Rotatieniveaus

Rotatieniveaus verwijzen naar de discrete energieniveaus die voortkomen uit de rotatie van een molecuul in de kwantummechanica. Voor veel moleculen kan de rotatie worden beschreven met het rigid-rotormodel. Deze niveaus bepalen hoe moleculen reageren op elektromagnetische straling in de microwa- en infraroodzones en vormen de basis voor rotatiespectroscopie.

Bij een lineair diatomisch molecuul heeft de energietoestand J, met J = 0, 1, 2, ..., de energie E_J = h c B_e J(J+1). B_e is de rotatieconstante, gerelateerd aan het moment van traagheid I door B_e = h/(8 π^2 I c). De degeneratie van niveau J bedraagt g_J = 2J+1. De populatie van deze niveaus volgt de Boltzmannverdeling; de intensiteit van een lijn hangt af van de bevolking van J en van de overgangsmatrix-elementen.

Voor niet-lineaire moleculen bestaan drie rotatieconstanten, A, B en C, en de energieniveaus zijn complexer, afhankelijk van J, Ka en Kc en van moleculaire symmetrie. De spectrale lijnen die hieruit voortvloeien vereist vaak meer geavanceerde modellering, en parameters worden afgeleid uit experimentele rotatiespectra.

Transitions tussen rotatieniveaus volgen doorgaans de selectieregel ΔJ = ±1 voor moleculen met een dipoolmoment. De lijnen verschijnen vooral in het microwa- en millimetergebied en leveren informatie op over moment van traagheid, geometrie en symmetrie van het molecuul.

Toepassingen van rotatieniveaus omvatten het bepalen van moleculaire constants (zoals B_e en A, B, C), het identificeren van moleculen en isotopen, en het bestuderen van moleculaire structuur onder verschillende temperaturen en omgevingscondities.