Teil des Moduls M.Che.1302 (SoSe 2011)

Schwingungsspektroskopie und zwischenmolekulare Dynamik

Die Vorlesung (3 SWS, dienstags) ist eine von mehreren Wahlpflichtvorlesungen der Physikalischen Chemie im Master-Studiengang Chemie. Der erfolgreiche Besuch (Vorleistungen: Kurztests unmittelbar vor der nächsten Vorlesung und gelegentliches Vorrechnen in der Übungsstunde; Bewertung: Modulabschlussklausur) mindestens einer dieser Wahlpflichtvorlesungen ist Pflicht im Masterstudiengang Chemie. In der Regel werden im Wintersemester eine, im Sommersemester zwei der Wahlpflichtvorlesungen im Turnus angeboten.

Der Stoff dieser Wahlpflichtvorlesung eignet sich auch als Schwerpunktthema der Nebenfach-Promotionsprüfung bei M. Suhm. Die erste Hälfte der Vorlesung wird diesmal von Dr. Alexandra Domanskaya in englischer Sprache angeboten. Weitere Informationen zur Vorlesung finden sich im Stud.IP

Die Vorlesung findet ab 12.4. jeweils dienstags nach dem Kurztest (ab 10.00 Uhr) von 10.15-13.00 Uhr im HS IV statt.

Eine organisatorische Vorbesprechung findet am Donnerstag, dem 14.4., um 14.15 Uhr statt (Übungsgruppeneinteilung / Übungsstunden am Montag / optionale Fragestunde am Donnerstag).

Vorläufiges Vorlesungsprogramm (incl. Datum):

1. General concepts (12.4. in English)
   Classical oscillator, frequency interval of molecular vibrations, electromagnetic waves by oscillating dipole, transition dipole moment, multipolar expansion, interaction of molecules with electromagnetic radiation, Einstein’s coefficients, relation of Einstein’s coefficients with transition moments and observables, absorption line strengths, polarizability and scattering experiments, lineshape, natural, Doppler and pressure broadening.
2. Diatomic molecules (19.4. in English)
   Quantum oscillator, harmonic, Morse and Dunham potentials, rotating oscillator, selection rules, band formation, nomenclature, frequency analysis, Fortrat diagram, intensity analysis, rotationless matrix elements, dipole moment function, vibration-rotation coupling, Hermann-Wallis coefficients, hyperfine structure.
3. Polyatomic molecules (26.4. in English)
   Classical approach - vibrational problem from newtonian laws, secular equation, modes of vibration, normal modes, cartesian/mass-weighted or normal coordinates, quantum vibrational problem in the harmonic approximation, nomenclature of energy levels, degeneracy.
4. Symmetry and polyatomic molecules (3.5. in English)
   Symmetry operation, symmetry element, symmetry group: group properties, overview of major point groups, classification scheme, examples, optical activity, dipole moment and the symmetry of the molecule
5. Symmetry and polyatomic molecules-2 (10.5. in English)
   Point group character tables, selection rules, number of vibrational modes, symmetric and spherical top molecules, intensity distribution.
6. Anharmonic effects (17.5. in English)
   Anharmonicity and coupling constants, perturbation theory, Fermi-resonance, tunneling, Coriolis interaction, simultaneous transitions.
7. Experimental methods (24.5. in English)
   Principal parts of the absorption/Raman experiment, resolution, Rayleigh criterion, dispersion elements, prism, grating, Fourier transform spectrometer, main equation, resolution in FTIR, instrument function, apodisation function, aperture and resolution, optical filters, folding, FTIR advantages, overview of common commercial sources, detectors and beamsplitters.
8. Zwischenmolekulare Wechselwirkungen (31.5.)
   Elektrostatische Wechselwirkungen, Multipolentwicklung, Dipol, Quadrupol, potentielle Energie, Dipol-Ladung, Dipol-Dipol, thermische Mittelung, Dipol-Quadrupol, Quadrupol-Quadrupol, Induktion, Polarisierbarkeit, Dispersionswechselwirkungen
9. Strukturen von Molekülaggregaten (7.6.)
   Pauliabstoßung, Supermolekülrechnungen, Anisotropie in der Bindungsregion, Beispiel Ar-HX, Beispiel HX-HX, Wasserdimer, Quadrupol-Moleküle, Methoden zur Strukturbestimmung, Wasserstoffbrücken, Beiträge zur Bindungsenergie und Geometrie, Bedeutung, Richtwirkung, Oligomere, Festkörperstrukturen, Ringe und Käfige, Historie
10. Potentialhyperflächen und Schwingungsdynamik von Molekülaggregaten (14.6.)
    Lennard-Jones-Potential, Abschätzung der Topftiefe, van der Waals-Radien, Mischungsregeln, Buckingham-Potential, Partialladungen, Stockmayer-Potential, empirische Kraftfelder für die Molekülmechanik und die Biochemie, verfeinerte Modellpotentiale, Paarnäherung, Dreikörperkräfte, Induktion, Pauliabstoßung, Axilrod-Teller Term, Bedeutung von Mehrkörperkräften, Nullpunktsschwingung, He-Dimer, intermolekulare Schwingungen, Verschiebung intramolekularer Schwingungen, Beispiel Methanol, Intensitätsverstärkung, Prädissoziation, Franck-Condon Übergänge, Rotverschiebung und Bindungserstärkung, Verbreiterung von OH-Banden in Lösung, Tunnelaufspaltungen, Energiefluß nach Anregung
11. Experimentelle Methoden und Beispiele zur Clustererzeugung und Clusterspektroskopie (21.6.)
    Aggregation, Kondensation, natürliche Molekülaggregate, Aggregate in Lösung, Matrixisolation, Hüllstromkühlung, Überschallstrahlexpansion, IR-Spektroskopie, Absorptionsspektroskopie, Cavity Ring-Down Technik, Streuselektion, Wassercluster, Carbonsäurecluster, ionische Cluster, chirale Cluster, Cluster in Clustern
12. Matrix isolation method (28.6. in English)
    Main features, accessible temperatures, advantages, matrix hosts, matrix sites, annealing/irradiation, overview of possible applications: exotic molecules and radicals, spectroscopic studies of chemical reactions, kinetic measurements of tunneling processes, complexation and dimerization.
13. Verschiedenes (5.7.)
    Zeitabhängige Quantenzustände, Molekülsymmetriegruppen, Schwingungsmikroskopie, Molekularsoziologie (www.molekularsoziologie.de), Evaluation
14. Klausur(12.7.11, 10-13 Uhr)
    Klausur vom 12.7.2011 (PDF-Datei)
    frühere Klausuraufgaben (PDF-Datei)
    frühere Klausuraufgaben (PDF-Datei)
    frühere Klausuraufgaben (PDF-Datei)

Literaturempfehlung

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).

Ergänzende Literatur zu einzelnen Kapiteln:

1.+7.: Siehe Literatur zu PC 2.

W. Demtröder, Atoms, Molecules and Photons, Springer, Berlin, ISBN-13 978-3-540-20631-6

2. : J.F. Ogilvie The Vibrational and Rotational Spectrometry of Diatomic Molecules, Academic press. (Very specialized book, not recommended for actual reading but good as a reference in case of future work if one needs the full-scale formalism with all derivations and formulas).

4-5.: Zachmann Mathematik für Chemiker, Cotton Chemical Applications of Group Theory und Vincent Molecular Symmetry and Group Theory (einfach),
siehe auch http://symmetry.jacobs-university.de/
http://symmetry.otterbein.edu/index.html / - symmetry resources.
D. M. Bishop Group theory and chemistry, Dover publications.

3-6.: E. B. Wilson, Jr., J. C. Decius, P.C. Cross Molecular vibrations, Dover publications.

7..: Guide for infrared spectroscopy, Bruker. Small handy pfd, which help to orient in the optical materials.

7.-11.: Kleinermanns (Hrsg.) Bergmann/Schaefer Experimentalphysik, Bd. 5, Gase, Nanosysteme, Flüssigkeiten

8.+10.: Stone The Theory of Intermolecular Forces und Jeffrey An Introduction to Hydrogen Bonding

10.: C. Sandorfy, Kap. 13 in The Hydrogen Bond, Band 2, Hrsg. P. Schuster, G. Zundel, C. Sandorfy, 1976, North-Holland

11.: Scoles (Hrsg.) Atomic and Molecular Beam Methods; Martin A. Suhm, Hydrogen Bond Dynamics in Alcohol Clusters, Adv. Chem. Phys. 142 (2009) 1-57, doi:10.1002/9780470475935.ch1

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Revised 2011-07-13