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 en torno a varios electronvoltios . [2] : 1356 [3] Las tres áreas están estrechamente relacionadas entre sí. La teoría AMO incluye tratamientos clásicos , semiclásicos y cuánticos . Normalmente, 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.
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 del átomo como un sistema formado por un núcleo y electrones, y la física nuclear , que considera únicamente los núcleos atómicos . Las técnicas experimentales importantes son los distintos tipos de espectroscopia . La física molecular , si bien 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 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 de los orbitales atómicos esencial en el campo de la física atómica se expande a la teoría de los orbitales moleculares . [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 electrónicos conocidos de los átomos, las moléculas pueden girar 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 a 150 µm de longitud de onda ) del espectro electromagnético . Los espectros vibratorios se encuentran en el infrarrojo cercano (alrededor de 1 a 5 µm) y los espectros resultantes de 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 propiedades de las moléculas, como la distancia entre los núcleos. [6]
Como ocurre 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 estar clasificados así.
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 de 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 participan 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 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. Los principales estudios de física óptica también se dedican a la óptica cuántica y la coherencia , y a la óptica de femtosegundos . [1] En física óptica también se presta apoyo en áreas como la respuesta no lineal de átomos aislados a campos electromagnéticos intensos y ultracortos, la interacción átomo-cavidad en campos elevados y las propiedades cuánticas del campo electromagnético. [11]
Otras áreas importantes de investigación incluyen el desarrollo de técnicas ópticas novedosas 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 ópticas ultrarrápidas. Las aplicaciones de la física óptica crean avances en las comunicaciones , la medicina , la manufactura e incluso el entretenimiento . [12]
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 masa; resumido por la tabla periódica en desarrollo , por John Newlands y Dmitri Mendeleyev entre 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 parte de 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]
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 helio , la limitación del modelo de Bohr al hidrógeno y muchas otras razones, conducen a un modelo matemático completamente nuevo. de materia y luz: mecánica cuántica . [15]
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 obligaban a oscilar a un electrón unido a un átomo . La amplitud de la oscilación tendría entonces una relación 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 movía más lentamente. [16] : 4–8
Max Planck derivó una fórmula para describir el campo electromagnético dentro de una caja cuando estaba 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
puede ocurrir en el cuadro, donde n es un número entero positivo (denotado matemáticamente por ). La ecuación que describe estas ondas estacionarias viene dada por:
donde E 0 es la magnitud de la amplitud del campo eléctrico y E es la magnitud del campo eléctrico en la posición x . De esta base 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 en forma de punto central. También pensó que un electrón seguiría siendo atraído por el protón mediante la ley de Coulomb, que había verificado que todavía se aplicaba a pequeñas escalas. Como resultado, creía que los electrones giraban alrededor del protón. Niels Bohr , en 1913, combinó el modelo del átomo de Rutherford con las ideas de cuantificación de Planck. Sólo podrían existir órbitas específicas y bien definidas del electrón, que además no irradian luz. Al saltar de órbita, el electrón emitiría o absorbería luz correspondiente a la diferencia de energía de 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 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
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 . [16] : 12
Hay una variedad de tratamientos semiclásicos dentro de AMO. Qué aspectos del problema se tratan de forma mecánica cuántica y cuáles de forma clásica dependen 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 mecánico totalmente cuántico 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 forma clásica, no puede tratar con emisiones espontáneas . [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 totalmente cuánticos, respectivamente. [2] : 997
Dentro de la dinámica de colisiones y utilizando el tratamiento semiclásico, los grados de libertad internos pueden tratarse mecánicamente cuánticamente, mientras que el movimiento relativo de los sistemas cuánticos considerados se trata de forma clásica. [2] : 556 Al considerar colisiones de velocidad media a alta, los núcleos se pueden tratar de forma clásica, mientras que el electrón se trata de forma mecánica cuántica. En colisiones a baja velocidad la aproximación falla. [2] : 754
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 mediante un tratamiento totalmente cuántico, pero todo tratamiento posterior es clásico. [2] : 871
La física atómica, molecular y óptica frecuentemente considera átomos y moléculas de forma aislada. Los modelos atómicos consistirán en un único núcleo que puede estar rodeado por uno o más electrones unidos, mientras que los modelos moleculares suelen centrarse en 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 las colisiones con partículas atómicas.
Si bien modelar 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 molécula-molécula son enormes en comparación con los procesos atómicos y moleculares que nos ocupan. Esto significa que las moléculas individuales pueden tratarse como si cada una estuviera aislada durante la gran mayoría del tiempo. Según esta consideración, la física atómica y molecular proporciona la teoría subyacente en la física del plasma y la física atmosférica, aunque ambas tratan con grandes cantidades de moléculas.
Los electrones forman capas teóricas alrededor del núcleo. Estos 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 en colisión (generalmente 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 que exceda esta cantidad se convierte en energía cinética según 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 o a un estado virtual . Después de un tiempo estadísticamente suficiente, un electrón en un estado excitado pasará a un estado inferior mediante emisión espontánea . Se debe tener en cuenta el cambio de energía entre los dos niveles de energía (conservación de energía). En un átomo neutro, el sistema emitirá un fotón de 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 unidos, 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 la excitación por procesos de colisión.
