Teil des Moduls M.Che.1302 (WS 2009/10)

Schwingungsspektroskopie und zwischenmolekulare Dynamik

Die Vorlesung (3 SWS, freitags) ist eine von derzeit 4 Wahlpflichtvorlesungen der Physikalischen Chemie (Elektronische Spektroskopie und Reaktionsdynamik, Schwingungsspektroskopie und zwischenmolekulare Dynamik, Physikalische Chemie fester Körper, Chemie und Physik von Grenzflächen) im Diplom-Hauptstudium oder im Master-Studiengang Chemie. Der erfolgreiche Besuch (1 SWS Übung mit Hausaufgaben und Vorrechnen, wöchentlicher Kurztest, Abschlussklausur) mindestens einer dieser Wahlpflichtvorlesungen ist Voraussetzung für die Anmeldung zur Diplomprüfung (Beginn der Diplomarbeit) und 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. Teile der Vorlesung werden vorbehaltlich eines Widerspruchs von Teilnehmerseite in englischer Sprache angeboten. Weitere Informationen zur Vorlesung finden sich im Stud.IP

Die Vorlesung findet freitags nach dem Kurztest (ab 9.15 Uhr) von 9.30-12.15 Uhr im HS IV statt.

Eine Vorbesprechung zur Vorlesung fand am Mittwoch, den 21.10., um 9.15 Uhr statt (Übungsgruppeneinteilung/Übungsstunden/optionale Fragestunde).

Vorläufiges Vorlesungsprogramm (incl. Datum):

  1. Schwingung in zweiatomigen Molekülen (23.10.)
    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, Verlet-Algorithmus
  2. Molecular symmetry I (30.10., in English)
    symmetry operation, symmetry element, symmetry group, group properties, point groups, symbols, proper rotation, reflection, inversion, improper rotation, abelian groups with at most two-fold axes, examples, classification scheme, other symmetry groups and their classification
  3. Molecular symmetry II (6.11., in English)
    symmetry properties of molecular properties, characters, example C2v, character table, irreducible representations, Mulliken symbols, coordinate systems, symmetrization, further abelian groups and their character tables, subgroups, symmetry number, chirality, dipole moments, transition dipole moments, harmonic oscillator
  4. Molecular symmetry III (13.11., in English)
    molecular vibrations exemplified for water, matrix representation of atomic displacements, trace, reducible representations and their reduction, translational, rotational and vibrational degrees of freedom, normal modes, symmetry reduction, selection rules, Raman, IR, C3v, degenerate representations, molecular symmetry groups
  5. Normalschwingungen (20.11.)
    Hamilton-Funktion, massengewichtete Verschiebungskoordinaten, Ähnlichkeitstransformation, Normalkoordinaten, Entartung, Streckschwingungen im CO2, Matrixnotation, symmetrische und antisymmetrische Streckschwingung, kinematische Kopplung, Valenzkraftkonstanten, Gruppenschwingungen, Fingerprintbereich
  6. Anharmonische Effekte (27.11.)
    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
  7. Experimentelle Methoden der Schwingungsspektroskopie (4.12.)
    Anwendungsbereich, Historisches, IR, Raman, Neutronenstreuung, Fluoreszenz, Detektoren, photovoltaische und thermische Detektoren, Detektorrauschen, Wirkungsquerschnitt, Lambert-Beer, Lichtquellen, thermische Strahler, durchstimmbare Laser, optische Materialien, FTIR-Spektrometer
  8. Zwischenmolekulare Wechselwirkungen (11.12.)
    Elektrostatische Wechselwirkungen, Multipolentwicklung, Dipol, Quadrupol, potentielle Energie, Dipol-Ladung, Dipol-Dipol, thermische Mittelung, Dipol-Quadrupol, Quadrupol-Quadrupol, Induktion, Polarisierbarkeit, Dispersionswechselwirkungen
  9. Strukturen von Molekülaggregaten (18.12.)
    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 (8.1.)
    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 (15.1.)
    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. Hydrogen Bonding in Alcohol Clusters (22.1.)
    Vibrational spectroscopy of alkanols in supersonic jets
  13. Zeitabhängige Schwingungswellenfunktionen, FTIR-Mikroskopie, Evaluation (29.1.)
  14. Klausur (5.2.10, 9-12 Uhr)
    Klausuraufgaben (PDF-Datei)
    frühere Klausuraufgaben (PDF-Datei)

Klausur im SS 10: 6.4.10, 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.

2.-4.: 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/

5.+6.: Wilson, Decius, Cross Molecular Vibrations

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

12.: 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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