Modul M.Che.1311 (WiSe 2024/25, 6Cr, Plan)

Schwingungsspektroskopie und zwischenmolekulare Dynamik

(Vibrational Spectroscopy and Intermolecular Dynamics)

Die Vorlesung (3 SWS, Mittwochs, 10-13 Uhr, MN30, Beginn 23.10.24) ist eine von derzeit bis zu 6 Wahlpflichtvorlesungen der Physikalischen Chemie im Master-Studiengang Chemie. Die regelmäßige aktive Teilnahme an der parallel angebotenen Übungsstunde (Mo, 14-16 oder Mi 16-18 Uhr, dort werden selbständig bearbeitete Hausaufgaben vorgerechnet und diskutiert) wird dringend empfohlen, um an einer Abschlussklausur (180 min, am 05.02.2025 und am 03.03.2025 ab 10 Uhr geplant) erfolgreich teilzunehmen. Ein wenigstens einmaliger aktiver Beitrag in einer Übungsstunde ist für alle Beteiligten sehr sinnvoll und daher wünschenswert. Zusätzlich wird wöchentlich ein freiwilliger Multiple Choice Test (Stud.IP) angeboten. Das nächste Angebot dieser spezifischen Wahlpflichtvorlesung ist für das WiSe 2025/26 geplant (dann voraussichtlich noch einmal in deutscher Sprache). Für Doktoranden in GAUSS wird im Rahmen des Moduls P.Che.1311 (3 Cr) die Möglichkeit geboten, eine mündliche Abschlussprüfung mit Bezug zum eigenen Promotionsthema abzulegen. Über eine zukünftige Hörervariante (2 Cr, nur Teilnahme an der Vorlesung, wöchentliche Kurzzusammenfassung mit einem Literaturzitat) wird nachgedacht. Weitere Informationen zur Vorlesung finden sich unter Stud.IP.

WICHTIG: Eine kurze organisatorische Vorbesprechung zur Vorlesung findet am Mittwoch, dem 23.10., ab 10.05 Uhr im MN30 statt.

Vorlesungsprogramm (inkl. 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
  2. Molecular symmetry I (30.10., optionally 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, subgroups, classification scheme, other symmetry groups and their classification
  3. Molecular symmetry II (06.11., optionally 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., optionally 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 (04.12.)
    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 (08.01.)
    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 t-Butylalkohol, 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 (15.01.)
    Aggregation, Kondensation, natürliche Molekülaggregate, Aggregate in Lösung, Matrixisolation, Hüllstromkühlung, Überschallstrahlexpansion, IR-Spektroskopie, Absorptionsspektroskopie, Cavity Ring-Down Technik, Streuselektion, Wassercluster, Carbonsäurecluster, ionische Cluster, Cluster in Clustern
  12. Verschiedenes (22.01.+29.01.)
    UV/IR-Techniken, fs-Spektroskopie in Lösung, Exzitonenkopplung in Wasser, Schwingungsmikroskopie, Molekularsoziologie, Oszillatormodel zur Dispersion, Chiralitätserkennung, Evaluation, gute wissenschaftliche Praxis
  13. Klausur (05.02.25, 10-13 Uhr)
    Altklausuren
  14. 2. Termin (04.03.25, 10-13 Uhr)
    Altklausuren

Literaturempfehlung

Ein gutes allgemeines Lehrbuch der Physikalischen Chemie (Berry/Rice/Ross, McQuarrie/Simon, Atkins/dePaula, Wedler, Alberty/Silbey, Moore/Hummel, ...) reicht als Grundlage 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 zur Molekülspektroskopie.

2.-4.: Zachmann Mathematik für Chemiker (bis zur 5. Auflage), Cotton Chemical Applications of Group Theory und Vincent Molecular Symmetry and Group Theory (einfach) sowie Hamermesh Group Theory and Its Application to Physical Problems (anspruchsvoll)

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

11.: Scoles (Hrsg.) Atomic and Molecular Beam Methods

Einige der oben genannten oder anderweitig passenden 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.)

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