Materie und Strahlung (CoSe 2020) - B.Che.1303

Vorlesung: Molekülzustände und ihre Spektroskopie

Die Vorlesung findet in diesem Semester pandemiebedingt als kompakte Stud.IP-Veranstaltung mit zwei Vorlesungsterminen pro Woche zwischen Ostern und Pfingsten statt, um in der zweiten Semesterhälfte und in der anschließenden vorlesungsfreien Zeit Flexibilität für evtl. dann besser durchführbare Praktika zu schaffen (2 SWS, Mo, 10.15 - 12.00 Uhr und 15.15 - 17.00 Uhr, erste Veranstaltung 20.4., letzte reguläre Veranstaltung 25.5., danach evtl. Übungsklausur). Freiwillige Themenergänzungen, wie sie in den Vorjahren angeboten wurden, entfallen diesmal zugunsten einer gründlichen Vermittlung der Grundlagen. Es wird eine Unterstützung durch Online-Übungsgruppen (Donnerstags 10.15 - 12.00 Uhr und nach Vereinbarung in den einzelnen Übungsgruppen) angeboten, in denen Lösungen zu Hausaufgaben und Fragen zur Vorlesung diskutiert werden. Die Vorlesungsmaterialien werden bei Stud.IP vor dem Termin bereitgestellt, eine Registrierung ist erforderlich. Während des benannten Vorlesungszeitraums gibt es Gelegenheit, Unklarheiten zu beseitigen und die Thematik im Chat zu vertiefen. Die aktuelle Lage bietet auch verstärkt Gelegenheit dazu, eine besonders leistungsfähige Lernmethode auszubauen, die im späteren Berufsleben immer wichtiger wird - das Selbststudium, z.B. unter Verwendung der angegebenen Literatur. Das Modul kann mit einer ausnahmsweise nur 2-stündigen Klausur (16.6.2020, 5.10.2020; Altklausurbeispiele) abgeschlossen werden. Fundierte Kenntnisse aus dem Modul B.Che.1402 werden vorausgesetzt, nützlich sind auch Kenntnisse in Statistischer Thermodynamik aus dem Modul B.Che.1304. In Klammern werden die geplanten Daten der entsprechenden Kapitel angegeben. Die Audiozusammenfassungen wurden von Patrick Suhm eingesprochen.

  1. Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung (20.4.)
    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 (Zusatzthema Besetzungsinversion und Astrochemie)
  2. Molekülzustände
    2.1.Harmonischer Oszillator (20.4.+27.4.)
    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 (Zusatzthema Animation der Quantendynamik)
    2.2.Starrer Rotator (27.4.)
    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 (Zusatzthema Nullpunktsenergie)
  3. Spektrometeraufbau und Spektroskopiearten
    3.1.Grundlagen und Techniken (4.5.)
    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 (Zusatzthema Probenpräparation)
    3.2.Rotationsspektren (4.5.+11.5.)
    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 (Zusatzthemen Fouriertransformation und Ammoniakmaser)
    3.3.Schwingungsspektren (11.5.+18.5.)
    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, (Zusatzthemen Spektreninterpretation und SERS)
    3.4.Atomspektren (18.5.)
    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 (25.5.)
    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.Konsequenzen des Kernspins (25.5.)
    Struktur und Drehimpuls der Atomkerne, Klassifikation, magnetisches Moment, Kernmagneton, Kern-g-Faktor, Hyperfeinaufspaltung, Pauli-Prinzip für äquivalente Kerne, Disauerstoff, Kohlenstoffdioxid, ortho- und para-Wasserstoff (in diesem Semester entfällt: 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)
  4. Übungsklausur (8.6.)

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)

P. F. Bernath, Spectra of Atoms and Molecules, 2nd ed., OUP, 2005, ISBN 978-0195177596 (zur Vertiefung, mit vielen Beispielen und Literaturangaben, ca. 60 EUR)

W. Demtröder, Atoms, Molecules and Photons, Springer 2. Aufl. 2010, ISBN 978-3642102974, ca. 90 EUR (aktueller weiterführender Text zu vielen Themen der Vorlesung)

W. Demtröder, Molekülphysik: Theoretische Grundlagen und Experimentelle Methoden, 2. Aufl. 2013, DeGruyter, ISBN 978-3-486-70678-9, ca. 70 EUR (deutschsprachiges weiterführendes Buch)

R. Feynman, R. Leighton, M. Sands: The Feynman Lectures on Physics, 1963ff, www.feynmanlectures.caltech.edu

H. Günzler, H.-U. Gremlich, IR-Spektoskopie - Eine Einführung, 4. Aufl., Wiley-VCH, 2003, ISBN 3-527-30801-6 (praktischer Leitfaden, nicht ganz fehlerfrei)

H. Haken, H. C. Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie, 5. Aufl., Springer, 2006, ISBN 978-3540303146, ca. 60 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]

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)

I. V. Hertel und C.-P. Schulz, Moleküle und Photonen - Spektroskopie und Streuphysik, 2010, Springer, ISBN 978-3-642-11972-9 (deutschsprachiges weiterführendes Buch)

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. 170 EUR sehr teuer, aber auch günstige Taschenbuchausgabe der 1. Auflage)

J.M. Hollas, Moderne Methoden in der Spektroskopie, Springer, 2000, ISBN 978-3540670087 (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), von der englischen Auflage bei Wiley, Modern Spectroscopy, ist die 4. Auflage für ca. 40 EUR lieferbar, ISBN 978-0470844168)

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

S. Weinberg, Lectures on Quantum Mechanics, 2015, ISBN 978-1107111660 (für Unerschrockene eine physikalische Sicht auf die Quantenmechanik, ca. 40 Euro)

Einige der oben genannten Bücher sind über die SUB als Ebook verfügbar:

(Um auf die Ebooks zugreifen zu können muss man sich entweder über Eduroam einwählen oder eine VPN-Verbindung zum Uni-Netzwerk herstellen.)

Datenbank zu Atomspektren: http://www.nist.gov/pml/data/asd.cfm/

Ein nützlicher Website: Quantum Physics Online

Weitere Auskünfte

msuhm@gwdg.de

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