基本介紹
- 中文名：分子物理學
- 外文名：molecular physics
- 主要理論：分子動理論、分子熱力學等。
簡史,內容與方法,總述,實驗方法,理論解釋和計算,發展與套用,相關分支學科,
簡史
分子動理論的發展可追溯到17世紀。1650年R.玻意耳研究了氣體狀態與外界條件之間的關係，後來發展成理想氣體的狀態方程。18世紀D.伯努利給出了分子運動與壓強之間的關係，以及俄國科學家M.羅蒙諾索夫用分子動理論解釋各種現象，發展了分子熱力學，他們二人被認為是分子動理論的創始人。19世紀J.麥克斯韋和L.玻耳茲曼研究了氣體分子運動的速度分布，提出了著名的麥克斯韋－玻耳茲曼分布定律。隨後，在分子動理論的基礎上又發展了熱力學和統計力學，將分子的微觀運動及其相互作用與大量分子組成的巨觀物質的物理性質聯繫起來。20世紀分子動理論的觀點被用來研究化學反應的速率和機理，推動了化學動力學的發展。微觀分子物理學的發展是基於20世紀初原子物理學和量子力學的建立，實驗上通過分子光譜和電磁波譜的測定來了解分子的能級結構和幾何結構。這方面G.赫茨伯格作出了傑出的貢獻，他被公認為“分子光譜之父”，獲1971年諾貝爾化學獎。他撰寫的《分子光譜與分子結構》4卷巨著是分子物理學和分子光譜學的重要文獻。
內容與方法
總述
分子由原子組成，各原子通過化學親和力或稱化學鍵相互結合成分子，分子的幾何結構、化學鍵與分子的化學、物理性質有直接的關係。分子的結構可通過多種途徑進行研究，分子光譜測量方法是研究分子結構的重要和有效的手段。通過分子光譜的測量可給出分子的微觀能級結構，進而給出分子的幾何結構和分子間的相互作用力。與原子相比較，分子內部的運動形態要複雜得多，除與原子一樣具有外圍電子的繞核運動外，還有組成分子的各原子核間的振動以及所有原子核繞分子軸的轉動，這就決定了分子的微觀能級結構要比原子的複雜，因此分子光譜也就相當複雜。分子光譜的波長測量範圍可覆蓋從紫外線到微波、射頻波段，不同波段的分子光譜代表不同能級間的躍遷：可見光和紫外線波段的光譜反映了分子電子態能級間的躍遷，形成光譜帶系的結構；紅外波段的光譜反映了分子振動態能級間的躍遷；遠紅外至微波波段則反映了分子轉動態能級間的躍遷。
實驗方法
分子光譜測量可採用各類光譜儀器，如光柵光譜儀或攝譜儀、傅立葉光譜儀、拉曼光譜儀等。雷射問世後，各類雷射光譜測量技術，結合分子束技術、質譜技術成為分子光譜研究的重要手段。分子光譜的測量可分成兩大類：一類是頻疇測量，即測量光譜強度隨光頻率（或光波長）的變化關係；一類是時疇測量，即測量光譜強度 隨時間的變化關係。頻疇測量可給出分子的光譜常數和能級參數、分子的勢能函式、分子的解離能、分子間的力常數等，導出分子的幾何結構（如分子的鍵角和鍵長）。高分辨分子光譜的測量可給出分子的精細結構和超精細結構、核自旋參數，還可研究分子在外電場和外磁場中的行為，給出分子的電磁參量（如分子的磁偶極矩和電偶極矩、電四極矩和極化率等）。時疇測量廣泛套用於研究分子物理學中的超快速現象，採用超短脈衝雷射可測 定激發態分子和瞬態分子的壽命，測定分子在光解離和化學反應過程中的動力學行為，揭示在皮秒、飛秒領域內物質內部的運動規律。除光譜研究外，X射線衍射儀、中子衍射儀、核磁共振譜儀和電子順磁共振譜儀也可用來確定分子的結構。此外，光電子能譜測量技術也是研究分子物理性質的有力實驗手段。
理論解釋和計算
理論上量子力學是研究分子物理、分子化學鍵本質以及分子間相互作用的主要工具。1930年以來，量子力學在這些問題的理論解釋上有很大進展。被稱為分子的量子力學的量子化學，是近代理論化學最活躍的前沿研究之一。套用量子化學原理並配合計算機技術，直接計算分子的能級、狀態波函式和勢函式，以及其他物理性質，取得了顯著成就。反過來，分子光譜測量和量子力學解釋之間的相符合，亦是證實量子理論的重要依據。
分子運動論是研究大量分子的巨觀運動規律，如理想氣體運動規律、分子速度分布定律和動能均分定律等，還包括研究物質的熱學性質和聚集狀態、狀態方程（體積、溫度和壓強之間的關係）、各種熱力學函式、液體和固體的表面層現象和表面吸附、相平衡和相變，以及擴散、熱傳導和黏滯性等與分子輸運有關的各種現象。這些現象和性質與大量分子的整體運動狀態有關，因此在分子物理學的研究中還廣泛地利用熱力學定律和統計物理學的理論。
發展與套用
分子是物質能保留化學屬性的最小單元，分子物理學研究具有非常強的學科交叉特性，與化學、天文學、環境科學、生命科學和材料科學都有密切的聯繫。化學研究領域內，對化學反應的認識已從巨觀現象發展到微觀機理，基於分子的水平來認識和理解化學反應的過程。這方面的重要成果有：D.赫施巴赫和李遠哲利用交叉分子束技術以及J.波拉尼利用紅外化學發光技術研究化學反應動力學而共獲1986年諾貝爾化學獎；艾哈邁德·澤韋爾創立了飛秒雷射光譜研究化學反應的方法獲1999年諾貝爾化學獎。分子物理學和分子光譜學的研究結果給化學反應動力學過程和光化學過程研究提供了重要的參數和科學依據。反之，化學反應中間過程中出現的自由基分子正是分子物理學和分子光譜學研究的重點對象。人們力圖做到選擇特定能態的分子進行化學反應，深入理解分子間的碰撞和能量轉移過程，直至實現對分子的設計和剪裁。天文學和分子物理學也有密切的聯繫。許多重要的自由基分子、離子分子最初就是通過天文觀測發現的；分子物理學的研究又給天文觀測提供了精確的測量參數，這些研究對人類探索宇宙演化和生命起源都起著重要的作用。在生命科學和材料科學研究領域內，許多研究已進入分子級的水平，如對生物分子結構的研究、生物分子間的能量和信息傳遞過程的研究、功能高分子材料的研究等，都與分子物理學緊密相關。
