分子物理学

分子物理学是研究分子的物理性质和分子动力学的学科。 该领域与物理化学、化学物理学和量子化学有很大的重叠。 它通常被认为是原子、分子和光学物理学的一个子领域。 研究分子物理学的研究小组通常被指定为这些其他领域之一。 分子物理学研究由分子结构和分子内的单个原子过程引起的现象。 与原子物理学一样，它依赖于经典力学和量子力学的结合来描述电磁辐射与物质之间的相互作用。 该领域的实验通常严重依赖于从原子物理学中借用的技术，例如光谱学和散射。

在分子中，电子和原子核都经历了来自库仑相互作用的类似规模的力。 然而，当电子显着移动时，原子核保持在分子中几乎固定的位置。 这张分子图是基于核子比电子重得多的想法，因此对相同的力的反应会移动得少得多。 分子的中子散射实验已被用来验证这种描述。

当原子加入分子时，它们的内层电子仍然束缚在它们原来的原子核上，而外层的价电子分布在分子周围。 这些价电子的电荷分布决定了分子的电子能级，可以用分子轨道理论来描述，该理论与用于单个原子的原子轨道理论非常相似。 假设电子的动量在 ħ/a 的数量级（其中 ħ 是约化的普朗克常数，a 是分子内的平均核间距离，~1Å），电子态能量间距的大小 可以估计为几个电子伏特。 这是大多数低分子能态的情况，对应于电磁波谱可见光和紫外区的跃迁。

除了与原子共享的电子能级外，分子还具有与振动和旋转状态相对应的额外量子化能级。 振动能级是指原子核围绕它们在分子中的平衡位置的运动。 这些能级的近似能量间距可以通过将每个原子核视为分子产生的势能中的量子谐振子，并将其相关频率与经历相同势能的电子的频率进行比较来估算。 结果是能量间距比电子水平仪的能量间距小约 100 倍。 与此估计一致，振动光谱显示近红外（约 1 - 5 μm）的跃迁。 最后，旋转能态描述了整个分子的半刚性旋转，并在远红外和微波区域（波长约 100-10,000 μm）产生跃迁波长。 这些是最小的能量间距，它们的大小可以通过比较核间距为 ~1Å 的双原子分子的能量与价电子的能量（上面估计为 ~ħ/a）来理解。

实际的分子光谱也显示了同时耦合电子、振动和旋转状态的跃迁。 例如，同时涉及旋转和振动状态的跃迁通常被称为旋转-振动跃迁或振动跃迁。 电子振动跃迁结合了电子和振动跃迁，而旋转电子跃迁结合了电子、旋转和振动跃迁。 由于与每种类型的跃迁相关的频率非常不同，因此与这些混合跃迁相关的波长在整个电磁光谱中各不相同。

一般来说，分子物理实验的目标是表征分子的形状和大小、电学和磁学特性、内部能级以及电离和离解能。 就形状和大小而言，旋转光谱和振动光谱可以确定分子的惯性矩，从而可以计算分子中的核间距离。 X 射线衍射可以直接确定核间距，特别是对于含有重元素的分子。

由于适用能量范围广泛（紫外线到微波范围），光谱学的所有分支都有助于确定分子能级。

在原子、分子和光学物理学中，有许多研究使用分子来验证基本常数并探索标准模型之外的物理学。