ฟิสิกส์โมเลกุล
ฟิสิกส์โมเลกุลคือการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของโมเลกุลและพลศาสตร์ของโมเลกุลสาขานี้มีความทับซ้อนอย่างมากกับเคมีเชิงฟิสิกส์ฟิสิกส์เคมีและเคมีควอนตัมมักถูกพิจารณาว่าเป็นสาขาย่อยของฟิสิกส์อะตอม ฟิสิกส์โมเลกุล และฟิสิกส์เชิงแสงกลุ่มวิจัยที่ศึกษาฟิสิกส์โมเลกุลมักถูกจัดให้อยู่ในสาขาอื่นๆ เหล่านี้ ฟิสิกส์โมเลกุลกล่าวถึงปรากฏการณ์ที่เกิดจากทั้งโครงสร้างโมเลกุลและกระบวนการอะตอมแต่ละอย่างภายในโมเลกุล เช่นเดียวกับฟิสิกส์อะตอมมันอาศัยการผสมผสานระหว่าง กลศาสตร์ คลาสสิกและกลศาสตร์ควอนตัมเพื่ออธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสสาร การทดลองในสาขานี้มักอาศัยเทคนิคที่ยืมมาจากฟิสิกส์อะตอมเป็น อย่างมาก เช่นสเปกโทรสโกปีและการกระเจิง
โครงสร้างโมเลกุล
ในโมเลกุล ทั้งอิเล็กตรอนและนิวเคลียส ต่าง ก็ได้รับแรงในระดับใกล้เคียงกันจากปฏิกิริยาคูลอมบ์อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสยังคงอยู่ที่ตำแหน่งคงที่เกือบตลอดในโมเลกุล ในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปมาก ภาพของโมเลกุลนี้ตั้งอยู่บนแนวคิดที่ว่านิวคลีออนหนักกว่าอิเล็กตรอนมาก ดังนั้นจึงเคลื่อนที่น้อยกว่ามากเมื่อได้รับแรงเดียวกัน การทดลอง การกระเจิงของนิวตรอนบนโมเลกุลถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบคำอธิบายนี้[ 1 ]
ระดับพลังงานโมเลกุลและสเปกตรัม
เมื่ออะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล อิเล็กตรอนภายในจะยังคงยึดติดกับนิวเคลียสเดิม ในขณะที่อิเล็กตรอนวาเลนซ์ ภายนอก จะกระจายอยู่รอบโมเลกุล การกระจายประจุของอิเล็กตรอนวาเลนซ์เหล่านี้เป็นตัวกำหนดระดับพลังงานอิเล็กตรอนของโมเลกุล และสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลซึ่งคล้ายคลึงกับทฤษฎีออร์บิทัลอะตอมที่ใช้สำหรับอะตอมเดี่ยว สมมติว่าโมเมนตัมของอิเล็กตรอนอยู่ในลำดับของħ / a (โดยที่ħคือค่าคงที่ของพลังค์แบบลดทอนและaคือระยะห่างระหว่างนิวเคลียสโดยเฉลี่ยภายในโมเลกุล ประมาณ 1 Å) ขนาดของช่องว่างพลังงานสำหรับสถานะอิเล็กตรอนสามารถประมาณได้ที่ไม่กี่อิเล็กตรอนโวลต์นี่เป็นกรณีสำหรับสถานะพลังงานโมเลกุลระดับต่ำส่วนใหญ่ และสอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านในบริเวณที่มองเห็นได้และรังสีอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า[ 1 ] [ 2 ]
นอกจากระดับพลังงานอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกับอะตอมแล้ว โมเลกุลยังมี ระดับพลังงาน ควอนตัม เพิ่มเติม ที่สอดคล้องกับสถานะการสั่นและการหมุน ระดับพลังงานการสั่นหมายถึงการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสรอบตำแหน่งสมดุลในโมเลกุล ระยะห่างของพลังงานโดยประมาณของระดับเหล่านี้สามารถประมาณได้โดยการพิจารณานิวเคลียสแต่ละตัวเป็นตัวสั่นฮาร์มอนิกควอนตัมในศักยภาพที่เกิดจากโมเลกุล และเปรียบเทียบความถี่ที่เกี่ยวข้องกับความถี่ของอิเล็กตรอนที่ได้รับศักยภาพเดียวกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือระยะห่างของพลังงานที่เล็กกว่าระดับอิเล็กตรอนประมาณ 100 เท่า สอดคล้องกับการประมาณนี้ สเปกตรัมการสั่นแสดงการเปลี่ยนผ่านในย่านอินฟราเรดใกล้ (ประมาณ )1–5 μm ) [ 2 ]สุดท้าย สถานะพลังงานการหมุนอธิบายการหมุนแบบกึ่งแข็งของโมเลกุลทั้งหมดและสร้างความยาวคลื่นการเปลี่ยนผ่านใน ย่าน อินฟราเรด ไกลและไมโครเวฟ ( ความยาวคลื่นประมาณ 100-10,000 μm ) นี่คือระยะห่างของพลังงานที่เล็กที่สุด และขนาดของมันสามารถเข้าใจได้โดยการเปรียบเทียบพลังงานของโมเลกุลไดอะตอมิก ที่มีระยะห่าง ระหว่างนิวเคลียส ~ 1 Å กับพลังงานของอิเล็กตรอนวาเลนซ์ (ประมาณไว้ข้างต้นเป็น ~ ħ / a ) [ 1 ]
สเปกตรัมโมเลกุลจริงยังแสดงการเปลี่ยนผ่านที่เชื่อมโยงสถานะอิเล็กตรอน การสั่น และการหมุนพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนผ่านที่เกี่ยวข้องกับทั้งสถานะการหมุนและการสั่น มักเรียกว่าการเปลี่ยนผ่านแบบหมุน-สั่น หรือแบบโรวิบ ราชัน การเปลี่ยนผ่าน แบบไวบรอนิกเป็นการรวมการเปลี่ยนผ่านแบบอิเล็กตรอนและการสั่น และ การเปลี่ยนผ่านแบบ โรวิบรอนิกเป็นการรวมการเปลี่ยนผ่านแบบอิเล็กตรอน การหมุน และการสั่น เนื่องจากความถี่ที่แตกต่างกันมากที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนผ่านแต่ละประเภท ความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนผ่านแบบผสมเหล่านี้จึงแตกต่างกันไปทั่วสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า[ 2 ]
การทดลอง
โดยทั่วไป เป้าหมายของการทดลองฟิสิกส์โมเลกุลคือการหาลักษณะรูปร่างและขนาด คุณสมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก ระดับพลังงานภายใน และ พลังงาน ไอออนไนเซชันและการแยกตัวของโมเลกุล ในแง่ของรูปร่างและขนาด สเปกตรัมการหมุนและสเปกตรัมการสั่นช่วยให้สามารถกำหนดโมเมนต์ความเฉื่อยของ โมเลกุล ซึ่งช่วยให้สามารถคำนวณระยะห่างระหว่างนิวเคลียสในโมเลกุลได้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ช่วยให้สามารถกำหนดระยะห่างระหว่างนิวเคลียสได้โดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโมเลกุลที่มีธาตุหนัก[ 2 ]สาขาสเปกโทรสโกปีทั้งหมดมีส่วนช่วยในการกำหนดระดับพลังงานของโมเลกุลเนื่องจากช่วงพลังงานที่ใช้ได้กว้าง (ตั้งแต่รังสีอัลตราไวโอเลตถึงไมโครเวฟ)
งานวิจัยปัจจุบัน
ในสาขาฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์ มีการศึกษามากมายที่ใช้โมเลกุลเพื่อตรวจสอบค่าคงที่พื้นฐานและสำรวจฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานโครงสร้างโมเลกุลบางอย่างคาดว่าจะมีความไวต่อปรากฏการณ์ฟิสิกส์ใหม่ เช่น การละเมิด สมมาตรพาริตี[ 3 ]และ การย้อน กลับของเวลา[ 4 ]โมเลกุลยังถือเป็นแพลตฟอร์มที่มีศักยภาพในอนาคตสำหรับการคำนวณควอนตัมไอออนแบบดักจับเนื่องจากโครงสร้างระดับพลังงานที่ซับซ้อนกว่าของโมเลกุลสามารถอำนวยความสะดวกในการเข้ารหัสข้อมูลควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าอะตอมแต่ละตัว[ 5 ]จากมุมมองของฟิสิกส์เคมี การทดลอง การกระจายพลังงานการสั่นสะเทือนภายในโมเลกุลใช้สเปกตรัมการสั่นสะเทือนเพื่อกำหนดว่าพลังงานถูกกระจายอย่างไรระหว่างสถานะควอนตัมที่แตกต่างกันของโมเลกุลที่ถูกกระตุ้นด้วยการสั่นสะเทือน[ 6 ]
ดูเพิ่มเติม
แหล่งที่มา
- ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์: งานวิจัยใหม่ โดยLT Chen ; สำนักพิมพ์ Nova Science Publishers, Inc. นิวยอร์ก