الفيزياء الجزيئية

عندما تتحد الذرات لتكوين جزيئات، تبقى إلكتروناتها الداخلية مرتبطة بنواتها الأصلية، بينما تتوزع إلكترونات التكافؤ الخارجية حول الجزيء. يحدد توزيع شحنة إلكترونات التكافؤ هذه مستوى الطاقة الإلكترونية للجزيء، ويمكن وصفه بنظرية المدارات الجزيئية ، التي تتبع بدقة نظرية المدارات الذرية المستخدمة للذرات المفردة. بافتراض أن زخم الإلكترونات من رتبة ħ / a (حيث ħ هو ثابت بلانك المختزل ، و a هو متوسط ​​المسافة بين النوى داخل الجزيء، حوالي  1  أنغستروم)، يمكن تقدير مقدار تباعد الطاقة للحالات الإلكترونية ببضعة إلكترون فولت . ينطبق هذا على معظم حالات الطاقة الجزيئية المنخفضة، ويتوافق مع الانتقالات في منطقتي الطيف الكهرومغناطيسي المرئي وفوق البنفسجي . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

بالإضافة إلى مستويات الطاقة الإلكترونية المشتركة مع الذرات، تمتلك الجزيئات مستويات طاقة كمية إضافية تُقابل حالات الاهتزاز والدوران. تشير مستويات طاقة الاهتزاز إلى حركة النوى حول مواضع اتزانها في الجزيء. يمكن تقدير المسافة التقريبية بين هذه المستويات بمعاملة كل نواة كمذبذب توافقي كمي في الجهد الناتج عن الجزيء، ومقارنة ترددها بتردد إلكترون يتعرض لنفس الجهد. والنتيجة هي مسافة طاقة أصغر بحوالي 100 مرة من تلك الخاصة بالمستويات الإلكترونية. وتوافقًا مع هذا التقدير، تُظهر أطياف الاهتزاز انتقالات في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (حوالي 10 ...1-5  ميكرومتر ). ^{[ 2 ]} أخيرًا، تصف حالات الطاقة الدورانية الدوران شبه الصلب للجزيء بأكمله، وتنتج أطوال موجية انتقالية في منطقتي الأشعة تحت الحمراء البعيدة والميكروويف (حوالي 100-10000 ميكرومتر ). هذه هي أصغر فواصل الطاقة، ويمكن فهم حجمها بمقارنة طاقة جزيء ثنائي الذرة بمسافة بين نواته تبلغ حوالي 1 أنغستروم بطاقة إلكترون التكافؤ (المقدرة أعلاه بحوالي ħ / a ) . ^{[ 1 ]}   

تُظهر الأطياف الجزيئية الفعلية أيضًا انتقالات تربط في آنٍ واحد الحالات الإلكترونية والاهتزازية والدورانية. فعلى سبيل المثال، تُعرف الانتقالات التي تشمل كلًا من الحالات الدورانية والاهتزازية بالانتقالات الدورانية الاهتزازية أو الانتقالات الدورانية الاهتزازية. وتجمع الانتقالات الاهتزازية الإلكترونية بين الانتقالات الإلكترونية والاهتزازية، بينما تجمع الانتقالات الدورانية الاهتزازية الإلكترونية بين الانتقالات الإلكترونية والدورانية والاهتزازية. ونظرًا لاختلاف الترددات المرتبطة بكل نوع من أنواع الانتقالات، فإن الأطوال الموجية المرتبطة بهذه الانتقالات المختلطة تتفاوت عبر الطيف الكهرومغناطيسي. ^{[ 2 ]}

في مجالات الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية، تُجرى دراسات عديدة تستخدم الجزيئات للتحقق من الثوابت الأساسية واستكشاف ظواهر فيزيائية تتجاوز النموذج القياسي . ويُتوقع أن تكون بعض البنى الجزيئية حساسة لظواهر فيزيائية جديدة، مثل انتهاك التكافؤ ^{[ 3 ]} وانتهاك انعكاس الزمن ^{[ 4 ]} . كما تُعتبر الجزيئات منصة مستقبلية محتملة للحوسبة الكمومية للأيونات المحصورة ، إذ يُمكن أن يُسهّل تركيب مستويات الطاقة الأكثر تعقيدًا فيها ترميز المعلومات الكمومية بكفاءة أعلى من الذرات المفردة. ^{[ 5 ]} من منظور الفيزياء الكيميائية، تستخدم تجارب إعادة توزيع الطاقة الاهتزازية داخل الجزيء الأطياف الاهتزازية لتحديد كيفية إعادة توزيع الطاقة بين الحالات الكمومية المختلفة لجزيء مُهتز. ^{[ 6 ]}