Física atômica, molecular e óptica - Atomic, molecular, and optical physics

A física atômica, molecular e óptica ( AMO ) é o estudo das interações matéria-matéria e luz- matéria; na escala de um ou alguns átomos e escalas de energia em torno de vários elétron-volts . As três áreas estão intimamente relacionadas. A teoria AMO inclui tratamentos clássicos , semi-clássicos e quânticos . Normalmente, a teoria e as aplicações de emissão , absorção , espalhamento de radiação eletromagnética (luz) de átomos e moléculas excitadas , análise de espectroscopia, geração de lasers e masers e as propriedades ópticas da matéria em geral, se enquadram nessas categorias.

Física atômica e molecular

A física atômica é o subcampo do AMO que estuda os átomos como um sistema isolado de elétrons e um núcleo atômico , enquanto a física molecular é o estudo das propriedades físicas das moléculas . O termo física atômica é frequentemente associado a energia nuclear e bombas nucleares , devido ao uso sinônimo de atômica e nuclear no inglês padrão . No entanto, os físicos distinguem entre a física atômica - que trata do átomo como um sistema constituído por um núcleo e elétrons - e a física nuclear , que considera apenas os núcleos atômicos . As técnicas experimentais importantes são os vários tipos de espectroscopia . A física molecular , embora intimamente relacionada à física atômica , também se sobrepõe muito à química teórica , à química física e à física química .

Ambos os subcampos estão preocupados principalmente com a estrutura eletrônica e os processos dinâmicos pelos quais esses arranjos mudam. Geralmente, este trabalho envolve o uso de mecânica quântica. Para a física molecular, essa abordagem é conhecida como química quântica . Um aspecto importante da física molecular é que a teoria orbital atômica essencial no campo da física atômica se expande para a teoria orbital molecular . A física molecular se preocupa com os processos atômicos nas moléculas, mas também se preocupa com os efeitos devidos à estrutura molecular . Além dos estados de excitação eletrônicos que são conhecidos dos átomos, as moléculas são capazes de girar e vibrar. Essas rotações e vibrações são quantizadas; existem níveis de energia discretos . As menores diferenças de energia existem entre os diferentes estados rotacionais, portanto, os espectros rotacionais puros estão na região do infravermelho distante (cerca de 30 - 150 µm de comprimento de onda ) do espectro eletromagnético . Os espectros vibracionais estão no infravermelho próximo (cerca de 1 - 5 µm) e os espectros resultantes das transições eletrônicas estão principalmente nas regiões visível e ultravioleta . A partir da medição de espectros rotacionais e vibracionais, as propriedades das moléculas, como a distância entre os núcleos, podem ser calculadas.

Tal como acontece com muitos campos científicos, a delimitação estrita pode ser altamente artificial e a física atômica é frequentemente considerada no contexto mais amplo da física atômica, molecular e óptica . Os grupos de pesquisa em física costumam ser assim classificados.

Física ótica

A física óptica é o estudo da geração de radiação eletromagnética , das propriedades dessa radiação e da interação dessa radiação com a matéria , especialmente sua manipulação e controle. Ele difere da ótica geral e da engenharia ótica por estar focado na descoberta e aplicação de novos fenômenos. Não há uma distinção forte, entretanto, entre física óptica, óptica aplicada e engenharia óptica, uma vez que os dispositivos da engenharia óptica e as aplicações da óptica aplicada são necessários para a pesquisa básica em física óptica, e essa pesquisa leva ao desenvolvimento de novos dispositivos. e aplicativos. Freqüentemente, as mesmas pessoas estão envolvidas na pesquisa básica e no desenvolvimento de tecnologia aplicada, por exemplo, a demonstração experimental de transparência induzida eletromagneticamente por SE Harris e de luz lenta por Harris e Lene Vestergaard Hau .

Pesquisadores em física óptica usam e desenvolvem fontes de luz que abrangem o espectro eletromagnético de microondas a raios-X . O campo inclui a geração e detecção de luz, processos óticos lineares e não lineares e espectroscopia . Lasers e espectroscopia de laser transformaram a ciência óptica. Os principais estudos em física ótica também se dedicam à ótica quântica e coerência , e à ótica de femtossegundos . Na física óptica, o suporte também é fornecido em áreas como a resposta não linear de átomos isolados a campos eletromagnéticos intensos ultracurtos, a interação átomo-cavidade em campos altos e propriedades quânticas do campo eletromagnético.

Outras áreas importantes de pesquisa incluem o desenvolvimento de novas técnicas ópticas para medições nano-ópticas, óptica difrativa , interferometria de baixa coerência , tomografia de coerência óptica e microscopia de campo próximo . A pesquisa em física óptica dá ênfase à ciência e tecnologia óptica ultrarrápida. As aplicações da física óptica criam avanços nas comunicações , medicina , manufatura e até entretenimento .

História

O modelo de Bohr do átomo de hidrogênio

Um dos primeiros passos em direção à física atômica foi o reconhecimento de que a matéria era composta de átomos , em termos modernos a unidade básica de um elemento químico . Esta teoria foi desenvolvida por John Dalton no século XVIII. Neste estágio, não estava claro o que eram átomos - embora eles pudessem ser descritos e classificados por suas propriedades observáveis em massa; resumido pela tabela periódica em desenvolvimento , por John Newlands e Dmitri Mendeleyev em meados do século XIX.

Mais tarde, a conexão entre a física atômica e a física óptica tornou-se aparente, pela descoberta de linhas espectrais e tentativas de descrever o fenômeno - notadamente por Joseph von Fraunhofer , Fresnel e outros no século XIX.

Daquela época até a década de 1920, os físicos procuraram explicar os espectros atômicos e a radiação do corpo negro . Uma tentativa de explicar as linhas espectrais do hidrogênio foi o modelo do átomo de Bohr .

Experimentos incluindo radiação eletromagnética e matéria - como o efeito fotoelétrico , efeito Compton e espectros de luz solar devido ao elemento desconhecido de Hélio , a limitação do modelo de Bohr ao hidrogênio e várias outras razões, levam a um modelo matemático inteiramente novo da matéria e da luz: mecânica quântica .

Modelo clássico de oscilador da matéria

Os primeiros modelos para explicar a origem do índice de refração tratavam um elétron em um sistema atômico classicamente de acordo com o modelo de Paul Drude e Hendrik Lorentz . A teoria foi desenvolvida para tentar fornecer uma origem para o índice de refração dependente do comprimento de onda n de um material. Neste modelo, as ondas eletromagnéticas incidentes forçaram um elétron ligado a um átomo a oscilar . A amplitude da oscilação teria então uma relação com a frequência da onda eletromagnética incidente e as frequências ressonantes do oscilador. A superposição dessas ondas emitidas por muitos osciladores levaria então a uma onda que se movia mais lentamente.

Modelo quântico inicial de matéria e luz

Max Planck derivou uma fórmula para descrever o campo eletromagnético dentro de uma caixa quando em equilíbrio térmico em 1900. Seu modelo consistia em uma superposição de ondas estacionárias . Em uma dimensão, a caixa tem comprimento L , e apenas ondas senoidais de número de onda

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

pode ocorrer na caixa, onde n é um número inteiro positivo (denotado matematicamente por ). A equação que descreve essas ondas estacionárias é dada por: ${\ displaystyle \ scriptstyle n \ in \ mathbb {N} _ {1}}$

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

.

onde E ₀ é a magnitude da amplitude do campo elétrico e E é a magnitude do campo elétrico na posição x . Deste básico, a lei de Planck foi derivada.

Em 1911, Ernest Rutherford concluiu, com base no espalhamento de partículas alfa, que um átomo tem um próton em forma de ponto central. Ele também pensava que um elétron ainda seria atraído pelo próton pela lei de Coulomb, que ele verificou ainda ser mantida em escalas pequenas. Como resultado, ele acreditava que os elétrons giravam em torno do próton. Niels Bohr , em 1913, combinou o modelo de Rutherford do átomo com as idéias de quantização de Planck. Apenas órbitas específicas e bem definidas do elétron poderiam existir, que também não irradiam luz. Ao saltar a órbita, o elétron emitiria ou absorveria a luz correspondente à diferença de energia das órbitas. Sua previsão dos níveis de energia foi então consistente com a observação.

Esses resultados, baseados em um conjunto discreto de ondas estacionárias específicas, foram inconsistentes com o modelo de oscilador clássico contínuo .

Trabalho de Albert Einstein em 1905 sobre o efeito fotoelétrico levou à associação de uma onda de luz de freqüência com um fóton de energia . Em 1917, Einstein criou uma extensão ao modelo de Bohrs pela introdução dos três processos de emissão estimulada , emissão espontânea e absorção (radiação eletromagnética) . ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle h \ nu}$

Tratamentos modernos

Os maiores passos em direção ao tratamento moderno foram a formulação da mecânica quântica com a abordagem da mecânica matricial por Werner Heisenberg e a descoberta da equação de Schrödinger por Erwin Schrödinger .

Há uma variedade de tratamentos semiclássicos no AMO. Quais aspectos do problema são tratados pela mecânica quântica e quais são tratados classicamente depende do problema específico em questão. A abordagem semiclássica é onipresente no trabalho computacional dentro do AMO, em grande parte devido à grande redução no custo computacional e na complexidade associada a ele.

Para a matéria sob a ação de um laser, um tratamento mecânico totalmente quântico do sistema atômico ou molecular é combinado com o sistema sob a ação de um campo eletromagnético clássico. Como o campo é tratado classicamente, não pode lidar com emissão espontânea . Este tratamento semi-clássico é válido para a maioria dos sistemas, em particular aqueles sob a ação de campos de laser de alta intensidade. A distinção entre a física óptica e a óptica quântica é o uso de tratamentos semi-clássicos e totalmente quânticos, respectivamente.

Dentro da dinâmica de colisão e usando o tratamento semiclássico, os graus de liberdade internos podem ser tratados mecanicamente quântica, enquanto o movimento relativo dos sistemas quânticos em consideração são tratados classicamente. Ao considerar as colisões de média a alta velocidade, os núcleos podem ser tratados classicamente, enquanto o elétron é tratado mecanicamente quântico. Em colisões de baixa velocidade, a aproximação falha.

Os métodos clássicos de Monte-Carlo para a dinâmica dos elétrons podem ser descritos como semiclássicos em que as condições iniciais são calculadas usando um tratamento totalmente quântico, mas todo o tratamento posterior é clássico.

Átomos e moléculas isoladas

A física atômica, molecular e óptica freqüentemente considera átomos e moléculas isolados. Os modelos atômicos consistirão em um único núcleo que pode estar rodeado por um ou mais elétrons ligados, enquanto os modelos moleculares estão tipicamente relacionados ao hidrogênio molecular e seu íon de hidrogênio molecular . Ele está relacionado a processos como ionização , ionização acima do limiar e excitação por fótons ou colisões com partículas atômicas.

Embora modelar átomos isoladamente possa não parecer realista, se considerarmos as moléculas em um gás ou plasma , as escalas de tempo para as interações molécula-molécula são enormes em comparação com os processos atômicos e moleculares que nos preocupam. Isso significa que as moléculas individuais podem ser tratadas como se cada uma estivesse isolada na grande maioria do tempo. Por essa consideração, a física atômica e molecular fornece a teoria subjacente à física do plasma e à física atmosférica , embora ambas lidem com um grande número de moléculas.

Configuração eletronica

Os elétrons formam camadas nocionais ao redor do núcleo. Estes estão naturalmente em um estado fundamental, mas podem ser excitados pela absorção de energia da luz ( fótons ), campos magnéticos ou interação com uma partícula em colisão (normalmente outros elétrons).

Diz-se que os elétrons que povoam uma camada estão em um estado ligado . A energia necessária para remover um elétron de sua camada (levando-o ao infinito) é chamada de energia de ligação . Qualquer quantidade de energia absorvida pelo elétron em excesso dessa quantidade é convertida em energia cinética de acordo com a conservação da energia . O átomo teria passado pelo processo de ionização .

No caso de o elétron absorver uma quantidade de energia menor do que a energia de ligação, ele pode fazer a transição para um estado excitado ou virtual . Após uma quantidade de tempo estatisticamente suficiente, um elétron em um estado excitado passará por uma transição para um estado inferior por meio de emissão espontânea . A mudança de energia entre os dois níveis de energia deve ser contabilizada (conservação de energia). Em um átomo neutro, o sistema emitirá um fóton da diferença de energia. No entanto, se o estado inferior estiver em uma camada interna, um fenômeno conhecido como efeito Auger pode ocorrer, onde a energia é transferida para outros elétrons ligados, fazendo com que ela entre no continuum. Isso permite que se multiplique um átomo por ionização com um único fóton.

Existem regras de seleção rígidas quanto às configurações eletrônicas que podem ser alcançadas por excitação por luz - no entanto, não existem tais regras para processos de excitação por colisão.

Veja também

Notas

Referências

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