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 un subcampo de la física atómica, molecular y óptica . Los grupos de investigación que estudian física molecular generalmente se designan como uno de estos otros campos. La física molecular aborda 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 este campo a menudo dependen en gran medida de técnicas tomadas 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 ubicaciones casi fijas en la molécula mientras 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. Para verificar esta descripción se han utilizado experimentos de dispersión de neutrones en moléculas. [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 los orbitales moleculares , que sigue de cerca la teoría de los 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, ~1Å), se puede estimar la magnitud del espaciamiento de energía para los estados electrónicos. a unos pocos electronvoltios . Este es el caso de la mayoría de los estados de energía molecular bajos y corresponde a 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 cuantificados adicionales correspondientes a estados vibratorios y rotacionales. Los niveles de energía vibratoria 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 una separación de energía aproximadamente 100 veces menor que la de los niveles electrónicos. De acuerdo con esta estimación, los espectros vibratorios muestran transiciones en el infrarrojo cercano (alrededor de 1 a 5 μm). [2] Finalmente, los estados de energía rotacional describen la 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 de longitud de onda ). Estos son los espaciamientos de energía más pequeños, y su tamaño puede entenderse comparando la energía de una molécula diatómica con un espaciamiento internuclear de ~1 Å con la energía de un electrón de valencia (estimado anteriormente como ~ħ/a). [1]
Los espectros moleculares reales también muestran transiciones que acoplan simultáneamente estados electrónicos, vibratorios y rotacionales. Por ejemplo, las transiciones que involucran estados rotacionales y vibratorios a menudo se denominan transiciones rotacionales-vibracionales o rovibracionales. Las transiciones vibrónicas combinan transiciones electrónicas y vibratorias, y las transiciones rovibrónicas combinan transiciones electrónicas, rotacionales y vibratorias. Debido a las muy diferentes frecuencias 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 de rotación y los espectros de vibración permiten la determinación de momentos de inercia molecular , lo que permite calcular distancias internucleares en las moléculas. La difracción de rayos X permite la determinación directa del espaciado internuclear, 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 de ultravioleta a microondas).
Dentro 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 del tiempo [4] . Las moléculas también se consideran una posible plataforma futura para la computación cuántica de iones atrapados , ya que su estructura de niveles de energía más compleja podría facilitar una codificación de información cuántica con mayor eficiencia que los átomos individuales. [5] Desde una perspectiva de la física química, los experimentos de redistribución de energía vibratoria intramolecular utilizan espectros vibratorios para determinar cómo se redistribuye la energía entre diferentes estados cuánticos de una molécula excitada vibratoriamente. [6]
