Молекулярная физика изучает физические свойства молекул и молекулярную динамику . Область существенно пересекается с физической химией , химической физикой и квантовой химией . Ее часто рассматривают как подобласть атомной, молекулярной и оптической физики . Исследовательские группы, изучающие молекулярную физику, обычно обозначаются как одна из этих других областей. Молекулярная физика рассматривает явления, обусловленные как молекулярной структурой, так и отдельными атомными процессами внутри молекул. Как и атомная физика , она опирается на комбинацию классической и квантовой механики для описания взаимодействий между электромагнитным излучением и веществом. Эксперименты в этой области часто в значительной степени опираются на методы, заимствованные из атомной физики , такие как спектроскопия и рассеяние .
В молекуле и электроны , и ядра испытывают силы схожего масштаба от кулоновского взаимодействия . Однако ядра остаются в почти фиксированных положениях в молекуле, в то время как электроны значительно движутся. Эта картина молекулы основана на идее, что нуклоны намного тяжелее электронов, поэтому будут двигаться гораздо меньше в ответ на ту же силу. Эксперименты по рассеянию нейтронов на молекулах были использованы для проверки этого описания. [1]
Когда атомы объединяются в молекулы, их внутренние электроны остаются связанными с их исходным ядром, в то время как внешние валентные электроны распределяются вокруг молекулы. Распределение заряда этих валентных электронов определяет электронный уровень энергии молекулы и может быть описано теорией молекулярных орбиталей , которая близко следует теории атомных орбиталей, используемой для отдельных атомов. Предполагая, что импульсы электронов имеют порядок ħ / a (где ħ - приведенная постоянная Планка , а a - среднее межъядерное расстояние внутри молекулы, ~ 1 Å), величину энергетического интервала для электронных состояний можно оценить в несколько электрон-вольт . Это имеет место для большинства низколежащих молекулярных энергетических состояний и соответствует переходам в видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра . [1] [2]
В дополнение к электронным энергетическим уровням, общим с атомами, молекулы имеют дополнительные квантованные энергетические уровни, соответствующие колебательным и вращательным состояниям. Колебательные энергетические уровни относятся к движению ядер вокруг их равновесных положений в молекуле. Приблизительное энергетическое расстояние этих уровней можно оценить, рассматривая каждое ядро как квантовый гармонический осциллятор в потенциале, создаваемом молекулой, и сравнивая его связанную частоту с частотой электрона, испытывающего тот же потенциал. Результатом является энергетическое расстояние примерно в 100 раз меньше, чем для электронных уровней. В соответствии с этой оценкой, колебательные спектры показывают переходы в ближнем инфракрасном диапазоне (около1–5 мкм ). [2] Наконец, вращательные энергетические состояния описывают полужесткое вращение всей молекулы и создают переходные длины волн в дальнем инфракрасном и микроволновом диапазонах (около 100–10 000 мкм в длине волны ). Это наименьшие энергетические интервалы, и их размер можно понять, сравнив энергию двухатомной молекулы с межъядерным расстоянием ~ 1 Å с энергией валентного электрона (оцененной выше как ~ ħ / a ). [1]
Фактические молекулярные спектры также показывают переходы, которые одновременно связывают электронные, колебательные и вращательные состояния. Например, переходы, включающие как вращательные, так и колебательные состояния, часто называют вращательно-колебательными или ровибрационными переходами. Вибронные переходы объединяют электронные и колебательные переходы, а ровибронные переходы объединяют электронные, вращательные и колебательные переходы. Из-за очень разных частот, связанных с каждым типом перехода, длины волн, связанные с этими смешанными переходами, различаются по всему электромагнитному спектру. [2]
В целом, целью экспериментов по молекулярной физике является характеристика формы и размера, электрических и магнитных свойств, внутренних энергетических уровней, а также энергий ионизации и диссоциации молекул. С точки зрения формы и размера, вращательные спектры и колебательные спектры позволяют определять молекулярные моменты инерции , что позволяет рассчитывать межъядерные расстояния в молекулах. Рентгеновская дифракция позволяет напрямую определять межъядерные расстояния, особенно для молекул, содержащих тяжелые элементы. [2] Все ветви спектроскопии вносят вклад в определение молекулярных энергетических уровней из-за широкого диапазона применимых энергий (от ультрафиолетового до микроволнового режимов).
В атомной, молекулярной и оптической физике существует множество исследований, использующих молекулы для проверки фундаментальных констант и исследования физики за пределами Стандартной модели . Прогнозируется, что определенные молекулярные структуры будут чувствительны к новым физическим явлениям, таким как нарушение четности [3] и обращения времени [4] . Молекулы также считаются потенциальной будущей платформой для квантовых вычислений с захваченными ионами , поскольку их более сложная структура энергетических уровней может способствовать более эффективному кодированию квантовой информации, чем отдельные атомы. [5] С точки зрения химической физики, эксперименты по внутримолекулярному перераспределению колебательной энергии используют колебательные спектры для определения того, как энергия перераспределяется между различными квантовыми состояниями колебательно возбужденной молекулы. [6]
