分子物理学

原子が結合して分子を形成すると、内殻電子は元の原子核に束縛されたままですが、外殻価電子は分子の周囲に分布します。これらの価電子の電荷分布によって分子の電子エネルギー準位が決定され、単一原子に使用される原子軌道理論に非常に近い分子軌道理論によって記述できます。電子の運動量がħ / aのオーダーであると仮定すると（ここでħは換算プランク定数、aは分子内の平均核間距離、約1 Å）、電子状態のエネルギー間隔の大きさは数電子ボルトと推定できます。これはほとんどの低エネルギー分子状態の場合に当てはまり、電磁スペクトルの可視光領域と紫外光領域の遷移に対応します。^{[ 1 ] [ 2 ]}  

原子と共通する電子エネルギー準位に加えて、分子は振動状態と回転状態に対応する量子化されたエネルギー準位も持ちます。振動エネルギー準位とは、分子内の原子核が平衡位置を中心に運動している状態を指します。これらの準位のおおよそのエネルギー間隔は、各原子核を分子によって生成されるポテンシャル中の量子調和振動子として扱い、その振動数を同じポテンシャルを受ける電子の振動数と比較することで推定できます。その結果、電子準位のエネルギー間隔よりも約100倍小さい値が得られます。この推定値と一致して、振動スペクトルは近赤外領域（約1–5  μm )。^{[ 2 ]}最後に、回転エネルギー状態は分子全体の半剛体回転を表し、遠赤外線およびマイクロ波領域（波長約 100–10,000 μm ）で遷移波長を生成します。これらは最小のエネルギー間隔であり、その大きさは、核間隔が約1 Å の二原子分子のエネルギーと価電子のエネルギー（上記で約ħ / aと推定）を比較することで理解できます。^{[ 1 ]}   

実際の分子スペクトルには、電子状態、振動状態、回転状態が同時に結合する遷移も現れます。たとえば、回転状態と振動状態の両方を含む遷移は、回転振動遷移または回転振動遷移と呼ばれることがよくあります。振動電子遷移は電子遷移と振動遷移を組み合わせたものであり、回転振動電子遷移は電子遷移、回転遷移、振動遷移を組み合わせたものです。各タイプの遷移に関連する周波数が大きく異なるため、これらの混合遷移に関連する波長は電磁スペクトル全体で変化します。^{[ 2 ]}

原子、分子、および光学物理学の分野では、分子を用いて基本定数を検証し、標準模型を超える物理現象を探る研究が数多く行われている。特定の分子構造は、パリティ^{[ 3 ]}や時間反転^{[ 4 ]}の破れなどの新しい物理現象に敏感であると予測されている。分子は、そのより複雑なエネルギー準位構造により、個々の原子よりも量子情報の高効率な符号化が可能になるため、トラップイオン量子コンピューティングの将来のプラットフォームとしても考えられている^{[ 5 ]} 。化学物理学の観点からは、分子内振動エネルギー再分配実験では、振動スペクトルを用いて、振動励起された分子の異なる量子状態間でエネルギーがどのように再分配されるかを決定する^{[ 6 ]}。