우리가 접하고 감각하는 세상의 다양한 물체들은 분자 단위로 이해할 수 있고, 분자는 원자들리 결합되어 있습니다. 우리는 원자의 구조와 성질을 이해함으로써 화학적인 수준에서 세상을 잘 이해할 수 있습니다. 이토록 다채로운 세상과 신비로운 생명을 만드는 이 원소들은 어디서 왔을까요? 대부분의 원소들은 별과 관계가 있으며, 가장 가벼운 몇 개의 원소들은 우주가 생겨난 빅뱅 후 얼마 지나지 않아서 세상에 모습을 드러냈습니다.
원자와 원자 스펙트럼을 이해하고 원자가 결합한 분자의 특성을 알기 위해서 우리는 양자역학적 계산과 모형을 활용합니다. 고등학교까지의 공교육에서 원자와 분자를 이해하는 모형으로써 보어의 원자모형을 중심으로 설명하는 것은 적절해 보이지 않습니다. 유용하다고 하더라도 명백히 틀린 시각적 착각을 주는 것이며, 보어모형으로 설명할 수 없는 결합들도 적지 않습니다. 실제로 전자가 어느 특정한 궤도에 매에 있는 것처럼 표시된 보어의 원자모형과 달리 실제로 전자는 특정 위치에 있는 것이 아니라 에너지 상태에 따라서 다양한 형태의 확률분포를 갖습니다. 마치 구름처럼 보이기도 하는 것이지요.
분자는 여러 원자들이 결합한 것이고 각 원자는 결합이 유지된 상태에서 다른 원자에 대해 상대적으로 운동할 수 있습니다. 이러한 운동은 임의적이지 않고 원자가 어떠한 구조로 결합하여 어떠한 형태의 분자를 이루느냐에 따라 달라집니다. 즉, 분자의 구조에 따라 가능한 운동의 형태가 제한되며, 분자의 운동상태는 에너지 상태에 해당되어 우리가 직접 분자의 운동 혹은 분자의 구조를 관찰하지 못한다고 하더라도 분자에서 나오는 진동 스펙트럼을 관찰함으로써 분자의 구조를 추측할 수 있습니다. 원자의 스펙트럼이 원자의 지문 역할을 했던 것과 비슷하게, 분자의 스펙트럼은 분자의 형태를 알려주는 중요한 정보입니다. 실험적으로 적외선 분광법이나 라만 분광법을 이용하여 분자의 스펙트럼을 측정하고 분석하며, 분자의 대칭적 구조에 따라 가능한 운동형태(에너지 준위)를 군 이론(Group Theory)으로 알 수 있습니다.
