Wahlpflichtvorlesung (SS 2002)
Schwingungsspektroskopie und zwischenmolekulare Dynamik
Die Vorlesung (2 SWS + 1 SWS Proseminar) ist eine von derzeit 3 Wahlpflichtvorlesungen der Physikalischen Chemie (Elektronische Spektroskopie und Reaktionsdynamik, Schwingungsspektroskopie und zwischenmolekulare Dynamik, Physikalische Chemie fester Körper) im Hauptstudium und wird in diesem Semester zum ersten Mal angeboten. Der erfolgreiche Besuch (1 SWS Übung mit Kurztests und Hausaufgaben, Abschlussklausur) mindestens einer dieser Wahlpflichtvorlesungen ist Voraussetzung für die Anmeldung zur Diplomprüfung (Beginn der Diplomarbeit). 1-2 dieser Wahlpflichtvorlesungen werden in jedem Sommersemester angeboten.
Die Vorlesung findet Dienstags von 10.15-13.00 Uhr im HS IV statt
Geplantes Vorlesungsprogramm (incl. voraussichtlichem Datum, Änderungen vorbehalten):
- Schwingung in zweiatomigen Molekülen (9.4.)
Einführung in die Thematik der Vorlesung, Molekülschwingung, Korrespondenz von klassischem und quantenmechanischem Bild, harmonischer Oszillator, Morseoszillator, Wellenfunktionen, Energieniveaus, Infrarotspektrum, Rotationskonstanten, mechanische und elektrische Anharmonizität, Matrixelemente, Obertonintensitäten - Molekülsymmetrie I (16.4.)
Symmetrieoperation, Symmetrieelement, Symmetriegruppe, Gruppeneigenschaften, Punktgruppen, Symbole, Rotation, Spiegelung, Inversion, Drehspiegelung, Abelsche Gruppen mit maximal zweizähligen Achsen, Beispiele, Bestimmungsschema, Symmetrieeigenschaften von Moleküleigenschaften, Charaktere, Beispiel C2v, Charaktertafel, irreduzible Darstellungen, Mullikensymbole, Koordinatensysteme, Symmetrisierung - Molekülsymmetrie II (23.4.)
Weitere Abelsche Punktgruppen und ihre Charaktertafeln, Untergruppen, Symmetriezahl, Chiralität, Dipolmomente, Übergangsmomente, harmonischer Oszillator, Molekülschwingungen, Beispiel Wasser, Matrixdarstellung der Auslenkungen, Spur, reduzible Darstellungen, Ausreduktion, Translations-, Rotations- und Schwingungsfreiheitsgrade, Normalschwingungen, Symmetriereduktion, Auswahlregeln, Raman, IR, Molekülsymmetriegruppen - Normalschwingungen (30.4.)
Hamilton-Funktion, massengewichtete Verschiebungskoordinaten, Ähnlichkeitstransformation, Normalkoordinaten, Entartung, Streckschwingungen im CO2, Matrixnotation, symmetrische und antisymmetrische Streckschwingung, kinematische Kopplung, Valenzkraftkonstanten, Gruppenschwingungen, Fingerprintbereich - Anharmonische Effekte (7.5.)
Anharmonizitätskonstanten bei mehratomigen Molekülen, Fermiresonanz, Kopplungsmatrixelement, Lösung des 2x2 Problems, Grenzfälle, Charakter der Wellenfunktionen, Beispiel CO2, Termschema, Variationsrechnungen, Potentialhyperflächen und Koordinatenwahl, Stand der Technik, Diffusions Quanten Monte Carlo, Prinzip, Herleitung aus der zeitabhängigen Schrödingergleichung, Transportgleichungsanalogie, Doppelminimumpotential, Tunnelaufspaltung und Periode, Ringinversionspotential, Torsionspotential - Experimentelle Methoden der Schwingungsspektroskopie (14.5.)
Anwendungsbereich, Historisches, IR, Raman, Neutronenstreuung, Fluoreszenz, Detektoren, photovoltaische und thermische Detektoren, Detektorrauschen, Wirkungsquerschnitt, Lambert-Beer, Lichtquellen, thermische Strahler, durchstimmbare Laser, optische Materialien, FTIR-Spektrometer - Zwischenmolekulare Wechselwirkungen (28.5.)
Elektrostatische Wechselwirkungen, Multipolentwicklung, Dipol, Quadrupol, potentielle Energie, Dipol-Ladung, Dipol-Dipol, thermische Mittelung, Dipol-Quadrupol, Quadrupol-Quadrupol, Induktion, Polarisierbarkeit, Dispersionswechselwirkungen - Strukturen von Molekülaggregaten (4.6.)
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 - Potentialhyperflächen und Schwingungsdynamik von Molekülaggregaten (11.6.)
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 - Molekülschwingungen in kondensierter Materie (18.6. , R. Signorell)
Kondensierte Materie: Typen, Kristallgitter, Symmetrie, interne-externe Moden; Excitonenmethoden für zwischenmolekulare Kopplungen: ausgedehnter Festkörper, Randeffekte, Verunreinigungen; Kontinuumsmodelle; dielektrische Funktion - Experimentelle Methoden und Beispiele zur Clustererzeugung und
Clusterspektroskopie (25.6.)
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 - Klausur (2.7.)
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.+6.: Siehe Literatur zu PC 2.
2.+3.: Zachmann Mathematik für Chemiker und Cotton Chemical Applications of Group Theory
4.+5.: Wilson, Decius, Cross Molecular Vibrations
7.+9.: Stone The Theory of Intermolecular Forces und Jeffrey An Introduction to Hydrogen Bonding
11.: Scoles, Hrsg. Atomic and Molecular Beam Methods