原子分子與光物理學

原子分子與光物理學是研究物質之間，或光與物質的相互作用^[1]，其研究尺度約一至數個原子，能量尺度約幾個電子伏特。^[2]^[3]^[4] 這三個物理學的領域研究通常是緊密關聯的。原子分子與光物理學使用經典物理學、半經典物理學、與量子物理學的研究方法。通常情況下，此理論的應用包含原子發射或吸收光子、激發態原子和分子的電磁輻射和散射，光譜分析，激光和邁射的產生，以及對物質光學性質的研究。

歷史[編輯]

18世紀，道耳吞提出原子理論，認為一切物質由不可分割的原子組成，也就是由化學元素組成。當時他們雖然不知道原子是什麼，但可依據它們的性質分門別類，19世紀中晚期，由約翰·紐蘭茲和門得列夫根據他們的性質，製成元素週期表^[5]。

19世紀時，許多科學家如菲涅耳、夫朗和斐等，試圖解釋光譜線的現象，使得光物理學和原子物理結合在一起^[6]。

到了19世紀末，許多物理學家提出解釋黑體輻射與原子光譜的理論，其中最有名的是玻爾解釋氫原子光譜的玻耳模型^[5]。

但是玻耳模型的適用範圍較窄，無法解釋如光電效應、康普頓效應和太陽光譜線的缺陷等，最終產生全新的物理理論：量子力學^[7]。

物質的經典諧振子模型[編輯]

早期許多嘗試解釋折射率的模型都認為原子系統中的電子可以用保羅·德汝德和亨德里克·勞侖茲的經典理論來解釋。他們提出的理論嘗試給出物質的折射率依賴於光波長的解釋。在這個模型中，入射的電磁波使得束縛與原子的電子諧振，該振幅取決於入射光的頻率和諧振子的本徵頻率。來自於很多諧振子的出射光波的線性疊加將使得光波速度變慢。 ^[8]^:4–8

早期的物質與光的量子模型[編輯]

1900年，馬克斯·普朗克提出了一個公式描述空腔中達到熱平衡狀態下電磁場的性質的公式。^[8]^:8–9 他的模型考慮了多個駐波的線性疊加。在一維狀態下，假設空腔長度為 $L$ ，那麼只有波數為

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

，

且 $n$ 是正整數，的正弦波可以存在於空腔中。這個方程式所描述的駐波可以表示為

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

，

其中E₀是電場的振幅。以此作為基礎，就可以推導出普朗克黑體輻射定律。^[8]^{:4–8,51–52}

1911年，歐內斯特·盧瑟福基於α粒子散射實驗的結果總結得到，原子有一個中心的點狀的質子。根據庫侖定律，電子在小尺度下會被質子強烈吸引，於是他認為電子在繞着質子做圓周運動。 1913年，尼爾斯·玻爾結合了盧瑟福模型和普朗克的量化概念提出了玻爾模型。電子只有在特定的軌道下在可以穩定存在，並且不向外發光。當電子在軌道之間躍遷時，電子可以發射或吸收光，光的波長取決於不同軌道之間的能量差。他的能階理論預測的結果與當時的實驗結果吻合的很好。^[8]^:9–10

這些基於駐波的分立能階的結果，與連續的經典諧振子模型不一致。^[8]^:8

阿爾伯特·愛因斯坦在1905年的光電效應解釋中，提出了頻率為 $\nu$ 的光波對應於能量為 $h\nu$ 的光子。 1917年愛因斯坦提出了三個原子過程：受激輻射，自發輻射，和吸收光子來擴充玻爾模型。^[8]^:11

原子和分子物理學[編輯]

原子物理學是原子分子與光物理學的一個領域，通常研究原子核和電子組成的孤立系統。與此相對應的分子物理學通常研究分子的物理性質，例如多個原子散射構成分子的過程。 原子物理通常被認為與核動力或核武器有關，這是對兩個近義詞「原子的」(atomic)和「原子核的」(nuclear)的概念混淆所致。然而，對物理學家而言，在原子物理的研究中——將原子作為一個整體系統包括原子核與其核外電子；而在核物理的研究中——通常只考慮原子核及核子的演變。原子和分子物理學的重要實驗方法通常包括不同形式的光譜學。分子物理通常與理論化學，物理化學，和化學物理的研究方向有交疊。 ^[9]

這兩個領域主要關注的內容是電子結構（英語：Electronic structure）和電子結構改變的動態過程。一般來講人們通常使用量子力學來研究這些過程。在分子物理學的領域，這些方法也通常被稱為量子化學。分子物理學中一個很重要的方法是，將原子物理學中原子軌道理論延伸為分子軌道理論。 ^[10] 分子物理學通常關注分子中的原子過程，同時也關注不同分子結構帶來的影響。除了原子中存在電子的激發態，分子也存在不同的轉動或振動激發態。這些轉動或振動過程也是量子化的，它們存在分立的能階。不同的轉動量子態中存在的最小的能量差所對應的譜線通常在遠紅外區域(大約30-150微米波長)，這也是純的分子轉動譜線的特徵，而振動譜線通常處於近紅外區域（約1-5微米）。這種光譜特性導致電子躍遷對應的光子能量通常在可見光和紫外區域。通過測量分子的轉動和振動光譜的特性，我們可以計算出分子中原子核之間的距離。 ^[11]

與許多其他科學領域類似，並沒有必要嚴格的區分這兩個領域。通常人們使用「原子物理學」來指代廣義的原子分子與光物理學。原子分子與光物理學也被認為是物理學眾多研究領域下的一個大分類。

光物理學[編輯]

光物理學通常研究電磁輻射的產生，電磁輻射的性質，以及電磁輻射與物質的相互作用，尤其是對物質的操控。 ^[12] 光物理學不同於光學，和光學工程，因為它們研究的側重點不同；然而它們之間的區別也不是很大，因為光物理學基礎研究中所使用的實驗儀器也常被用於應用光學和光學工程。也有一些人同時從事與光學的基礎研究和應用技術的開發。 ^[13]

光物理學的研究者使用或者開發新的光源，使得他們的光源可以發出電磁波譜上從微波到X射線的光。這個領域通常包括產生和探測光，線性和非線性光學，和光譜學。對激光的研究和激光光譜學的也是光學物理的一個重要方向。光物理學中主要的研究方向為量子光學和相干性，以及高頻激光如飛秒激光。光物理學的研究對於其他研究領域也提供了很好的理論和實驗支持，如孤立原子對於超短的強電磁場的非線性響應，原子和共振腔在強場下的相互作用，以及電磁場的量子性質。 ^[14]

光物理學的其他重要研究方向包括：研發新型納米尺度的光學觀測技術，繞射光學，低相干性干涉學，光學相干斷層掃描，以及近場顯微鏡。光物理學的研究的重點在於超快、超短的光學及相關技術。光物理學的應用使得通訊，醫學，製造業，和娛樂業等行業產生了進步。 ^[15]

現代方法[編輯]

現代量子力學的產生是基於兩套理論體系的提出：維爾納·海森堡的矩陣力學和埃爾溫·薛定諤的波動力學。 ^[8]^:12

在原子分子與光物理學中存在這多種的半經典方法。具體使用量子力學還是經典物理的方法取決於具體的問題。原子分子與光物理學中，因為近些年計算成本和計算複雜度的大幅下降，半經典的處理方法被廣泛用於計算物理中。

當物質處於激光的作用下，通常人們結合使用經典的電磁場模型和完全量子化的原子或分子模型。^[8]^:14 因為使用了經典的電磁場模型，所以它不能處理自發輻射問題。^[8]^:16 半經典方法適用於多種系統^[3]^:997，尤其是處於高強度激光下系統。^[3]^:724 光物理學和量子光學的區別在於前者使用半經典方法，而後者通常使用完全的量子力學方法。

當使用半經典方法研究碰撞的動力學過程時，原子或分子內部的自由度通常被考慮為量子化。同時量子系統的相對移動被視為經典過程。^[3]^:556 當考慮中速或高速碰撞時，可以使用經典方法處理原子核，並用完全量子力學的方法處理電子；然而該近似在低速碰撞下失效。^[3]

另一種半經典的研究電子動力學的方法是蒙特卡羅方法。通常可以用完全的量子力學方法計算出電子的初始分佈，然後用完全的經典力學處理之後的電子運動過程。^[3]^:871

孤立原子和分子[編輯]

原子分子與光物理學通常認為原子或分子處於孤立狀態。原子模型只包括一個原子核，及其周圍環繞的一個或多個束縛態電子，而最簡單的分子模型通常被認為是氫分子和氫分子離子。通常被研究的過程包括：電離，多光子過程，以及光子或原子碰撞導致的激發。

當我們考慮的孤立原子或分子處於氣態或等離子態時，如果分子-分子相互作用的時間尺度遠大於原子-分子過程，那麼孤立原子或分子就是一個很好的近似模型。我們可以認為單個的分子在我們研究的時間尺度下處於孤立狀態。根據這個假設，原子分子物理學也可以作為等離子體物理學和大氣物理學的基礎理論，即使它們研究的是大量的分子。

電子分佈[編輯]

核外電子形成概念上的殼層結構，然而實際上它們處於機率上的電子云分佈。一個原子的最低能階稱為基態，它可以通過吸收光子，受到磁場作用，或其他粒子的碰撞來變成激發態。

當電子處於殼層內時通常被稱為束縛態。將該束縛態電子移出其殼層及原子核的吸引至無窮遠所需要的能量被稱為結合能。如果電子吸收的能量超過結合能，根據能量守恆定律，過剩的能量轉化為電子的動能。該過程通常被稱為電離過程。

如果電子吸收的能量小於結合能，它將躍遷到一個激發態或一個虛擬態（英語：virtual state）。經過足夠長時間之後，一個激發態的電子通過自發輻射可以躍遷到一個低能階態，在此過程中系統將釋放一個光子。根據能量守恆定律，該光子的能量等於兩個原子能階的能量差。然而，如果原子內層(inner shell)存在一個電洞，並且激發態的電子可以躍遷並填補該電洞，該躍遷的能量差可以轉移至另外一個束縛態電子，並使其電離。這就是奧杰效應，在該躍遷過程中並不會產生光子。該效應使得一個高能入無線電子或光子（如X-射線)可以先電離一個內層電子產生電洞，然後使高能階電子向下躍遷，並通過奧杰效應使得另一個束縛態電子電離。也就使得一個入射粒子電離兩個電子稱為了可能。

由吸收光子導致的電子躍遷存在着嚴格的選擇定則，然而由電子散射導致的躍遷通常並沒有這種要求。

參考文獻[編輯]

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[1] 清華大學物理系原子分子与光物理. 清華大學 (北京). 2016-03-06 [2016-03-06]. （原始內容存檔於2017-01-06）（中文（繁體））.

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