分子物理学

物理学分支

分子物理学（molecular physics）是研究分子结构、分子物理性质和分子间相互作用的物理学分支。从微观的角度，研究分子的几何结构和分子的能级结构，分子间的相互作用，这是物质结构研究的重要组成部分；从宏观的角度，研究大量分子组成的系统所遵循的运动规律，这部分称为分子动理论。在上述理论研究基础上，研究气体、液体和固体的理化特性亦是分子物理学的主要内容。它与物理学的其他分支，如原子物理学、凝聚态物理学、天体物理学等以及化学都有密切的关系。

简史

分子动理论的发展可追溯到17世纪。1650年R.玻意耳研究了气体状态与外界条件之间的关系，后来发展成理想气体的状态方程。18世纪D.伯努利给出了分子运动与压强之间的关系，以及俄国科学家M.罗蒙诺索夫用分子动理论解释各种现象，发展了分子热力学，他们二人被认为是分子动理论的创始人。19世纪J.麦克斯韦和L.玻耳兹曼研究了气体分子运动的速度分布，提出了著名的麦克斯韦－玻耳兹曼分布定律。随后，在分子动理论的基础上又发展了热力学和统计力学，将分子的微观运动及其相互作用与大量分子组成的宏观物质的物理性质联系起来。20世纪分子动理论的观点被用来研究化学反应的速率和机理，推动了化学动力学的发展。微观分子物理学的发展是基于20世纪初原子物理学和量子力学的建立，实验上通过分子光谱和电磁波谱的测定来了解分子的能级结构和几何结构。这方面G.赫茨伯格作出了杰出的贡献，他被公认为“分子光谱之父”，获1971年诺贝尔化学奖。他撰写的《分子光谱与分子结构》4卷巨著是分子物理学和分子光谱学的重要文献。

内容与方法

总述

分子由原子组成，各原子通过化学亲和力或称化学键相互结合成分子，分子的几何结构、化学键与分子的化学、物理性质有直接的关系。分子的结构可通过多种途径进行研究，分子光谱测量方法是研究分子结构的重要和有效的手段。通过分子光谱的测量可给出分子的微观能级结构，进而给出分子的几何结构和分子间的相互作用力。与原子相比较，分子内部的运动形态要复杂得多，除与原子一样具有外围电子的绕核运动外，还有组成分子的各原子核间的振动以及所有原子核绕分子轴的转动，这就决定了分子的微观能级结构要比原子的复杂，因此分子光谱也就相当复杂。分子光谱的波长测量范围可覆盖从紫外线到微波、射频波段，不同波段的分子光谱代表不同能级间的跃迁：可见光和紫外线波段的光谱反映了分子电子态能级间的跃迁，形成光谱带系的结构；红外波段的光谱反映了分子振动态能级间的跃迁；远红外至微波波段则反映了分子转动态能级间的跃迁。

实验方法

分子光谱测量可采用各类光谱仪器，如光栅光谱仪或摄谱仪、傅里叶光谱仪、拉曼光谱仪等。激光问世后，各类激光光谱测量技术，结合分子束技术、质谱技术成为分子光谱研究的重要手段。分子光谱的测量可分成两大类：一类是频畴测量，即测量光谱强度随光频率（或光波长）的变化关系；一类是时畴测量，即测量光谱强度随时间的变化关系。频畴测量可给出分子的光谱常数和能级参数、分子的势能函数、分子的解离能、分子间的力常数等，导出分子的几何结构（如分子的键角和键长）。高分辨分子光谱的测量可给出分子的精细结构和超精细结构、核自旋参数，还可研究分子在外电场和外磁场中的行为，给出分子的电磁参量（如分子的磁偶极矩和电偶极矩、电四极矩和极化率等）。时畴测量广泛应用于研究分子物理学中的超快速现象，采用超短脉冲激光可测定激发态分子和瞬态分子的寿命，测定分子在光解离和化学反应过程中的动力学行为，揭示在皮秒、飞秒领域内物质内部的运动规律。除光谱研究外，X射线衍射仪、中子衍射仪、核磁共振谱仪和电子顺磁共振谱仪也可用来确定分子的结构。此外，光电子能谱测量技术也是研究分子物理性质的有力实验手段。

理论解释和计算

理论上量子力学是研究分子物理、分子化学键本质以及分子间相互作用的主要工具。1930年以来，量子力学在这些问题的理论解释上有很大进展。被称为分子的量子力学的量子化学，是近代理论化学最活跃的前沿研究之一。应用量子化学原理并配合计算机技术，直接计算分子的能级、状态波函数和势函数，以及其他物理性质，取得了显著成就。反过来，分子光谱测量和量子力学解释之间的相符合，亦是证实量子理论的重要依据。

分子运动论是研究大量分子的宏观运动规律，如理想气体运动规律、分子速度分布定律和动能均分定律等，还包括研究物质的热学性质和聚集状态、状态方程（体积、温度和压强之间的关系）、各种热力学函数、液体和固体的表面层现象和表面吸附、相平衡和相变，以及扩散、热传导和黏滞性等与分子输运有关的各种现象。这些现象和性质与大量分子的整体运动状态有关，因此在分子物理学的研究中还广泛地利用热力学定律和统计物理学的理论。

发展与应用

分子是物质能保留化学属性的最小单元，分子物理学研究具有非常强的学科交叉特性，与化学、天文学、环境科学、生命科学和材料科学都有密切的联系。化学研究领域内，对化学反应的认识已从宏观现象发展到微观机理，基于分子的水平来认识和理解化学反应的过程。这方面的重要成果有：D.赫施巴赫和李远哲利用交叉分子束技术以及J.波拉尼利用红外化学发光技术研究化学反应动力学而共获1986年诺贝尔化学奖；艾哈迈德·泽韦尔创立了飞秒激光光谱研究化学反应的方法获1999年诺贝尔化学奖。分子物理学和分子光谱学的研究结果给化学反应动力学过程和光化学过程研究提供了重要的参数和科学依据。反之，化学反应中间过程中出现的自由基分子正是分子物理学和分子光谱学研究的重点对象。人们力图做到选择特定能态的分子进行化学反应，深入理解分子间的碰撞和能量转移过程，直至实现对分子的设计和剪裁。天文学和分子物理学也有密切的联系。许多重要的自由基分子、离子分子最初就是通过天文观测发现的；分子物理学的研究又给天文观测提供了精确的测量参数，这些研究对人类探索宇宙演化和生命起源都起着重要的作用。在生命科学和材料科学研究领域内，许多研究已进入分子级的水平，如对生物分子结构的研究、生物分子间的能量和信息传递过程的研究、功能高分子材料的研究等，都与分子物理学紧密相关。