原子・分子・光物理学

原子・分子・光物理学（AMO ）は、1個または少数の原子スケール^{[ 1 ]}、エネルギースケールでは数電子ボルト程度における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、量子的な扱い方が含まれます。典型的には、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、分光分析、レーザーやメーザーの発生、そして物質全般の光学特性に関する理論と応用がこれらのカテゴリーに該当します。

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特性を研究します。標準英語ではatomとnuclearが同義語として使用されるので、原子物理学という用語は、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システムとして扱う原子物理学と、原子核だけ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のような原子核を調べる技術に関心を持ちますが、AMO 物理学者は分光学の技術により関心を持つ傾向があります。AMO 物理学内では、多くの人が分子物理学の研究に興味を持っています。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作成する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幅に重複しています。^{[ 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係しています。これを研究する方法は、系のハミルトニアンを特徴付け、系のエネルギーレベルを理解することです。これらの系、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。物理学者は、これらの原子や分子の構造を調べるために、原子軌道理論と分子軌道理論を用い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的特性を理解することで、分子のハミルトニアンの 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な次数効果がわかります。

分子物理学は分子内の原子過程を扱う学問であるが、分子構造に起因する効果も扱う。原子に見られる電子励起状態に加え、分子は回転したり振動したりする。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 ） に存在する。振動スペクトルは近赤外線（波長約1～5μm）にあり、電子遷移に起因するスペクトルは主に可視光線と紫外線領域に存在する。回転スペクトルと振動スペクトルを測定することで、分子の核間距離など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、厳密な区分は非常に不自然であり、原子物理学はしばしば原子物理学、分子物理学、光物理学といったより広い文脈の中で考察されます。物理学の研究グループは通常、そのように分類されます。

光物理学

光物理学は、電磁放射の発生、その放射の特性、そして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分野です。^{[ 8 ]}新しい現象の発見と応用に重点が置かれている点で、一般光学や光工学とは異なります。しかし、光物理学、応用光学、光工学の間には明確な区別はありません。なぜなら、光工学のデバイスと応用光学の応用は光物理学の基礎研究に不可欠であり、その研究が新しいデバイスや応用の開発につながるからです。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います。たとえば、 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などです。^{[ 9 ] [ 10 ]}

光物理学の研究者は、マイクロ波からX線に至る電磁スペクトル全体にわたる光源を利用・開発しています。この分野には、光の発生と検出、線形および非線形光学過程、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に変革をもたらしました。光物理学の主要な研究は、量子光学とコヒーレンス、そして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、高電場における原子-空洞相互作用、電磁場の量子特性といった分野も研究されています。^{[ 11 ]}

その他の重要な研究分野としては、ナノ光学計測、回折光学、低コヒーレンス干渉計、光コヒーレンストモグラフィー、近接場顕微鏡法といった新しい光学技術の開発が挙げられます。光物理学の研究は、超高速光科学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ンメントの分野にも進歩をもたらしています。^{[ 12 ]}

歴史

水素原子のボーアモデル

原子物理学への最も初期のステップの一つは、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・ドルトンによって提唱されました。この段階では、原子とは何かは明確ではありませんでしたが、その塊としての観察可能な特性によって記述・分類することは可能でした。そして、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周期表が開発され、原子の周期表がそれを要約しました。^{[ 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で、原子物理学と光物理学のつながりが明らかになった。 ^{[ 14 ]}

当時から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の解明を模索していました。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でした。^{[ 13 ]}

光電効果、コンプトン効果、太陽光のスペクトルなど、電磁放射と物質に関する実験は、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、物質と光の全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 ]}

物質の古典振動子モデル

屈折率の起源を説明する初期のモデルは、原子系内の電子をポール・ドルーデとヘンドリック・ローレンツのモデルに基づいて古典的に扱っていた。この理論は、物質の波長に依存する屈折率nの起源を明らかに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。そして、多数の振動子から放射されたこれらの波の重ね合わせにより、よりゆっくりと移動する波が生成される。 ^{[ 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公式を導出した。 ^{[ 16 ] : 8–9} 彼のモデルは定在波 の重ね合わせから成り、一次元では箱の長さはLで、波数

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

ボックスに発生する可能性があります。ここで、nは正の整数（数学的には と表記されます）です。これらの定在波を記述する方程式は次のように与えられます。 ${\displaystyle \scriptstyle n\in \mathbb {N} _{1}}$

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

ここで、E _0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。この基本式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き、原子には中心点状の陽子が存在すると結論付けました。彼はまた、クーロンの法則によって電子は依然として陽子に引き寄せられると考えており、この法則は小さなスケールでは依然として成り立つことを実証していました。その結果、彼は電子が陽子の周りを回転すると信じました。1913年、ニールス・ボーアはラザフォードの原子模型とプランクの量子化の考えを融合させました。電子には、光を放射しない、明確に定義された軌道しか存在できないとしました。ジャンプ軌道では、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します。彼のエネルギー準位の予測は、当時の観測結果と一致していました。^{[ 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、連続した古典的な振動子モデルとは矛盾していた。^{[ 16 ]：8}

アルバート・アインシュタインは1905年に光電効果に関する研究を行い、周波数の光波とエネルギーの光子との関連を明らかにしました。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）という3つの過程を導入することでボーアの模型を拡張しました。^{[ 16 ] : 11} ${\displaystyle \nu}$ ${\displaystyle h\nu }$

現代的な治療法

現代的な治療法への最大の進歩は、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には様々な半古典的な扱い方があります。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、個々の問題によって異なります。半古典的なアプローチは、主に計算コストと計算量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取り扱いが、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ができません。^{[ 16 ] : 16} この半古典的な取り扱いはほとんどのシステム、^{[ 2 ] : 997} 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す。^{[ 2 ] : 724} 光物理学と量子光学の違いは、それぞれ半古典的な取り扱いと完全な量子的な取り扱いを使用するかどうかです。^{[ 2 ] : 997}

衝突動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、一方で、対象とする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い、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用いて計算されるが、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なものと言える。^{[ 2 ]：871}

孤立した原子と分子

原子物理学、分子物理学、光物理学では、原子や分子を単独で扱うことがよくあります。原子モデルは、1つまたは複数の束縛電子に囲まれた単一の原子核で構成されますが、分子モデルは典型的には分子状水素とその分子状水素イオンを扱います。分子モデルは、電離、閾値を超える電離、光子または原子粒子との衝突による 励起といった過程を扱います。

原子を孤立した状態でモデル化するのは現実的ではないように思えるかもしれませんが、気体やプラズマ中の分子を考えてみると、分子間相互作用の時間スケールは、私たちが関心を持つ原子・分子過程に比べて非常に大きくなります。つまり、個々の分子は、ほとんどの時間において孤立しているかのように扱うことができます。この考察により、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と大気物理学の両方において、基礎理論を提供しています。

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。これらは本来は基底状態にありますが、光（光子）や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ります。

殻に閉じ込められた電子は束縛状態にあると言われます。電子を殻から引き離す（無限遠まで移動させる）のに必要なエネルギーは束縛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。原子は電離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エネルギーを吸収した場合、励起状態または仮想状態へと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、励起状態の電子は自然放出によってより低い状態へと遷移します。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）。中性原子の場合、システムはエネルギー差の光子を放出します。しかし、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、エネルギーが別の束縛電子に伝達され、連続状態に移行します。これにより、単一の光子で原子を多重イオン化することができます。

光による励起によって到達できる電子構成に関しては 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

• ボルン・オッペンハイマー近似
• 周波数倍増
• 回折
• 超微細構造
• 干渉法
• 異性体シフト
• メタマテリアルクローキング
• 分子のエネルギー状態
• 分子モデリング
• ナノテクノロジー
• 負の屈折率を持つメタマテリアル
• 非線形光学
• 光学工学
• 光子の偏光
• 量子化学
• 量子光学
• 剛性ローター
• 分光法
• スーパーレンズ
• 定常状態
• 状態の遷移

注記

1. 原子・分子・光物理学．全米科学アカデミー出版．1986年．ISBN 978-0-309-03575-0。
2. ゴードン・ドレイク編 (1996).原子・分子・光物理学ハンドブック.シュプリンガー. ISBN 978-0-387-20802-2。
3. Chen, LT編 (2009). 『原子・分子・光物理学：新たな研究』 Nova Science Publishers. ISBN 978-1-60456-907-0。
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8. 「光物理学」アリゾナ大学。2019年5月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年4月23日閲覧。
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参考文献

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• 固体物理学（第2版）、JRフック、HEホール、マンチェスター物理学シリーズ、ジョン・ワイリー＆サンズ、2010年、ISBN 978 0 471 92804 1
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• 『The Light Fantastic – Introduction to Classic and Quantum Optics』、I.R.ケニオン、オックスフォード大学出版局、2008年、ISBN 978-0-19-856646-5
• 原子・分子・光物理学ハンドブック、編集者：Gordon Drake、Springer、各著者、1996年、ISBN 0-387-20802-X
• フォックス、マーク（2010）『固体の光学特性』オックスフォード、ニューヨーク：オックスフォード大学出版局、ISBN 978-0-19-957336-3。

外部リンク

• ScienceDirect - 原子・分子・光物理学の進歩
• 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
• 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・工学イニシアチブQFARM
• JILA - 原子・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 - 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