Details

Quantenmechanische Grundlagen der Molekülspektroskopie


Quantenmechanische Grundlagen der Molekülspektroskopie


1. Aufl.

von: Max Diem

52,99 €

Verlag: Wiley-VCH
Format: EPUB
Veröffentl.: 04.05.2021
ISBN/EAN: 9783527829590
Sprache: deutsch
Anzahl Seiten: 352

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Beschreibungen

Schlägt die Brücke zwischen Quantentheorie und Spektroskopie!<br> <br> Spektroskopie ist das Arbeitspferd zur Struktur- und Eigenschaftsaufklärung von Molekülen und Werkstoffen. Um die verschiedenen spektroskopischen Methoden verstehen, kompetent anwenden und die Ergebnisse interpretieren zu können, ist grundlegendes Wissen der Quantenmechanik erforderlich: Konzepte wie stationäre Zustände, erlaubte und verbotene Übergänge, Elektronenspin und Elektron-Elektron-, Elektron-Photon- und Elektron-Phonon-Wechselwirkung sind die Grundlagen jeglicher spektroskopischen Methode.<br> <br> Quantenmechanische Grundlagen der Molekülspektroskopie führt ein in die quantenmechanischen Grundlagen der Molekülspektroskopie, geschrieben vom Standpunkt eines erfahrenen Anwenders spektroskopischer Methoden. Das Lehrbuch vermittelt das notwendige Hintergrundwissen, um Spektroskopie zu verstehen: Energie-Eigenzustände, Übergänge zwischen diesen Zuständen, Auswahlregeln und Symmetrie. Zahlreiche Spektroskopiearten werden diskutiert, etwa Fluoreszenz-, Oberflächen-, Raman-, IR- und Spin-Spektroskopie.<br> <br> * Perfekte Balance: ausreichend Physik und Mathematik, um Spektroskopie zu verstehen, ohne die Leserinnen und Leser mit unnötigem Formalismus zu überfrachten<br> <br> * Relevantes Thema: spektroskopische Methoden werden in allen Bereichen der Chemie, Biophysik, Biologie und Materialwissenschaften angewandt<br> <br> * Auf die Bedürfnisse Studierender zugeschnitten: der Autor ist ein erfahrener Hochschullehrer, der auch schwierige Aspekte verständlich vermittelt<br> <br> * Hervorragende Didaktik: detaillierte Erklärungen und durchgerechnete Beispiele unterstützen das Verständnis; zahlreiche Aufgaben mit Lösungen im Anhang erleichtern das Selbststudium<br> <br> Geschrieben für Studierende der Chemie, Biochemie, Materialwissenschaften und Physik, bietet Quantenmechanische Grundlagen der Molekülspektroskopie umfassendes Lernmaterial zum Verständnis der Molekülspektroskopie. <br>
<p>Vorwort xi</p> <p>Einleitung xv</p> <p><b>1 Übergang von der klassischen Physik zur Quantenmechanik </b><b>1</b></p> <p>1.1 Beschreibung von Licht als elektromagnetische Welle 2</p> <p>1.2 Strahlung des Schwarzen Körpers 3</p> <p>1.3 Der photoelektrische Effekt 6</p> <p>1.4 Absorptions- und Emissionsspektren von Wasserstoffatomen 8</p> <p>1.5 Molekülspektroskopie 11</p> <p>1.6 Zusammenfassung 13</p> <p>Aufgaben 13</p> <p>Literatur 15</p> <p><b>2 Grundlagen der Quantenmechanik </b><b>17</b></p> <p>2.1 Postulate der Quantenmechanik 18</p> <p>2.2 Die potenzielle Energie und Potenzialfunktionen 22</p> <p>2.3 Demonstration der quantenmechanischen Prinzipien für ein einfaches, eindimensionales Ein-Elektronen-Modellsystem: Das Teilchen im Kasten 24</p> <p>2.4 Das Teilchen in einem zweidimensionalen Kasten, das ungebundene Teilchen und das Teilchen in einem Kasten mit endlichen Energiebarrieren 31</p> <p>2.5 Reale Teilchen im Kasten: Konjugierte Polyene, Quantenpunkte und Quantenkaskadenlaser 35</p> <p>Aufgaben 38</p> <p>Literatur 40</p> <p><b>3 Störung stationärer Zustände durch elektromagnetische Strahlung </b><b>41</b></p> <p>3.1 Zeitabhangige Störungstheorie stationarer Zustande durch elektromagnetische Strahlung 41</p> <p>3.2 Dipolerlaubte Absorptions- und Emissionsübergange und Auswahlregeln für das Teilchen im Kasten 45</p> <p>3.3 Einstein-Koeffizienten für die Absorption und Emission von Licht 47</p> <p>3.4 Laser 50</p> <p>Aufgaben 52</p> <p>Literatur 53</p> <p><b>4 Der harmonische Oszillator, ein Modellsystem für die Schwingungen von zweiatomigen Molekülen </b><b>55</b></p> <p>4.1 Klassische Beschreibung eines schwingenden zweiatomigen Modellsystems 55</p> <p>4.2 Die Schrödinger-Gleichung, Energieeigenwerte und Wellenfunktionen für den harmonischen Oszillator 57</p> <p>4.3 Übergangsmoment und Auswahlregeln für Absorption für den harmonischen Oszillator 63</p> <p>4.4 Der anharmonische Oszillator 66</p> <p>4.5 Schwingungsspektren von zweiatomigen Molekulen 69</p> <p>4.6 Zusammenfassung 72</p> <p>Aufgaben 73</p> <p>Literatur 74</p> <p><b>5 Infrarot und Raman-Schwingungsspektroskopie mehratomiger Moleküle </b><b>75</b></p> <p>5.1 Schwingungsenergie mehratomiger Moleküle: Normalkoordinaten und normale Schwingungsmoden 75</p> <p>5.2 Quantenmechanische Beschreibung molekularer Schwingungen in mehratomigen Molekülen 79</p> <p>5.3 Infrarotabsorptionsspektroskopie 82</p> <p>5.3.1 Symmetrieüberlegungen für dipolerlaubte Übergange 83</p> <p>5.3.2 Bandenformen für Absorption und anomale Dispersion 84</p> <p>5.4 Raman-Spektroskopie 88</p> <p>5.4.1 Allgemeine Aspekte der Raman-Spektroskopie 88</p> <p>5.4.2 Makroskopische Beschreibung der Polarisierbarkeit 89</p> <p>5.4.3 Quantenmechanische Beschreibung der Polarisierbarkeit 90</p> <p>5.5 Auswahlregeln für IR- und Raman-Spektroskopiemehratomiger Molekule 94</p> <p>5.6 Beziehung zwischen Infrarot- und Raman-Spektren: Chloroform 96</p> <p>5.7 Zusammenfassung: Molekulare Schwingungen inWissenschaft und Technologie 98</p> <p>Aufgaben 98</p> <p>Literatur 100</p> <p><b>6 Rotation von Molekülen und Rotationsspektroskopie </b><b>101</b></p> <p>6.1 Klassische Rotationsenergie von zwei- und mehratomigen Molekülen 102</p> <p>6.2 Quantenmechanische Beschreibung des Drehimpulsoperators 105</p> <p>6.3 Die Schrödinger-Gleichung für Rotation, Eigenfunktionen und Energieeigenwerte 107</p> <p>6.4 Auswahlregeln für Rotationsübergange 112</p> <p>6.5 Rotationsabsorptionsspektren (Mikrowellenspektren) 113</p> <p>6.5.1 Starre zweiatomige und lineare Moleküle 113</p> <p>6.5.2 Prolate und oblate symmetrische Kreisel 116</p> <p>6.5.3 Asymmetrische Kreisel 118</p> <p>6.6 Rotationsschwingungsübergange 119</p> <p>Aufgaben 121</p> <p>Literatur 123</p> <p><b>7 Atomstruktur: Das Wasserstoffatom </b><b>125</b></p> <p>7.1 Die Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom 126</p> <p>7.2 Lösungen der Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom 128</p> <p>7.3 Dipolerlaubte Übergange für das Wasserstoffatom 134</p> <p>7.4 Diskussion der Ergebnisse für das Wasserstoffatom 135</p> <p>7.5 Elektronenspin 136</p> <p>7.6 Raumliche Quantisierung des Drehimpulses 140</p> <p>Aufgaben 140</p> <p>Literatur 142</p> <p><b>8 Kernspinresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) </b><b>143</b></p> <p>8.1 Allgemeine Bemerkungen 143</p> <p>8.2 Rückblick auf Drehimpuls und Spindrehimpuls von Elektronen 144</p> <p>8.3 Kernspin 146</p> <p>8.4 Auswahlregeln, Übergangsenergien, Magnetisierung und Spinpopulationsanalyse 150</p> <p>8.4.1 Auswahlregeln für den elektrischen Dipolübergang für ein Ein-Spin-Kern-System 150</p> <p>8.4.2 Übergangsenergien 151</p> <p>8.4.3 Magnetisierung 152</p> <p>8.4.4 Analyse der Besetzung (Population) der Spinzustande 152</p> <p>8.5 Chemische Verschiebung 153</p> <p>8.6 Multispinsysteme 155</p> <p>8.6.1 Nicht wechselwirkende Spins 155</p> <p>8.6.2 Wechselwirkende Spins: Spin-Spin-Kopplung 157</p> <p>8.6.3 Wechselwirkung mehrerer Spins 158</p> <p>8.7 Puls-FT-NMR Spektroskopie 160</p> <p>8.7.1 Allgemeine Bemerkungen 160</p> <p>8.7.2 Beschreibung der NMR-Vorgange durch die ,,Nettomagnetisierung“ 161</p> <p>Aufgaben 162</p> <p>Literatur 163</p> <p><b>9 Atomstruktur: Mehr-Elektronen-Systeme </b><b>165</b></p> <p>9.1 Der Zwei-Elektronen-Hamilton-Operator, die Abschirmung und die effektive Kernladung 165</p> <p>9.2 Das Pauli-Prinzip 167</p> <p>9.3 Das Aufbauprinzip 168</p> <p>9.4 Periodische Eigenschaften von Elementen 169</p> <p>9.5 Atomenergieniveaus 171</p> <p>9.5.1 Gute und schlechte Quantenzahlen und Termsymbole 171</p> <p>9.5.2 Auswahlregeln für atomare Übergange 174</p> <p>9.6 Atomspektroskopie 175</p> <p>9.7 Atomspektroskopie in der analytischen Chemie 176</p> <p>Aufgaben 177</p> <p>Literatur 178</p> <p><b>10 Elektronische Energieniveaus und Spektroskopie mehratomiger Moleküle </b><b>179</b></p> <p>10.1 Molekülorbitale und chemische Bindung im H2 <sup>+</sup>-Molekülion 180</p> <p>10.2 Molekülorbitaltheorie für homonukleare zweiatomige Moleküle 184</p> <p>10.3 Termsymbole und Auswahlregeln für homonukleare zweiatomige Moleküle 187</p> <p>10.4 Elektronische Spektren von zweiatomgen Molekülen 189</p> <p>10.4.1 Das vibronische Absorptionsspektrumvon Sauerstoff 189</p> <p>10.4.2 Vibronische Übergange und das Franck-Condon-Prinzip 192</p> <p>10.5 Qualitative Beschreibung elektronischer Spektren mehratomiger Moleküle 194</p> <p>10.5.1 Auswahlregeln für elektronische Übergange 195</p> <p>10.5.2 Gangige elektronische Chromophore 195</p> <p>10.6 Fluoreszenzspektroskopie 199</p> <p>10.6.1 Diagramm der Fluoreszenzenergieniveaus (Jablonski-Diagramm) 199</p> <p>10.6.2 Interkombination (intersystem crossing) und Phosphoreszenz 200</p> <p>10.6.3 Zwei-Photonen-Fluoreszenz (Two-Photon Fluorescence, TPF) 201</p> <p>10.6.4 Zusammenfassung der Mechanismen für Raman-, Resonanz-Ramanund Fluoreszenzspektroskopie 201</p> <p>10.7 Optische Aktivitat: elektronischer Zirkulardichroismus (ECD) und optische Rotation 203</p> <p>10.7.1 Zirkular polarisiertes Licht und Chiralitat 203</p> <p>10.7.2 Manifestation der optischen Aktivitat: optische Rotation, optische Rotationsdispersion und Zirkulardichroismus 204</p> <p>10.7.3 Optische Aktivitat asymmetrischer Moleküle: das magnetische Übergangsmoment 206</p> <p>10.7.4 Optische Aktivitat dissymmetrischer Moleküle: Übergangskopplung und Exzitonmodell 208</p> <p>10.7.5 Optische Aktivitat in Molekülschwingungen 210</p> <p>Aufgaben 211</p> <p>Literatur 215</p> <p><b>11 Gruppentheorie und Symmetrie </b><b>217</b></p> <p>11.1 Symmetrieoperationen und Symmetriegruppen 218</p> <p>11.2 Darstellung einer Gruppe 222</p> <p>11.3 Symmetriedarstellungen molekularer Schwingungen 230</p> <p>11.4 Symmetriebasierte Auswahlregeln für dipolzulassige Prozesse 234</p> <p>11.5 Auswahlregeln für die Raman-Streuung 236</p> <p>11.6 Charaktertafeln von gangigen Punktgruppen 237</p> <p>Aufgaben 239</p> <p>Literatur 240</p> <p><b>Lösungen zu den Aufgaben </b><b>241</b></p> <p><b>Anhang A Konstanten und Umrechnungsfaktoren </b><b>285</b></p> <p><b>Anhang B Näherungsmethoden: Variations- und Störungstheorie </b><b>287</b></p> <p>B.1 Allgemeine Bemerkungen 287</p> <p>B.2 Variationsmethode 288</p> <p>B.3 Zeitunabhangige Störungstheorie für nicht entartete Systeme 289</p> <p>B.4 Detailliertes Beispiel für eine zeitunabhangige Störung: das Teilchen im Kasten mit geneigter Potenzialfunktion 290</p> <p>B.5 Zeitabhangige Störung molekularer Systeme durch elektromagnetische Strahlung 295</p> <p>Literatur 296</p> <p><b>Anhang C Nicht lineare spektroskopische Methoden </b><b>297</b></p> <p>C.1 Allgemeine Formulierung nicht linearer Effekte 297</p> <p>C.2 Nicht koharente, nicht lineare Effekte: Hyper-Raman-Spektroskopie 298</p> <p>C.3 Koharente nicht lineare Effekte 300</p> <p>C.3.1 Frequenzverdopplung 300</p> <p>C.3.2 Koharente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) 302</p> <p>C.3.3 Stimulierte Raman-Streuung (SRS) und femtosekundenstimulierte Raman-Streuung (FSRS) 305</p> <p>C.4 Nachbemerkung 306</p> <p>Literatur 307</p> <p><b>Anhang D Fourier-Transformationsmethodik </b><b>309</b></p> <p>D.1 Einführung in die Fourier-Transformationsspektroskopie 309</p> <p>D.2 Datendarstellung in verschiedenen Domanen 310</p> <p>D.3 Fourier-Serie 310</p> <p>D.4 Fourier-Transformation 313</p> <p>D.5 Diskrete und schnelle Fourier-Transformationsalgorithmen 315</p> <p>D.6 FT-Implementierung in EXCEL oder MATLAB 316</p> <p>Literatur 317</p> <p><b>Anhang E Beschreibung der Spinwellenfunktionen durch Pauli-Spinmatrizen </b><b>319</b></p> <p>E.1 Die Formulierung der Spin-Eigenfunktionen 𝛼 und 𝛽 als Vektoren 320</p> <p>E.2 Form der Pauli-Spinmatrizen 321</p> <p>E.3 Eigenwerte der Spinmatrizen 323</p> <p>Literatur 324</p> <p>Stichwortverzeichnis 325</p>

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