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原子、分子、および光学物理学( AMO ) は、1 個または数個の原子のスケール[ 1 ]および数電子ボルト程度のエネルギー スケールでの物質間および光と物質間の相互作用の研究です。[ 2 ] : 1356 [ 3 ] これら 3 つの分野は密接に関連しています。AMO 理論には、古典的、半古典的、および量子的処理が含まれます。通常、励起された原子および分子からの電磁放射(光)の放出、吸収、散乱の理論と応用、分光分析、レーザーおよびメーザーの生成、および物質の一般的な光学的特性は、これらのカテゴリに分類されます。
原子物理学は、電子と原子核からなる孤立系としての原子を研究する AMO のサブ分野であり、分子物理学は分子の物理的性質を研究する分野です。原子物理学という用語は、標準英語でatomicとnuclearが同義語として使われるため、原子力や核爆弾と関連付けられることがよくあります。しかし、物理学者は、原子を原子核と電子からなる系として扱う原子物理学と、原子核のみを扱う原子核物理学を区別しています。原子核物理学者は主に粒子加速器などの原子核を調査する技術に関心がありますが、AMO 物理学者は分光法の技術により関心を持つ傾向があります。AMO 物理学の中では、多くの人が分子物理学の研究に関心を持っています。この分野は原子物理学に関連していますが、興味深い基礎物理学を持つより複雑なハミルトニアンを生み出す追加の自由度もあります。分子物理学は、理論化学、物理化学、化学物理学の分野とも大きく重複しています。[ 4 ]
どちらの分野も、主に電子構造と、これらの配置が変化する動的プロセスに関心があります。これを研究する方法は、システムのハミルトニアンを特徴付け、システムのエネルギー準位を理解することです。これらのシステム、特に分子のダイナミクスを理解することは、量子化学として知られています。これらの原子や分子の構造を調べるために、物理学者は原子軌道理論と分子軌道理論を使用して電子構造を理解します。[ 5 ]特に分子物理学では、それぞれの分子の電子特性を理解することで、分子ハミルトニアンのボルン・オッペンハイマー近似におけるエネルギー寄与の主要次数がわかります。
分子物理学は分子内の原子過程に関係するが、分子構造による影響にも関係する。原子で知られている電子励起状態に加えて、分子は回転および振動することができる。これらの回転と振動は量子化されており、離散的なエネルギー準位が存在する。異なる回転状態間のエネルギー差は最小であるため、純回転スペクトルは電磁スペクトルの遠赤外領域（波長約30～150μm ） にある。振動スペクトルは近赤外領域（約1～5μm ）にあり、電子遷移によるスペクトルは主に可視光および紫外領域にある。回転スペクトルと振動スペクトルを測定することで、原子核間の距離などの分子の特性を計算することができる。[ 6 ]
多くの科学分野と同様に、厳密な区分けは非常に人為的になりがちであり、原子物理学はしばしば原子物理学、分子物理学、光学物理学といったより広い文脈の中で捉えられる。物理学の研究グループも通常、このように分類される。
光学物理学は、電磁放射の発生、その放射の特性、およびその放射と物質との相互作用の研究であり、[ 7 ]特にその操作と制御を研究する。[ 8 ]光学物理学は、新しい現象の発見と応用に焦点を当てている点で、一般的な光学や光学工学とは異なる。しかし、光学物理学、応用光学、光学工学の間には明確な区別はない。なぜなら、光学工学の装置と応用光学の応用は光学物理学の基礎研究に必要であり、その研究が新しい装置や応用の開発につながるからである。多くの場合、同じ人物が基礎研究と応用技術開発の両方に関わっている。例えば、SE Harrisによる電磁誘導透明化の実験的実証や、HarrisとLene Vestergaard Hauによるスローライトの実験的実証などである。[ 9 ] [ 10 ]
光学物理学の研究者は、マイクロ波からX線までの電磁スペクトル全体にわたる光源を使用および開発しています。この分野には、光の生成と検出、線形および非線形光学プロセス、分光法が含まれます。レーザーとレーザー分光法は光学科学を変革しました。光学物理学の主要な研究は、量子光学とコヒーレンス、およびフェムト秒光学にも向けられています。[ 1 ]光学物理学では、孤立した原子の強力な超短電磁場に対する非線形応答、高電場における原子とキャビティの相互作用、および電磁場の量子特性などの分野でも支援が提供されています。[ 11 ]
その他の重要な研究分野には、ナノ光学測定、回折光学、低コヒーレンス干渉法、光コヒーレンストモグラフィー、近接場顕微鏡のための新しい光学技術の開発が含まれます。光学物理学の研究は、超高速光学科学と技術に重点を置いています。光学物理学の応用は、通信、医療、製造、さらにはエンターテイメントの進歩を生み出します。[ 12 ]
原子物理学への初期のステップの1つは、物質が原子、つまり現代の用語で言えば化学元素の基本単位から構成されているという認識でした。この理論は18世紀にジョン・ドルトンによって発展しました。この段階では、原子が何であるかは明確ではありませんでしたが、原子はバルクでの観察可能な性質によって記述および分類することができました。これは、19世紀半ばから後半にかけてジョン・ニューランズとドミトリ・メンデレーエフによって発展した周期表によってまとめられました。 [ 13 ]
その後、スペクトル線の発見と、特に19世紀のジョセフ・フォン・フラウンホーファー、フレネルらによる現象の説明の試みによって、原子物理学と光学物理学の関連性が明らかになった。 [ 14 ]
その頃から1920年代にかけて、物理学者たちは原子スペクトルと黒体放射を説明しようと試みていた。水素スペクトル線を説明しようとする試みの一つがボーアの原子モデルであった。[ 13 ]
電磁放射と物質に関する実験（光電効果、コンプトン効果、太陽光のスペクトルなど）は、未知の元素であるヘリウム、ボーアモデルの水素への制限、その他多くの理由により、物質と光の全く新しい数学モデルである量子力学へとつながりました。[ 15 ]
屈折率の起源を説明する初期のモデルでは、原子系における電子は、ポール・ドルーデとヘンドリック・ローレンツのモデルに従って古典的に扱われた。この理論は、物質の波長依存性屈折率nの起源を説明するために開発された。このモデルでは、入射電磁波によって原子に束縛された電子が振動する。振動の振幅は、入射電磁波の周波数と振動子の共鳴周波数に関係する。多数の振動子から放出されるこれらの波の重ね合わせによって、よりゆっくりと移動する波が生じる。 [ 16 ]： 4-8
マックス・プランクは1900年に、熱平衡状態にある箱の内部の電磁場を記述する式を導き出した。[ 16 ]： 8-9彼のモデルは定常波 の重ね合わせから成り立っていた。一次元では、箱の長さはLであり、波数nの正弦波のみが存在する。
はボックス内で発生する可能性があり、nは正の整数（数学的には次のように表される）である。これらの定常波を表す方程式は、次のとおりです。
ここで、E₀は電場振幅の大きさ、Eは位置xにおける電場の大きさである。この基本原理からプランクの法則が導出された。[ 16 ]： 4-8、51-52
1911年、アーネスト・ラザフォードはアルファ粒子散乱に基づいて、原子の中心には点状の陽子が存在すると結論づけた。彼はまた、電子はクーロンの法則によって陽子に引きつけられると考え、この法則が微小スケールでも成り立つことを検証した。その結果、電子は陽子の周りを公転していると信じた。1913年、ニールス・ボーアはラザフォードの原子モデルとプランクの量子化の概念を組み合わせた。電子は特定の明確な軌道のみが存在し、それらの軌道は光を放射しない。軌道が変化すると、電子は軌道のエネルギー差に応じて光を放出または吸収する。彼のエネルギー準位の予測は、その後の観測結果と一致した。[ 16 ]： 9-10
これらの結果は、特定の定常波の離散的なセットに基づいており、連続的な古典的振動子モデルとは矛盾していた。[ 16 ]： 8
1905年のアルベルト・アインシュタインによる光電効果に関する研究は、周波数の光波の関連付けにつながった。エネルギーの光子1917年、アインシュタインは誘導放出、自然放出、吸収（電磁放射）の3つの過程を導入することで、ボーアモデルを拡張した。[ 16 ]： 11
現代の量子力学への最大の進歩は、ヴェルナー・ハイゼンベルクによる行列力学アプローチを用いた量子力学の定式化と、エルヴィン・シュレーディンガーによるシュレーディンガー方程式の発見であった。[ 16 ]： 12
AMO（原子分子光学）には、さまざまな半古典的手法が存在する。問題のどの側面を量子力学的に扱い、どの側面を古典的に扱うかは、対象となる具体的な問題によって異なる。半古典的手法は、計算コストと計算複雑性を大幅に削減できるため、AMOにおける計算作業において広く用いられている。
レーザーの作用下にある物質については、原子または分子系の完全な量子力学的処理と、系が古典的な電磁場の作用下にあるという仮定が組み合わされます。[ 16 ] : 14場は古典的に扱われるため、自然放出を扱うことはできません。[ 16 ] : 16この半古典的な処理は、ほとんどの系、特に高強度レーザー場の作用下にある系に有効です。[ 2 ] : 997 [ 2 ] : 724光学物理学と量子光学の違いは、それぞれ半古典的な処理と完全な量子的な処理を用いる点にあります。[ 2 ] : 997
衝突力学において半古典的扱いを用いる場合、内部自由度は量子力学的に扱うことができ、検討対象の量子系の相対運動は古典的に扱うことができる。[ 2 ]： 556中速から高速の衝突を考慮する場合、原子核は古典的に扱うことができ、電子は量子力学的に扱うことができる。低速の衝突では、この近似は成り立たない。[ 2 ]： 754
電子のダイナミクスに関する古典的なモンテカルロ法は、初期条件は完全な量子力学的処理を用いて計算されるが、それ以降の処理はすべて古典的であるという点で、半古典的であると説明できる。[ 2 ]： 871
原子・分子・光物理学では、原子や分子を単独で扱うことが多い。原子モデルは、1つ以上の束縛電子に囲まれた単一の原子核から構成される一方、分子モデルは通常、分子水素とその分子水素イオンを扱う。イオン化、閾値を超えるイオン化、光子による励起、原子粒子との衝突といった過程を扱う。
原子を単独でモデル化することは現実的ではないように思えるかもしれないが、気体やプラズマ中の分子を考えると、分子間相互作用の時間スケールは、我々が関心を寄せている原子・分子過程に比べて非常に大きい。つまり、個々の分子は、ほとんどの時間においてそれぞれが孤立しているかのように扱うことができる。このような考え方から、原子・分子物理学は、膨大な数の分子を扱うプラズマ物理学や大気物理学の基礎理論を提供している。
電子は原子核の周りに仮想的な殻を形成する。これらの電子は本来基底状態にあるが、光（光子）、磁場からのエネルギー吸収、あるいは衝突する粒子（通常は他の電子）との相互作用によって励起されることがある。
電子殻に収まっている電子は束縛状態にあると言われます。電子をその殻から取り除く（無限遠まで移動させる）のに必要なエネルギーを結合エネルギーと呼びます。電子がこのエネルギー量を超えて吸収したエネルギーは、エネルギー保存の法則に従って運動エネルギーに変換されます。原子はイオン化の過程を経たと言われます。
電子が結合エネルギーよりも少ない量のエネルギーを吸収した場合、励起状態または仮想状態に遷移する可能性があります。統計的に十分な時間が経過すると、励起状態にある電子は自然放出によってより低い状態に遷移します。2つのエネルギー準位間のエネルギー変化は考慮する必要があります（エネルギー保存則）。中性原子では、系はエネルギー差の光子を放出します。ただし、より低い状態が内殻にある場合、オージェ効果と呼ばれる現象が発生し、エネルギーが別の結合電子に伝達されて連続状態に移行します。これにより、1つの光子で原子を多重イオン化することが可能になります。
光励起によって到達可能な電子配置には厳格な選択規則が存在するが、衝突過程による励起にはそのような規則は存在しない。
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