Estudo da estrutura das moléculas
Física molecular é a parte da Física que se dedica aos estudos da estrutura da molécula, das propriedades físicas moleculares e das ligações químicas. Seu campo inclui os estudos relacionados à estrutura atômica da matéria e sua interação com o meio ambiente.
A Física molecular estuda também a área de espalhamento de elétrons por moléculas lineares, alguns tipos de moléculas não lineares e também alguns tipos de átomos. Esse campo abrange as dinâmicas e reações, as interações de dispersão tratados como campos eletromagnéticos de arrefecimento estático e dinâmico, a interferometria atômica.
Estabelecendo estreita relação com a biologia, com a físico-química, com a óptica e a física atmosférica, a física molecular desempenha um papel essencial na resolução de questões fundamentais no estudo de átomos e moléculas.
Interpretação microscópica da ligação atômica do dióxido de carbono,
molécula composta por 2 átomos de oxigênio e 1 átomo de carbono. (Foto: Wikimedia Comonns)
A física molecular tem por finalidade compreender as leis fundamentais da física que regem o comportamento das moléculas, a radiação eletromagnética e suas interações com agentes externos, como os efeitos de solventes e o campo eletromagnético.
A física molecular passou a ser analisada com o início dos estudos da física de partículas, por volta de 1927. A partir de então a mecânica quântica passou a ser usada para descrever as estruturas de átomos e moléculas.
Através da mecânica quântica foi possível descrever o modelo fundamental da estrutura molecular, prevendo, corretamente a geometria de equilíbrio experimental, bem como a forma e a estrutura experimental da nuvem eletrônica.
Conceitos fundamentais para física molecular
Para entender a física molecular é necessário entender os conceitos de alguns elementos estudados por ela, como os átomos e as moléculas
Átomos
O átomo é um componente básico da matéria formado por um núcleo central de carga elétrica positiva, onde estão os prótons e nêutrons, envolto por uma nuvem de elétrons de carga negativa. Seus elétrons se ligam ao núcleo através da força magnética.
Os átomos são classificados de acordo com o número de prótons e de elétrons. Os número de prótons determina o elemento químico do átomo e o número de nêutrons determina o isótopo desse elemento.
Os átomos com o mesmo número de prótons e elétrons é considerado eletricamente neutro, um átomo que possui número de prótons ou nêutrons diferentes tem carga positiva ou negativa. Esses átomos que possuem carga elétrica recebem o nome de íon.
Os átomos têm a sua estrutura e as suas propriedades descritas pela mecânica quântica. Através das ligações químicas, os átomos se ligam entre si e formam uma molécula.
Molécula
A formação de uma molécula se dá mediante a ligação entre dois ou mais átomos, através de uma ligação covalente. A composição molecular é eletricamente neutra, portanto, ela exclui todos os metais, uma vez que eles são constituídos por inúmeros átomos de um único elemento, ligados através de ligação metálica.
As substâncias como os sais também estão fora da lista das moléculas, pois os átomos dessas substâncias se ligam através de ligações iônicas. Isso ocorre porque a ligação de um único átomo ligado via ligação iônica impede que ela seja classificada como molécula, ainda que os demais elementos estejam ligados por ligações covalentes.
As substâncias simples constituídas por elementos químicos da coluna 8A da tabela periódica, os chamados gases nobres, também não são consideradas moléculas. Isso porque seus átomos se ligam uns aos outros através atrações elétricas resultante de dipolos elétricos.
Divisão da física molecular
A física molecular se divide em duas partes devido à complexidade que há na união entre moléculas e átomos. A primeira parte é a teórica e tem como objetivo estudar o cálculo na seção colisão entre elétrons e moléculas através de impacto eletrônico, estudando também a probabilidade dos choques ocorrerem ou não.
Em relação à parte experimental, a física molecular utiliza uma máquina calibrada para medir a fragmentação ou ionização de moléculas que serão alvo de impacto eletrônico. Para analisar os cálculos na seção de choque das moléculas, são utilizados os seguintes métodos:
• Método variacional de Schwinger interativo (MVSI) – usado para o cálculo de seção de choque no espalhamento elástico, no qual, a colisão entre as moléculas pode ou não completar a primeira aproximação de Bohr;
• Método das ondas distorcidas (MOD) – utilizado para calcular a seção de choque no espalhamento inelástico, no qual ele pode ou não completar com a primeira aproximação de Bohr;
• Método das frações continuadas (MFC) – utilizado para o cálculo da seção de choque tanto no espalhamento elástico quanto no inelástico.