Rotationsspektren

Rotationsspektren sind Spektren, die durch Rotationsübergänge von Molekülen entstehen und typischerweise im Mikrowellen- oder Submillimeterbereich beobachtet werden. Sie sind besonders ausgeprägt bei polaren Molekülen mit einem permanenten Dipolmoment, da Rotationsübergänge eine Änderung des Dipolmoments erfordern. Das Spektrum lässt sich gut mit dem starren Rotor modell erklären, wobei die Rotationsenergien und Übergänge durch molekulare Trägheitsmomente bestimmt werden.

Für lineare Moleküle gilt die Rotationsenergie E_J = B J(J+1) mit J = 0, 1, 2,… und dem Rotationskonstanten B = h/(8π^2 I c), wobei I das Trägheitsmoment ist. Die Übergänge J → J+1 erfüllen die Selektionsregel ΔJ = +1 und erzeugen Linien mit wavenumber ν̃_J = 2B(J+1). Die Linienabstände sind somit nahezu konstant und approximativ gleich 2B.

Bei nichtlinearen Molekülen (symmetrische und asymmetrische Topologie) wird das Spektrum komplexer. Neben J treten hier weitere Quantenzahlen auf (z. B. K, in bestimmten Fällen J, K, K_a, K_c), und die Energien hängen stärker von der Topologie und den Drehachsen ab. Die Auswahlregeln hängen von der Orientierung des Dipolmoments ab und führen zu unterschiedlich gestaffelten Linienmustern, die oft in Form von P-, Q- und R-ähnlichen Gruppen auftreten.

In der Praxis liefern Rotationsspektren direkte Informationen über Trägheitsmomente, Bondlängen und die geometrische Anordnung eines Moleküls. Aus den Rotationskonstanten lassen sich Strukturen ableiten; zusätzlich beeinflussen Temperatur, Druck und Kernspinfaktoren die Linienpositionen und -intensitäten. Anwendungen finden sich in der Bestimmung neuer Moleküle, in der Molekülverifikation sowie in der Quantenchemie und der Atmosphärenforschung.