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 ^{[ 1 ]} y escalas de energía alrededor de varios electronvoltios . ^{[ 2 ]}^{: 1356}^{[ 3 ]} Las tres áreas están estrechamente interrelacionadas. La teoría AMO incluye tratamientos clásicos , semiclasicos y cuánticos . Típicamente, la teoría y las aplicaciones de la emisión , absorción , dispersión de radiación electromagnética (luz) de átomos y moléculas excitados , el análisis de espectroscopia, la generación de láseres y máseres , y las propiedades ópticas de la materia en general, se incluyen en estas categorías.

Física atómica y molecular

La física atómica es el subcampo de la física atómica, molecular y óptica (AMO) que estudia los átomos como un sistema aislado de electrones y un núcleo atómico , mientras que la física molecular estudia 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 el átomo como un sistema compuesto por un núcleo y electrones— y la física nuclear , que considera únicamente los núcleos atómicos . Mientras que los físicos nucleares se ocupan principalmente de técnicas para investigar los núcleos atómicos, como los aceleradores de partículas , los físicos de AMO tienden a estar más interesados en técnicas de espectroscopia . Dentro de la física de AMO, muchos se interesan por el estudio de la física molecular . Aunque este campo está relacionado con la física atómica , también existen grados de libertad adicionales que crean hamiltonianos más complejos con una física subyacente interesante. La física molecular también tiene una superposición significativa con los campos de la química teórica , la química física y la física química . ^{[ 4 ]}

Ambos subcampos se ocupan principalmente de la estructura electrónica y los procesos dinámicos mediante los cuales cambian estas configuraciones. Esto se estudia caracterizando el hamiltoniano del sistema y comprendiendo sus niveles de energía . La comprensión de la dinámica de estos sistemas, en particular de las moléculas, se conoce como química cuántica . Para investigar la estructura de estos átomos y moléculas, los físicos utilizan la teoría de orbitales atómicos y moleculares para comprender la estructura electrónica. ^{[ 5 ]} Cabe destacar que, en física molecular, comprender las propiedades electrónicas de la molécula en cuestión permite determinar el efecto de orden principal en la contribución energética de la aproximación de Born-Oppenheimer del hamiltoniano molecular.

La física molecular se ocupa de los procesos atómicos en las moléculas, pero también de los efectos debidos a la estructura molecular . Además de los estados de excitación electrónica conocidos en los átomos, las moléculas pueden rotar y vibrar. Estas rotaciones y vibraciones están cuantizadas; existen niveles de energía discretos. Las diferencias de energía más pequeñas existen entre los distintos estados rotacionales; por lo tanto, los espectros rotacionales puros se encuentran en la región del infrarrojo lejano (aproximadamente de 30 a 150 μm de longitud de onda ) del espectro electromagnético . Los espectros vibracionales se encuentran en el infrarrojo cercano (aproximadamente 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 rotacionales y vibracionales, se pueden calcular propiedades de las moléculas, como la distancia entre los núcleos. ^{[ 6 ]}

Como ocurre en muchos campos científicos, la delimitación estricta puede resultar muy artificial, y la física atómica suele considerarse dentro del 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 dicha radiación y su interacción 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 óptica aplicada son necesarios para la investigación básica en física óptica, y dicha investigación conduce al desarrollo de nuevos dispositivos y aplicaciones. A menudo, las mismas personas participan 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 . ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Los investigadores en física óptica utilizan y desarrollan fuentes de luz que abarcan todo el espectro electromagnético , desde microondas hasta 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 dedica una parte importante del estudio de la física óptica a la óptica cuántica y la coherencia , así como a la óptica de femtosegundos . ^{[ 1 ]} En física óptica, también se brinda apoyo en áreas como la respuesta no lineal de átomos aislados a campos electromagnéticos intensos y ultracortos, la interacción átomo-cavidad a altos campos y las propiedades cuánticas del campo electromagnético. ^{[ 11 ]}

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 la tecnología óptica ultrarrápida. Las aplicaciones de la física óptica generan avances en comunicaciones , medicina , manufactura e incluso entretenimiento . ^{[ 12 ]}

Historia

Uno de los primeros pasos hacia la física atómica fue el reconocimiento de que la materia estaba compuesta de átomos , que en términos modernos son 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 su conjunto; resumidas en la tabla periódica en desarrollo , creada por John Newlands y Dmitri Mendeleyev a mediados y finales 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, especialmente 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 de cuerpo negro . Un intento de explicar las líneas espectrales del hidrógeno fue el modelo atómico de Bohr . ^{[ 13 ]}

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 clásico de oscilador 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 al índice de refracción n de un material, que depende de la longitud de onda. En este modelo, las ondas electromagnéticas incidentes obligaban a un electrón ligado a un átomo a oscilar . La amplitud de la oscilación estaría entonces relacionada con la frecuencia de la onda electromagnética incidente y las frecuencias de resonancia del oscilador. La superposición de estas ondas emitidas por muchos osciladores daría lugar a una onda que se desplazaría más lentamente. ^{[ 16 ]}^{: 4–8}

Primer modelo cuántico de la materia y la luz.

Max Planck derivó una fórmula para describir el campo electromagnético dentro de una caja 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 $\scriptstyle n\in \mathbb {N} _{1}$ La ecuación que describe estas ondas estacionarias viene dada por:

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

.

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 esto, 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 según la ley de Coulomb, la cual había verificado que aún se cumplía a pequeña escala. Como resultado, creyó 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 podían existir órbitas específicas y bien definidas del electrón, las cuales tampoco irradian luz. En una órbita de salto, el electrón emitiría o absorbería luz correspondiente a la diferencia de energía entre las órbitas. Su predicción de los niveles de energía fue 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 $\nu$ con un fotón de energía $h\nu$ 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}

Tratamientos modernos

Los mayores avances 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}

Dentro de AMO existen diversos tratamientos semiclasicos. Los aspectos del problema que se abordan mediante mecánica cuántica y los que se abordan mediante mecánica clásica dependen del problema específico en cuestión. El enfoque semiclasico es omnipresente en los cálculos dentro de AMO, principalmente debido a la gran reducción en el costo computacional y la complejidad que conlleva.

Para la materia bajo la acción de un láser, se combina un tratamiento mecánico cuántico completo del sistema atómico o molecular con la acción de un campo electromagnético clásico. ^{[ 16 ]}^{: 14} Dado que el campo se trata clásicamente, no puede abordar la emisión espontánea . ^{[ 16 ]}^{: 16} Este tratamiento semiclasico 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 radica en el uso de tratamientos semiclasicos y cuánticos completos, respectivamente. ^{[ 2 ]}^{: 997}

Dentro de la dinámica de colisiones y utilizando el tratamiento semiclasico, los grados de libertad internos pueden tratarse mecánicamente cuánticamente, mientras que el movimiento relativo de los sistemas cuánticos considerados se trata clásicamente. ^{[ 2 ]}^{: 556} Al considerar colisiones de velocidad media a alta, los núcleos pueden tratarse clásicamente mientras que el electrón se trata mecánicamente cuánticamente. En colisiones de baja velocidad, la aproximación falla. ^{[ 2 ]}^{: 754}

Los métodos clásicos de Monte Carlo para la dinámica de electrones pueden describirse como semiclasicos, ya que las condiciones iniciales se calculan utilizando un tratamiento totalmente cuántico, pero todo el tratamiento posterior es clásico. ^{[ 2 ]}^{: 871}

Átomos y moléculas aislados

La física atómica, molecular y óptica suele considerar los átomos y las moléculas de forma aislada . Los modelos atómicos consisten en un único núcleo rodeado por uno o más electrones ligados, mientras que los modelos moleculares se centran típicamente en el hidrógeno molecular y su ion 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, al considerar 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 pueden tratarse como si estuvieran aisladas durante la mayor parte del tiempo. Gracias a esta consideración, la física atómica y molecular proporciona la teoría subyacente en la física de plasmas y la física atmosférica, aunque ambas se ocupan de un gran número de moléculas.

Configuración electrónica

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

Se dice que los electrones que pueblan una capa electrónica están en estado ligado . La energía necesaria para extraer un electrón de su capa (llevándolo al infinito) se denomina energía de enlace . Cualquier cantidad de energía absorbida por el electrón que exceda esta cantidad se convierte en energía cinética según la conservación de la energía . Se dice que el átomo ha experimentado el proceso de ionización .

En caso de que el electrón absorba una cantidad de energía menor que la energía de enlace, puede transitar a un estado excitado o a un estado virtual . Tras un tiempo estadísticamente suficiente, un electrón en un estado excitado experimentará una transición a un estado de menor energía 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 con la diferencia de energía. Sin embargo, si el estado de menor energía se encuentra en una capa interna, puede producirse un fenómeno conocido como efecto Auger, en el que la energía se transfiere a otro electrón ligado, provocando que pase al continuo. Esto permite ionizar un átomo varias veces con un solo fotón.

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

Notas

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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 MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos
Iniciativa QFARM de Stanford para la Ciencia e Ingeniería Cuánticas
JILA - Física Atómica y Molecular
Instituto Cuántico Conjunto de la Universidad de Maryland y el NIST
División de Física de ORNL
Universidad Queen's de Belfast - Centro de Física Teórica, Atómica, Molecular y Óptica ,
Universidad de California, Berkeley - Física Atómica, Molecular y Óptica

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