PC-3-P Materie und Strahlung (SoSe 2010) B.Che.1303

Vorlesung: Molekülzustände und ihre Spektroskopie

Die Vorlesung (2 SWS, Mo., 10.15 - 12.00 Uhr, MN30) vermittelt zusammen mit den Übungen (1 SWS, Do, 10.15-11.00 mit Erweiterungsmöglichkeit/Tutorium 11.15-12.00 Uhr) und einem gründlichen Selbststudium unter Verwendung der angegebenen Literatur den Prüfungsstoff des Moduls Che.1303 "Materie und Strahlung". Das Modul kann mit einer Klausur (19.7.10 (pc3p2010s_klausur-a.pdf) oder 11.10.10 (pc3p2010s_klausur-b.pdf), jeweils 10.00-13.00 Uhr) abgeschlossen werden, wenn Vorleistungen in ausreichendem Umfang (Kurztests, Übungsaufgaben) erbracht wurden. Fundierte Kenntnisse aus dem Modul ThC-P werden vorausgesetzt, nützlich sind auch Kenntnisse in Statistischer Thermodynamik aus dem Modul PC-2-P. In Klammern werden die Daten der entsprechenden Kapitel angegeben.

Achtung: auf Grund der Verschiebung der Vorlesungszeit und des Ostermontags findet die erste Vorlesung im Hörsaal MN28 am Donnerstag nach Ostern (8.4.) im Zeitfenster der Übungen/Tutorien (10.15-12.00 Uhr) statt. Weitere Informationen finden sich rechtzeitig im Stud.IP, eine Registrierung für die Veranstaltung wird dringend empfohlen.

  1. Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung (8.4.)
    Planck-Einstein-Beziehung, Welle-Teilchen-Dualismus, elektromagnetisches Spektrum, Einstein-Theorie, Absorption, spontane und induzierte Emission, Plancksche Strahlungsformel, Rayleigh-Jeans-Gesetz, Fluoreszenzlebensdauer, Nettoabsorption, Laserprinzip, Übergangsdipolmoment, Auswahlregeln, Laporte-Verbot
  2. Molekülzustände
    2.1.Harmonischer Oszillator (12.4.+19.4.)
    Teilchen im 1D-Kasten, Beispiele, Lösungsansatz, Quantisierung durch Randbedingungen, stationäre Zustände, Nullpunktsenergie, Korrespondenzprinzip, Superpositionsprinzip, Zustandssumme, Entartung, endlich hohe Wände, Tunneleffekt, Beispiele, harmonischer Oszillator, Kraft und Potential, Hamiltonfunktion und -operator, Heuristik für den Grundzustand, Hermitesche Differentialgleichung, Hermitepolynome, Rekursionsformel, Wellenfunktionen und Eigenwerte, Normierung, Korrespondenz Schwingungsfrequenz/Anregungsfrequenz, klassische Umkehrpunkte, Knotenzahl, zeitabhängige Schrödingergleichung, Phasenfaktor, Zeitentwicklung einer linearen Überlagerung
    2.2.Starrer Rotator (26.4.)
    Teilchen im 2D-Kasten, konstanter Radius, zyklische Randbedingungen, Energieeigenwerte, Wellenfunktionen, klassische Rotation, Winkelgeschwindigkeit, Drehimpuls, Trägheitsmoment, 3D-Rotation, Kugelflächenfunktionen, Raum- und Betragsquantisierung des Drehimpulses, Energieeigenwerte und Entartung des linearen Rotators, Symmetriezahl
  3. Spektrometeraufbau und Spektroskopiearten
    3.1.Grundlagen und Techniken (3.5.)
    Aufbau eines Spektrometers, Lambert-Beer Gesetz, Transmission, Absorbanz, Absorptionskoeffizient, Absorptionsquerschnitt, Gitterspektrometer, Auflösung, Dispersion, Fourier-Transformationstechniken, Pulsanregung und freier Induktionszerfall, Michelson-Interferometer, Interferogramm, Fourierpaar, Multiplex- und Jacquinot-Vorteil
    3.2.Rotationsspektren (10.5.+17.5.)
    Trägheitsmomente, Trägheitstensor, lineare, sphärische, symmetrische und asymmetrische Kreisel, Termformel linearer Rotator, übergeordnete und spezifische Auswahlregeln, Übergangsdipolmoment, Entartung, Population, induzierte Emission, Linienstärke, quadratischer Starkeffekt, Schwingungsmittelung der Rotationskonstante, Zentrifugalverzerrung, Quantenzahlen für symmetrische Kreisel, Termformeln, Energieniveaus für spitze und flache Kreisel, Auswahlregeln, Entartung, Grenzfall sphärischer Kreisel, Ausblick asymmetrische Kreisel, Linienbreite, inhomogene und homogene Verbreiterungsmechanismen, Dopplerverbreiterung, Lamb-dip-Spektroskopie, Lorentzprofil, Lebensdauer- und Druckverbreiterung, instrumentelle Verbreiterung, Sättigungsverbreiterung, Generierung von Mikrowellenstrahlung, FTMW-Technik, Mikrowellenherd, Ammoniak-Maser
    3.3.Schwingungsspektren (31.5.+7.6.)
    Harmonischer Oszillator, Termformel, Auswahlregeln, Dipolfunktion, elektrische und mechanische Anharmonizität, Obertöne, Morse-Potential, Termformel, Birge-Sponer-Extrapolation, größere Moleküle, Symmetrisierung von Valenzschwingungen, Normalschwingungen, Grenzen des Normalschwingungsmodells, Gruppenschwingungen, Gerüstschwingungen, Schwingungsrotationsübergänge, P,Q,R-Zweige, Rotations-Schwingungskopplung, Intensitätsverteilung, Parallel- und Senkrechtbanden, Ramanstreuung, Stokes- und Antistokes-Übergänge, Polarisierbarkeit, Auswahlregeln, O,S-Zweige, IR/Raman-Ausschlussregel, Resonanz-Ramaneffekt
    3.4.Atomspektren (14.6.)
    Elektronenkonfiguration, Na-Dublett, Bahndrehimpuls und magnetisches Dipolmoment, magnetogyrisches Verhältnis, Bohrsches Magneton, Zeemaneffekt, Stern-Gerlach Experiment, Elektronenspin, Landéfaktor, Spin-Bahn-Kopplung, Vektoraddition, Kopplungskonstante, Na D-Linien, Vektormodell, Russel-Saunders-Kopplung und jj-Kopplung als Grenzfälle, Beispiel p2-Konfiguration, Clebsch-Gordan-Serie, Ausstreichschema, Termnotation, Hundsche Regeln, Atomspektren, Auswahlregeln, Interkombinationsverbot, Laporte-Regel, Beispiel Hg
    3.5.Elektronische Molekülspektren (21.6.)
    Komplexität durch Kopplung mit Rotations- und Schwingungsübergängen, Grenzen der Born-Oppenheimer-Näherung, generelle Auswahlregeln, Franck-Condon-Faktoren, diskrete und Kontinuumsspektren, Chromophore, Übergangsmetallkomplexe, Charge-Transferbanden, elektronische Anregung organischer Moleküle, Strahlungs- und strahlungslose Prozesse in elektronisch angeregten Molekülen, Lumineszenz, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Interkombination, innere Umwandlung, Jablonski-Diagramm, Photodissoziation, Prädissoziation, Lasergrundlagen, Nd-YAG Laser, andere Lasertypen
    3.6.Magnetische Resonanz (28.6.+5.7.)
    Struktur und Drehimpuls der Atomkerne, Klassifikation, magnetisches Moment, Kernmagneton, Kern-g-Faktor, Hyperfeinaufspaltung, Pauli-Prinzip für äquivalente Kerne, Disauerstoff, Kohlenstoffdioxid, ortho- und para-Wasserstoff, Kernspinresonanz im Magnetfeld, Anregung mit Larmorfrequenz, Frequenz- und Pulstechniken, Chemische Verschiebung, Abschirmungskonstante, interner Standard, Spin-Spin-Kopplung, Kopplungskonstante, Kopplung durch den Raum, Fermikontaktwechselwirkung, Multiplettstruktur, Korrespondenz zum klassischen Präzessionsbild, rotierendes Koordinatensystem, Pulstechnik, Fourier-Transformation, Spin-Spin- und Spin-Gitter-Relaxation, T1-Messung, Echoexperiment für T2-Messung, Ausblick auf moderne Techniken, Ausblick auf Elektronenspinresonanz

Klausurvorbereitung

Zur Klausurvorbereitung hier eine frühere Klausur (Text der Klausur (PDF))

Literaturempfehlungen

Ein gutes allgemeines Lehrbuch der Physikalischen Chemie (Berry/Rice/Ross, McQuarrie/Simon, Atkins, Wedler, Alberty/Silbey, Moore/Hummel, ...) reicht mehrheitlich aus. Bei angelsächsischen Autoren ist in der Regel die englischsprachige Originalausgabe zu empfehlen (Preis, Aktualität, wichtige Sprachübung).

Auswahl ergänzender, weiterführender und vertiefender Literatur (alphabetisch, subjektiv):

C.N. Banwell, E.M. McCash, Molekülspektroskopie - Ein Grundkurs, Oldenbourg 1999, ISBN 3-486-24507-3, ca. 50 EUR (einfacher Zugang zu vielen Themen der Vorlesung, insbesondere Energiezustände und Spektroskopie; kommt mit wenig Mathematik aus, allerdings stellenweise etwas eigenwillig oder zu stark vereinfacht)

W. Demtröder, Atoms, Molecules and Photons, Springer 2005, ISBN 978-354020631-6, ca. 75 EUR (aktueller weiterführender Text zu vielen Themen der Vorlesung)

H. Haken, H. C. Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie, 5. Aufl., Springer, 2006, ISBN 978-3540303146, ca. 50 EUR (Quantentheorie, chemische Bindung, physikalische Eigenschaften, vor allem Molekülspektroskopie - sehr gründlich, mit 300 schönen Abbildungen) [evtl. zusätzlich von denselben Autoren: Atom- und Quantenphysik, 8. Aufl., Springer, 2008, ISBN 978-3540026211, ca. 50 EUR]

G. Herzberg, Molecular Spectra and Molecular Structure, Bd. I-III, van Nostrand, 1945-66 (Klassiker der Molekülspektroskopie)

J.M. Hollas, High Resolution Spectroscopy, 2nd ed., Wiley, 1998, ISBN 978-0471974215 (moderner und gründlicher Überblick über genaue spektroskopische Methoden für Fortgeschrittene, leider mit ca. 130 EUR sehr teuer)

J.M. Hollas, Moderne Methoden in der Spektroskopie, Springer, 1995, ISBN 3540670084 (sehr lesenswert, falls man sich etwas genauer mit spektroskopischen Methoden und ihren Anwendungen beschäftigen möchte; kompakter und mit ca. 50 Euro erschwinglicher als der Klassiker "High Resolution Spectroscopy" (siehe oben), aber derzeit möglicherweise vergriffen, von der englischen Auflage bei Wiley, Modern Spectroscopy, ist die 4. Auflage für ca. 40 EUR lieferbar, ISBN 978-0470844168)

T. Heine, J.-O. Joswig, A. Gelessus, Computational Chemistry Workbook, Wiley-VCH, 2009, ISBN 978-3-527-32442-2 (einige Dinge etwas inkonsistent, aber interessanter Ansatz mit freeware-Programmen auf der Begleit-CD)

Datenbank zu Atomspektren: http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD1/

K.P. Huber, G. Herzberg, Bd. IV - Constants of Diatomic Molecules, 1979 (Spektroskopische Daten zu zweiatomigen Molekülen; siehe auch webbook.nist.gov/chemistry)

Ein nützlicher Website: Quantum Physics Online

Weitere Auskünfte

msuhm@gwdg.de

Suhm group homepage

Revised 2010-10-25