Молекулярная физика
Молекулярная физика — это изучение физических свойств молекул и молекулярной динамики . Эта область в значительной степени пересекается с физической химией , химической физикой и квантовой химией . Ее часто рассматривают как раздел атомной, молекулярной и оптической физики . Исследовательские группы, изучающие молекулярную физику, обычно относят к одной из этих областей. Молекулярная физика рассматривает явления, связанные как с молекулярной структурой, так и с отдельными атомными процессами внутри молекул. Как и атомная физика , она опирается на сочетание классической и квантовой механики для описания взаимодействий между электромагнитным излучением и материей. Эксперименты в этой области часто во многом полагаются на методы, заимствованные из атомной физики , такие как спектроскопия и рассеяние .
Молекулярная структура
[ редактировать ]В молекуле и электроны , и ядра испытывают силы одинакового масштаба из-за кулоновского взаимодействия . Однако ядра остаются в почти фиксированных местах молекулы, в то время как электроны значительно перемещаются. Эта картина молекулы основана на идее о том, что нуклоны намного тяжелее электронов и поэтому будут двигаться гораздо меньше под действием той же силы. по рассеянию нейтронов на молекулах. Для проверки этого описания были использованы эксперименты [1]
Молекулярные энергетические уровни и спектры
[ редактировать ]
Когда атомы объединяются в молекулы, их внутренние электроны остаются связанными с исходным ядром, в то время как внешние валентные электроны распределяются вокруг молекулы. Распределение заряда этих валентных электронов определяет уровень электронной энергии молекулы и может быть описано теорией молекулярных орбиталей , которая близко соответствует теории атомных орбиталей, используемой для отдельных атомов. Предполагая, что импульсы электронов порядка ħ / a (где ħ — приведенная постоянная Планка , а a — среднее межъядерное расстояние внутри молекулы, ~ 1 Å), величину энергетического расстояния для электронных состояний можно составить оценивается в несколько электронвольт . Это справедливо для большинства низколежащих энергетических состояний молекул и соответствует переходам в видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра . [1] [2]
Помимо общих с атомами электронных уровней энергии, молекулы имеют дополнительные квантованные энергетические уровни, соответствующие колебательным и вращательным состояниям. Колебательные уровни энергии относятся к движению ядер вокруг их положений равновесия в молекуле. Приблизительное энергетическое расстояние между этими уровнями можно оценить, рассматривая каждое ядро как квантовый гармонический осциллятор в потенциале, создаваемом молекулой, и сравнивая связанную с ним частоту с частотой электрона, испытывающего тот же потенциал. В результате энергетическое расстояние примерно в 100 раз меньше, чем у электронных уровней. В соответствии с этой оценкой в колебательных спектрах наблюдаются переходы в ближнюю инфракрасную область (около 1–5 мкм ). [2] Наконец, состояния вращательной энергии описывают полужесткое вращение всей молекулы и создают длины волн перехода в дальней инфракрасной около 100–10 000 мкм и микроволновой областях ( длина волны ). Это наименьшие энергетические расстояния, и их размер можно понять, сравнив энергию двухатомной молекулы с межъядерным расстоянием ~ 1 Å с энергией валентного электрона (оцененной выше как ~ ħ / a ). [1]
Реальные молекулярные спектры также демонстрируют переходы, которые одновременно связывают электронные, колебательные и вращательные состояния. Например, переходы, включающие как вращательное, так и колебательное состояния, часто называют вращательно-колебательными или колебательно-вращательными переходами. Вибронные переходы сочетают в себе электронные и колебательные переходы, а ровибронные переходы сочетают в себе электронные, вращательные и колебательные переходы. Из-за очень разных частот, связанных с каждым типом перехода, длины волн, связанные с этими смешанными переходами, различаются в зависимости от электромагнитного спектра. [2]
Эксперименты
[ редактировать ]В целом, цели экспериментов по молекулярной физике состоят в том, чтобы охарактеризовать форму и размер, электрические и магнитные свойства, уровни внутренней энергии, а также энергии ионизации и диссоциации молекул. По форме и размеру вращательные спектры и колебательные спектры позволяют определять моменты инерции молекул , что позволяет рассчитывать межъядерные расстояния в молекулах. Рентгеновская дифракция позволяет напрямую определять межъядерное расстояние, особенно для молекул, содержащих тяжелые элементы. [2] Все разделы спектроскопии способствуют определению уровней энергии молекул благодаря широкому диапазону применимых энергий (от ультрафиолетовых до микроволновых режимов).
Текущие исследования
[ редактировать ]В атомной, молекулярной и оптической физике проводятся многочисленные исследования с использованием молекул для проверки фундаментальных констант и исследования физики за пределами Стандартной модели . Прогнозируется, что некоторые молекулярные структуры будут чувствительны к новым физическим явлениям, таким как четность . [3] и обращение времени [4] нарушение. 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, в экспериментах по перераспределению внутримолекулярной колебательной энергии используются колебательные спектры, чтобы определить, как энергия перераспределяется между различными квантовыми состояниями колебательно-возбужденной молекулы. [6]
См. также
[ редактировать ]
Источники
[ редактировать ]- АТОМНАЯ, МОЛЕКУЛЯРНАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА: НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Л.Т. Чена ; Nova Science Publishers, Inc. Нью-Йорк
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Брансден, Британская Колумбия; Хоахейн, CJ (1990). Физика атомов и молекул . John Wiley & Sons, Inc. Нью-Йорк: ISBN 0-470-20424-9 .
- ^ Jump up to: а б с д Уильямс, Дадли, изд. (1962). Методы экспериментальной физики, Том 3: Молекулярная физика . Нью-Йорк и Лондон: Академическая пресса. дои : 10.1021/ed040pA324 .
- ^ Д. Демилль; С.Б. Кан; Д. Мерфри; Д.А. Рамлоу; М.Г. Козлов (2008). «Использование молекул для измерения нарушения четности, зависящего от ядерного спина». Письма о физических отзывах . 100 (2): 023003. arXiv : 0708.2925 . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.023003 . ПМИД 18232864 . S2CID 40747565 .
- ^ Иван Козырев; Николас Р. Хацлер (2017). «Прецизионное измерение нарушения симметрии с обращением времени с помощью многоатомных молекул, охлажденных лазером» . Письма о физических отзывах . 119 (13): 133002. arXiv : 1705.11020 . doi : 10.1103/PhysRevLett.119.133002 . ПМИД 29341669 . S2CID 33254969 .
- ^ С.Ф. Елин; К. Кирби; Робин Коте (1978). «Схемы надежных квантовых вычислений с полярными молекулами». Письма о физических отзывах . 74 (5): 050301. arXiv : quant-ph/0602030 . doi : 10.1103/PhysRevA.74.050301 . S2CID 115982983 .
- ^ ТФДойч; С.Р.Дж.Брюк (1978). «Бесстолкновительный внутримолекулярный перенос энергии в колебательно-возбужденном SF6». Письма по химической физике . 54 (2): 258–264. дои : 10.1016/0009-2614(78)80096-7 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
