ויברציה של מולקולה
אינטראקציה עם אור > ספקטרוסקופיה ויברציונית

כיוון שלכל מולקולה ישנם תדרי ויברציה מוגדרים היטב, על ידי מדידת הספקטרום התת-אדום של מולקולה והשוואה לחישובים ניתן לזהות מולקולות, וכן למדוד תכונות כגון צורת משטח הפוטנציאל של המולקולה, הטמפרטורה של המולקולה ושכיחות האיזומרים. מדידות אלו מהוות כלי חשוב של הכימיה האנליטית למדידת תכונות של חומרים במעבדה. תצפיות אסטרונומיות בתת-אדום מאפשרות זיהוי של מולקולות בכוכבים ובחלל הבין כוכבי, מדידת טמפרטורה של גופים אסטרונומיים, ומציאת כוכבי לכת.
הספקטרוסקופיה בתת-אדום נעשית באמצעות ניסויי פליטה - שבהם נמדד ספקטרום האור הנפלט על ידי מולקולה, וניסויי בליעה - שבהם נמדדת כמות האור הנבלעת על ידי המולקולה. מכיוון שתדר האור הנפלט/נבלע על ידי מולקולות מתאים בדיוק להפרשי הרמות הוויברציונית - ניסויים אלו מהווים דרך ישירה למדידה של הפרשי רמות אלו. כמו כן מתוך הספקטרום התת-אדום ניתן למדוד את המבנה משטח הפוטנציאל של המולקולה, ולהסיק את הטמפרטורה שלה. השוואה של מדידות בתת-אדום לתאוריה מאפשרת זיהוי של מולקולת במעבדה, והשוואה של ספקטרום הנמדד בחלל לספקטרום מחושב או ספקטרום שנמדד במעבדה מאפשר זיהוי מולקולות בחלל. בשיטה זאת זוהו מולקולות רבות, בין היתר זוהו חומצות אמינו באבק הבין כוכבי, תגלית שהעלתה תאוריות חדשות על מוצא החיים.
ניתן גם למדוד את הספקטרום הוויברציוני של מולקולות בשיטות שאינם ישירות. במדידה של הספקטרום האלקטרוני של מולקולות (שנמצא בתחום האור הנראה והאולטרא-סגול) המתאים למעברים בין רמות אלקטרוניות שונות, הקו הבולט ביותר בספקטרום מתאים למעבר מרמת היסוד הוויברציוני של רמה אלקטרונית אחת לרמת היסוד הוויברציונית של הרמה האלקטרונית השנייה, אך ישנם קווים נוספים המתאימים למעברים ויברוניים (Vibronic), שמתאימים לשינויים ברמה האלקטרונית והוויברציונית של המולקולה. כתוצאה מכך ספקטרום המולקולות מורכב יותר מהספקטרום של אטומים, וככל שהמולקולה גדולה יותר כך נוספות עוד ועוד קווים לספקטרום האלקטרוני - ובסופו של דבר כל רמה אלקטרונית הופכת לפס ספקטרלי (Spectral band). שיטות נוספות למדידת אכלוס ויברציוני הם בספקטרוסופיית פעולה (Action spectroscopy) - בהם מולקולה מתפרקת ותוצרי ההתפרקות נמדדים באמצעות גלאים. כך לדוגמה בספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים, האנרגיה הקינטית של אלקטרונים הנפלטים ממולקולה נמדד לאחר בליעת פוטון - ובספקטרום זה מופיעים קווי בליעה המתאימים למעברים ויברוניים. בליעה של פוטון בודד בתחום תת-אדום, באופן כללי איננה מספיקה בשביל להביא להתפרקות של מולקולות, אך ניתן למדוד את הספקטרום הויברציוני באמצעות ניסוי דו-פוטוני הכולל פוטון בתת-אדום ופוטון באור הנראה. שיטה נוספת מבוססת על הצמדה של אטום מגז אציל (לרוב ארגון) למולקולה - ובמקרה זה בליעה של פוטון בודד מספיקה בשביל לשחרר אטום זה.
בניסויים של התפוצצות קולום (Coulomb Explosion) כל האלקטרונים נתלשים מעל מולקולה, באמצעות מעבר דרך רשת, או פולס לייזר חזק- וכתוצאה מכך הגרעינים דוחים זה את זה ומתרחקים. מנקודות הפגיעה של הגרעינים על גלאי ניתן לשחזר את פונקציית הגל הוויברציונית של המולקולה.
.
שיטה חשובה למדידת הספקטרום הוויברציוני של מולקולות היא ספקרוסקופיית ראמאן. שיטה זאת מבוססת על תהליך לא ליניארי דו פוטוני, בפיזור רמאן ספונטני ניתן לבחון ספקטרום ויברציוני, רוטציוני ועוד אופני תנודה נמוכים של מערכות מולקולריות. תהליך רמאן נוצר על ידי התנגשויות לא אלסטיות (פיזור רמאן) של אור מונוכרומטי, אשר לאחר מעבר בדגימת חומר מכיל רכיבים (צבעים) נוספים בספקטרום אשר הפרש האנרגיות ביניהם לאור המונוכרומטי תואמת את רמות הוויברציה או הרוטציה של המולקולות בדגימה. ספקטרוסקופיית רמאן נבדלת מספקטרוסקופיה בתת-אדום (IR) בין השאר בכך שאינה דורשת שינוי של מומנט הדיפול (ולכן אופני תנועה סימטריים אינם נצפים ב-IR), בספקטרוסקופיית רמאן ניתן לבצע את מדידות האנרגיה בתחום הנראה דבר המאפשר לבצע דגימות גם דרך נוזלים, במיוחד מים.
כמות המולקולות שמעוררות בתהליך רמאן קטנה בכמה סדרי גודל מפיזור ריילי ולכן נהוג להשתמש גם בתהליך רמאן מאולץ שבו המולקולה מוארת בעזרת שני אורכי גל שהפרשם מעורר את המולקולה. במקרה זה בליעה מתרחשת כאשר ההפרש בין האנרגיה של שני הפוטונים הפוגעים מתאים בדיוק למעבר ויברציוני. שיטת ה-ILSRS מאפשרת מדידת ספקטרום ויברציוני של תחום תדרים רחב של מולקולות גמישות, בשיטה זו ניתן להבחין בין תדרי ויברציה של מבנים שונים של אותה מולקולה (איזומרים שונים).
כיוון שהזמן האופייני לוויברציות במולקולות הוא בסקאלה של פמטו-שניות, עם פיתוחם של לייזרים שאורך הפולס שלהם הוא פמטו-שניות, נפתח תחום חדש בחקר הוויברציות של מולקולות. סוג הניסויים הנפוץ ביותר בתחום זה קרוי Pump-probe, שבו המולקולה מעוררת על ידי פולס לייזר ראשון (Pump), ולאחר השהייה היא נמדדת על ידי פולס לייזר שני (Probe). על ידי סריקת הזמן שבין שני הפולסים ניתן לעקוב אחר התפתחות הוויברציות במולקולה. תחום נגזר מניסויים אלו הוא תחום השליטה הקוהרנטית - התקווה היא שניתן על ידי תכנון נכון של פולסים של לייזר להגיע לשליטה על התנהגותה של המולקולה. לדוגמה ניסויים ותאוריה מראים שבמקרים מסוימים על ידי שליטה בזמן שבין שני פולסי לייזר הפוגעים במולקולה ניתן לפרק אותה במקומות שונים. התחום העוסק בשליטה שכזאת קרוי 'שליטה קוהרנטית' (Coherent Control).