Física molecular

Cuando los átomos se unen para formar moléculas, sus electrones internos permanecen ligados 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 espaciado de energía para los estados electrónicos puede estimarse en unos pocos electronvoltios . Este es el caso para la mayoría de los estados de energía molecular de baja energía 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 poseen niveles de energía cuantizados adicionales que corresponden 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 espaciado energético aproximado de estos niveles puede estimarse 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 espaciado energético 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 la rotación semirrígida de toda la molécula y producen longitudes de onda de transición en las regiones del infrarrojo lejano y de microondas (aproximadamente 100-10 000 μm de longitud de onda ). Estos son los espaciamientos de energía más pequeños, y su tamaño se puede comprender 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 acoplan simultáneamente estados electrónicos, vibracionales y rotacionales. Por ejemplo, las transiciones que involucran estados rotacionales y vibracionales se denominan a menudo transiciones rotacionales-vibracionales o rovibracionales. 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 ]}

Dentro de la física atómica, molecular y óptica, existen numerosos estudios que utilizan moléculas para verificar constantes fundamentales e investigar fenómenos físicos más allá del Modelo Estándar . Se predice que ciertas estructuras moleculares son sensibles a nuevos fenómenos físicos, como la violación de la paridad ^{[ 3 ]} y la inversión temporal ^{[ 4 ]} . Las moléculas también se consideran una plataforma potencial para la computación cuántica de iones atrapados , ya que su estructura de niveles de energía más compleja podría facilitar una codificación de información cuántica más eficiente que la de los átomos individuales. ^{[ 5 ]} Desde una perspectiva de la 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 ]}