son enormes en comparación con los procesos atómicos y moleculares que nos interesan. Esto significa que las moléculas individuales pueden tratarse como si cada una estuviera aislada durante la mayor parte del tiempo. Con esta consideración, la física atómica y molecular proporciona la teoría subyacente a la física del plasma y la física atmosférica, aunque ambas se ocupan de enormes cantidades de moléculas.

Configuración electrónica

Los electrones forman capas teóricas alrededor del núcleo. Estas capas se encuentran naturalmente en un estado fundamental , pero pueden excitarse mediante la absorción de energía de la luz ( fotones ), campos magnéticos o interacción con una partícula que colisiona (normalmente otros electrones).

Se dice que los electrones que pueblan una capa están en 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 que exceda esta cantidad se convierte en energía cinética de acuerdo con la conservación de la energía . Se dice que el átomo ha experimentado 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 mediante emisión espontánea . El cambio de energía entre los dos niveles de energía debe tenerse 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, puede tener lugar un fenómeno conocido como efecto Auger, en el que la energía se transfiere a otro electrón enlazado y hace que pase al continuo. Esto permite ionizar de forma múltiple 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 reglas similares para los procesos de excitación por colisión.

Véase también

Notas

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Referencias

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Enlaces externos

ScienceDirect: avances en física atómica, molecular y óptica
Revista de Física B: Física atómica, molecular y óptica

Instituciones

Sociedad Estadounidense de Física - División de Física Atómica, Molecular y Óptica
Sociedad Europea de Física - División de Física Atómica, Molecular y Óptica
Fundación Nacional de Ciencias - Física atómica, molecular y óptica
Centro de átomos ultrafríos del MIT-Harvard
Iniciativa Stanford QFARM para la ciencia y la ingeniería cuánticas
JILA - Física Atómica y Molecular
Instituto Cuántico Conjunto de la Universidad de Maryland y el NIST
División de Física de ORNL
Queen's University Belfast - Centro de Física Teórica, Atómica, Molecular y Óptica,
Universidad de California, Berkeley: Física atómica, molecular y óptica

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