原子、分子、光学物理学

原子・分子・光物理学（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前後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を研究する分野です。^[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、および量子的な扱いが含まれます。通常、励起された原子や分子からの電磁放射（光）の放出、吸収、散乱、分光法の分析、レーザーやメーザーの生成、および物質全般の光学特性に関する理論と応用は、これらのカテゴリに分類されます。

原子・分子物理学

原子物理学はAMOのサブフィールドであり、原子を電子と原子核の孤立したシステムとして研究し、分子物理学は分子の物理的性質を研究する。原子物理学という用語は、標準英語でatomicとnuclearが同義語として使用されているため、原子力や核爆弾に関連付けられることが多い。しかし、物理学者は、原子を原子核と電子からなるシステムとして扱う原子物理学と、原子核のみを扱う核物理学を区別している。重要な実験技術は、さまざまな種類の分光法である。分子物理学は、原子物理学と密接に関連しているが、理論化学、物理化学、化学物理学とも大幅に重複している。^[4]

どちらのサブフィールドも、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係しています。通常、この作業には量子力学が使用されます。分子物理学の場合、このアプローチは量子化学として知られています。分子物理学の重要な側面の1つは、原子物理学の分野における基本的な原子軌道理論が分子軌道理論にまで拡張されていることです。^{[5]分子物理学は分子内の原子プロセスに関係していますが、}分子構造による効果も関係しています。原子から知られている電子励起状態に加えて、分子は回転し、振動することができます。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レベルが存在します。異なる回転状態間には最小のエネルギー差があるため、純粋な回転スペクトルは電磁スペクトルの遠赤外線領域（波長約30〜150μm ）にあります。振動スペクトルは近赤外線（約1〜5μm ）にあり、電子遷移から生じるスペクトルは主に可視光線と紫外線領域にあります。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ます。^[6]

多くの科学分野と同様に、厳密な区分は非常に不自然であり、原子物理学は、原子物理学、分子物理学、および光物理学のより広い文脈で考慮されることが多い。物理学の研究グループは通常、そのように分類される。

光学物理学

光物理学は、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、^[7]特にその操作と制御を研究する学問である。^[8]光物理学は、新しい現象の発見と応用に焦点を当てている点で、一般光学や光工学とは異なる。しかし、光物理学、応用光学、光工学の間には明確な区別はない。光工学のデバイスと応用光学のアプリケーションは光物理学の基礎研究に必要であり、その研究は新しいデバイスとアプリケーションの開発につながるからである。多くの場合、基礎研究と応用技術開発の両方に同じ人が関わっており、例えば、SE Harrisによる電磁誘導透明性の実験的実証や、 HarrisとLene Vestergaard Hauによるスローライトの実験的実証がある。^[9]^[10]

光物理学の研究者は、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]光物理学では、孤立原子の強力な超短電磁場に対する非線形応答、高磁場での原子-空洞相互作用、電磁場の量子特性などの分野でもサポート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、近接場顕微鏡法などの新しい光学技術の開発が含まれます。光物理学の研究では、超高速光科学と技術に重点を置いています。光物理学の応用は、通信、医療、製造、さらにはエンターテイメントの進歩をもたらします。^[12]

歴史

原子物理学への最も初期のステップの1つは、物質が原子（現代の言葉で言えば化学元素の基本単位）で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・ドルトンによって開発されました。この段階では、原子が何であるかは明らかではありませんでしたが、原子は、その大量の観察可能な特性によって記述および分類することができ、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開発された周期表にまとめられました。 ^[13]

その後、 19世紀にジョセフ・フォン・フラウンホーファー、フレネルらがスペクトル線の発見やその現象の記述を試みたことにより、原子物理学と光物理学の関係が明らかになった。 ^[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していた。水素のスペクトル線を説明する試みの一つがボーア原子モデルだった。^[13]

光電効果、コンプトン効果、太陽光のスペクトルなど、電磁波と物質を含む実験は、未知の元素であるヘリウム、ボーア模型の水素への制限、その他多くの理由により、物質と光のまったく新しい数学モデル、すなわち量子力学につながりました。^[15]

物質の古典的振動子モデル

屈折率の起源を説明する初期のモデルは、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原子系内の電子を古典的に扱っていた。この理論は、物質の波長依存屈折率nの起源を提供しようとするために開発された。このモデルでは、入射電磁波が原子に束縛された電子を振動させる。すると、振動の振幅は入射電磁波の周波数と振動子の共振周波数に関係する。多数の振動子から放出されたこれらの波を重ね合わせると、よりゆっくりと移動する波になる。 ^[16]^{: 4–8}

物質と光の初期の量子モデル

マックス・プランクは1900年に熱平衡状態にある箱の中の電磁場を記述する式を導出した。^[16]^{: 8–9}彼のモデルは定在波の重ね合わせから成り立っていた。1次元では箱の長さはLで、波数

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

はボックス内に発生する可能性があります。ここで、n は正の整数です(数学的にはと表記されます)。これらの定在波を表す方程式は次のように表されます。 $\scriptstyle n\in \mathbb {N} _{1}$

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

。

ここで、E _0は電界振幅の大きさ、E は位置xにおける電界の大きさである。この基本からプランクの法則が導かれた。^[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の散乱に基づいて、原子には中心点状の陽子があると結論付けた。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ていたが、クーロンの法則は小規模なスケールでも成立することが確認されていた。その結果、彼は電子が陽子の周りを回っていると信じるようになった。 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考えを組み合わせた。電子には特定の明確に定義された軌道しか存在できず、その軌道も光を放射しない。軌道を飛び越える電子は、軌道のエネルギー差に応じて光を放射または吸収する。彼のエネルギーレベルの予測は、当時、観測と一致していた。^[16]^{: 9–10}

これらの結果は、特定の定在波の離散的な集合に基づくものであり、連続的な古典的振動子モデルとは矛盾していた。^[16]^{: 8}

アルバート・アインシュタインが1905年に光電効果について行った研究は、周波数の光波とエネルギーの光子との関連を導きました。1917年に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つのプロセスを導入することでボーアのモデルの拡張を作成しました。^[16]^{: 11} $\nu$ $h\nu$

現代の治療法

現代的な扱いへの最大の進歩は、ヴェルナー・ハイゼンベルクによる行列力学アプローチによる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 にはさまざまな半古典的な処理方法があります。問題のどの側面が量子力学的に扱われ、どの側面が古典的に扱われるかは、特定の問題によって異なります。半古典的なアプローチは、主にそれに伴う計算コストと複雑さが大幅に減少するため、AMO 内の計算作業で広く使用されています。

レーザーの作用を受ける物質については、原子または分子システムの完全な量子力学的処理が、古典的な電磁場の作用を受けるシステムと組み合わされる。^[16]^{: 14}電磁場は古典的に扱われるため、自然放出を扱うことはできない。^[16]^{: 16}この半古典的な処理は、ほとんどのシステム、特に高強度レーザー場の作用を受けるシステムに有効である。^[2]^:⁹⁹⁷^光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処理を使用することである。^[2]^{: 997}

衝突力学と半古典的処理では、内部自由度は量子力学的に扱うことができ、検討中の量子システム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。低速衝突では近似は成立しない。^[2]^{: 754}

電子の動力学に対する古典的なモンテカルロ法は、初期条件が完全に量子的な処理を使用して計算されるが、それ以降の処理はすべて古典的なものであるという点で半古典的であると言える。^[2]^{: 871}

孤立した原子と分子

原子、分子、光学物理学では、原子と分子を個別に扱うことがよくあります。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で構成されますが、分子モデルは通常、分子水素とその分子水素イオンに関係します。イオン化、閾値を超えるイオン化、光子または原子粒子との衝突による励起などのプロセスに関係します。

原子を孤立して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ませんが、ガスやプラズマ内の分子を考えると、分子間の相互作用の時間スケールは、私たちが関心のある原子および分子のプロセスと比較して非常に大きくなります。つまり、個々の分子は、大部分の時間で孤立しているかのように扱うことができます。この考慮により、原子および分子物理学は、どちらも膨大な数の分子を扱っているにもかかわらず、プラズマ物理学と大気物理学の基礎理論を提供します。

電子配置

電子は原子核の周りに概念的な殻を形成します。これらは本来基底状態にありますが、光 (光子) や磁場からのエネルギーの吸収、または衝突する粒子 (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ります。

殻に存在する電子は束縛状態にあると言われます。電子を殻から取り除く（無限に運ぶ）のに必要なエネルギーは、結合エネルギーと呼ばれます。この量を超えて電子が吸収したエネルギーの量は、エネルギー保存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ことがあります。統計的に十分な時間が経過すると、励起状態の電子は自然放出によってより低い状態への遷移を起こします。2 つのエネルギーレベル間のエネルギー変化を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、システムはエネルギーの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移動して連続体に入ります。これにより、単一の光子で原子を多重イオン化できます。

光による励起によって到達できる電子配置に関しては厳密な選択規則がありますが、衝突プロセスによる励起にはそのような規則はありません。

参照

注記

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参考文献

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外部リンク

ScienceDirect - 原子、分子、光学物理学の進歩
物理学ジャーナルB：原子、分子、光物理学

機関

アメリカ物理学会 - 原子・分子・光物理学部門
欧州物理学会 - 原子・分子・光物理学部門
国立科学財団 - 原子・分子・光物理学
MIT-ハーバード超低温原子センター
スタンフォード大学量子科学・工学イニシアティブQFARM
JILA - 原子および分子物理学
メリーランド大学とNISTの共同量子研究所
ORNL物理学部門
クイーンズ大学ベルファスト校 - 理論・原子・分子・光物理学センター、
カリフォルニア大学バークレー校 - 原子・分子・光物理学

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