Física molecular

La física molecular es el estudio de las propiedades físicas de las moléculas y la dinámica molecular . El campo se superpone significativamente con la química física , la física química y la química cuántica . A menudo se considera como un subcampo de la física atómica, molecular y óptica . Los grupos de investigación que estudian la física molecular generalmente se designan como uno de estos otros campos. La física molecular aborda los fenómenos debidos tanto a la estructura molecular como a los procesos atómicos individuales dentro de las moléculas. Al igual que la física atómica , se basa en una combinación de mecánica clásica y cuántica para describir las interacciones entre la radiación electromagnética y la materia. Los experimentos en el campo a menudo se basan en gran medida en técnicas prestadas de la física atómica , como la espectroscopia y la dispersión .

En una molécula, tanto los electrones como los núcleos experimentan fuerzas de escala similar a partir de la interacción de Coulomb . Sin embargo, los núcleos permanecen en posiciones casi fijas en la molécula mientras que los electrones se mueven significativamente. Esta imagen de una molécula se basa en la idea de que los nucleones son mucho más pesados ​​que los electrones, por lo que se moverán mucho menos en respuesta a la misma fuerza. Se han utilizado experimentos de dispersión de neutrones en moléculas para verificar esta descripción. ^[1]

Cuando los átomos se unen para formar moléculas, sus electrones internos permanecen unidos a su núcleo original mientras que los electrones de valencia externos se distribuyen alrededor de la molécula. La distribución de carga de estos electrones de valencia determina el nivel de energía electrónica de una molécula y puede describirse mediante la teoría de orbitales moleculares , que sigue de cerca la teoría de orbitales atómicos utilizada para átomos individuales. Suponiendo que los momentos de los electrones son del orden de ħ / a (donde ħ es la constante de Planck reducida y a es la distancia internuclear promedio dentro de una molécula, ~ 1 Å), la magnitud del espaciamiento de energía para los estados electrónicos puede estimarse en unos pocos electronvoltios . Este es el caso de la mayoría de los estados de energía molecular de baja altitud y corresponde a las transiciones en las regiones visible y ultravioleta del espectro electromagnético . ^{[1] [2]}

Además de los niveles de energía electrónica compartidos con los átomos, las moléculas tienen niveles de energía cuantizados adicionales correspondientes a estados vibracionales y rotacionales. Los niveles de energía vibracional se refieren al movimiento de los núcleos alrededor de sus posiciones de equilibrio en la molécula. El espaciamiento de energía aproximado de estos niveles se puede estimar tratando cada núcleo como un oscilador armónico cuántico en el potencial producido por la molécula y comparando su frecuencia asociada con la de un electrón que experimenta el mismo potencial. El resultado es un espaciamiento de energía aproximadamente 100 veces menor que el de los niveles electrónicos. De acuerdo con esta estimación, los espectros vibracionales muestran transiciones en el infrarrojo cercano (aproximadamente1–5 μm ). ^[2] Finalmente, los estados de energía rotacional describen una rotación semirrígida de toda la molécula y producen longitudes de onda de transición en las regiones del infrarrojo lejano y de microondas (alrededor de 100-10 000 μm en longitud de onda ). Estos son los espaciamientos de energía más pequeños, y su tamaño se puede entender comparando la energía de una molécula diatómica con un espaciamiento internuclear de ~ 1 Å con la energía de un electrón de valencia (estimada anteriormente como ~  ħ / a ). ^[1]

Los espectros moleculares reales también muestran transiciones que combinan simultáneamente estados electrónicos, vibracionales y rotacionales. Por ejemplo, las transiciones que involucran estados rotacionales y vibracionales a menudo se denominan transiciones rotacional-vibratorias o rovibratorias. Las transiciones vibrónicas combinan transiciones electrónicas y vibracionales, y las transiciones rovibrónicas combinan transiciones electrónicas, rotacionales y vibracionales. Debido a las frecuencias muy diferentes asociadas con cada tipo de transición, las longitudes de onda asociadas con estas transiciones mixtas varían a lo largo del espectro electromagnético. ^[2]

En general, los objetivos de los experimentos de física molecular son caracterizar la forma y el tamaño, las propiedades eléctricas y magnéticas, los niveles de energía interna y las energías de ionización y disociación de las moléculas. En términos de forma y tamaño, los espectros rotacionales y vibracionales permiten la determinación de los momentos de inercia molecular , lo que permite calcular las distancias internucleares en las moléculas. La difracción de rayos X permite la determinación del espaciamiento internuclear directamente, especialmente para moléculas que contienen elementos pesados. ^[2] Todas las ramas de la espectroscopia contribuyen a la determinación de los niveles de energía molecular debido a la amplia gama de energías aplicables (regímenes ultravioleta a microondas).

En el campo de la física atómica, molecular y óptica, existen numerosos estudios que utilizan moléculas para verificar constantes fundamentales y explorar la física más allá del Modelo Estándar . Se predice que ciertas estructuras moleculares serán sensibles a nuevos fenómenos físicos, como la violación de la paridad ^[3] y la inversión temporal ^[4] . Las moléculas también se consideran una posible plataforma futura para la computación cuántica de iones atrapados , ya que su estructura de nivel de energía más compleja podría facilitar una codificación de información cuántica de mayor eficiencia que los átomos individuales. ^[5] Desde una perspectiva de física química, los experimentos de redistribución de energía vibracional intramolecular utilizan espectros vibracionales para determinar cómo se redistribuye la energía entre diferentes estados cuánticos de una molécula vibracionalmente excitada. ^[6]

• FÍSICA ATÓMICA, MOLECULAR Y ÓPTICA: NUEVAS INVESTIGACIONES por LT Chen ; Nova Science Publishers, Inc. Nueva York