Quantenmechanische Grundlagen der Molekülspektroskopie

Häftad, Tyska, 2021

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Schlägt die Brücke zwischen Quantentheorie und Spektroskopie! 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. 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. * Perfekte Balance: ausreichend Physik und Mathematik, um Spektroskopie zu verstehen, ohne die Leserinnen und Leser mit unnötigem Formalismus zu überfrachten * Relevantes Thema: spektroskopische Methoden werden in allen Bereichen der Chemie, Biophysik, Biologie und Materialwissenschaften angewandt * Auf die Bedürfnisse Studierender zugeschnitten: der Autor ist ein erfahrener Hochschullehrer, der auch schwierige Aspekte verständlich vermittelt * Hervorragende Didaktik: detaillierte Erklärungen und durchgerechnete Beispiele unterstützen das Verständnis; zahlreiche Aufgaben mit Lösungen im Anhang erleichtern das Selbststudium Geschrieben für Studierende der Chemie, Biochemie, Materialwissenschaften und Physik, bietet Quantenmechanische Grundlagen der Molekülspektroskopie umfassendes Lernmaterial zum Verständnis der Molekülspektroskopie.

Produktinformation

Utgivningsdatum2021-04-21
Mått170 x 244 x 19 mm
Vikt680 g
FormatHäftad
SpråkTyska
Antal sidor352
FörlagWiley-VCH Verlag GmbH
ISBN9783527347902

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Max Diem ist emeritierter Professor in der Abteilung für Chemie und chemische Biologie an der Northeastern University, Massachusetts, USA. Sein Diplom erhielt er von der Universität Karlsruhe (jetzt Karlsruhe Institut für Technologie), seine Promotion beendete er an der Universität von Toledo in Ohio, USA. Seine Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung physikalisch-optischer Methoden für die medizinische Diagnostik.

Vorwort xiEinleitung xv1 Übergang von der klassischen Physik zur Quantenmechanik 11.1 Beschreibung von Licht als elektromagnetische Welle 21.2 Strahlung des Schwarzen Körpers 31.3 Der photoelektrische Effekt 61.4 Absorptions- und Emissionsspektren von Wasserstoffatomen 81.5 Molekülspektroskopie 111.6 Zusammenfassung 13Aufgaben 13Literatur 152 Grundlagen der Quantenmechanik 172.1 Postulate der Quantenmechanik 182.2 Die potenzielle Energie und Potenzialfunktionen 222.3 Demonstration der quantenmechanischen Prinzipien für ein einfaches, eindimensionales Ein-Elektronen-Modellsystem: Das Teilchen im Kasten 242.4 Das Teilchen in einem zweidimensionalen Kasten, das ungebundene Teilchen und das Teilchen in einem Kasten mit endlichen Energiebarrieren 312.5 Reale Teilchen im Kasten: Konjugierte Polyene, Quantenpunkte und Quantenkaskadenlaser 35Aufgaben 38Literatur 403 Störung stationärer Zustände durch elektromagnetische Strahlung 413.1 Zeitabhangige Störungstheorie stationarer Zustande durch elektromagnetische Strahlung 413.2 Dipolerlaubte Absorptions- und Emissionsübergange und Auswahlregeln für das Teilchen im Kasten 453.3 Einstein-Koeffizienten für die Absorption und Emission von Licht 473.4 Laser 50Aufgaben 52Literatur 534 Der harmonische Oszillator, ein Modellsystem für die Schwingungen von zweiatomigen Molekülen 554.1 Klassische Beschreibung eines schwingenden zweiatomigen Modellsystems 554.2 Die Schrödinger-Gleichung, Energieeigenwerte und Wellenfunktionen für den harmonischen Oszillator 574.3 Übergangsmoment und Auswahlregeln für Absorption für den harmonischen Oszillator 634.4 Der anharmonische Oszillator 664.5 Schwingungsspektren von zweiatomigen Molekulen 694.6 Zusammenfassung 72Aufgaben 73Literatur 745 Infrarot und Raman-Schwingungsspektroskopie mehratomiger Moleküle 755.1 Schwingungsenergie mehratomiger Moleküle: Normalkoordinaten und normale Schwingungsmoden 755.2 Quantenmechanische Beschreibung molekularer Schwingungen in mehratomigen Molekülen 795.3 Infrarotabsorptionsspektroskopie 825.3.1 Symmetrieüberlegungen für dipolerlaubte Übergange 835.3.2 Bandenformen für Absorption und anomale Dispersion 845.4 Raman-Spektroskopie 885.4.1 Allgemeine Aspekte der Raman-Spektroskopie 885.4.2 Makroskopische Beschreibung der Polarisierbarkeit 895.4.3 Quantenmechanische Beschreibung der Polarisierbarkeit 905.5 Auswahlregeln für IR- und Raman-Spektroskopiemehratomiger Molekule 945.6 Beziehung zwischen Infrarot- und Raman-Spektren: Chloroform 965.7 Zusammenfassung: Molekulare Schwingungen inWissenschaft und Technologie 98Aufgaben 98Literatur 1006 Rotation von Molekülen und Rotationsspektroskopie 1016.1 Klassische Rotationsenergie von zwei- und mehratomigen Molekülen 1026.2 Quantenmechanische Beschreibung des Drehimpulsoperators 1056.3 Die Schrödinger-Gleichung für Rotation, Eigenfunktionen und Energieeigenwerte 1076.4 Auswahlregeln für Rotationsübergange 1126.5 Rotationsabsorptionsspektren (Mikrowellenspektren) 1136.5.1 Starre zweiatomige und lineare Moleküle 1136.5.2 Prolate und oblate symmetrische Kreisel 1166.5.3 Asymmetrische Kreisel 1186.6 Rotationsschwingungsübergange 119Aufgaben 121Literatur 1237 Atomstruktur: Das Wasserstoffatom 1257.1 Die Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom 1267.2 Lösungen der Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom 1287.3 Dipolerlaubte Übergange für das Wasserstoffatom 1347.4 Diskussion der Ergebnisse für das Wasserstoffatom 1357.5 Elektronenspin 1367.6 Raumliche Quantisierung des Drehimpulses 140Aufgaben 140Literatur 1428 Kernspinresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 1438.1 Allgemeine Bemerkungen 1438.2 Rückblick auf Drehimpuls und Spindrehimpuls von Elektronen 1448.3 Kernspin 1468.4 Auswahlregeln, Übergangsenergien, Magnetisierung und Spinpopulationsanalyse 1508.4.1 Auswahlregeln für den elektrischen Dipolübergang für ein Ein-Spin-Kern-System 1508.4.2 Übergangsenergien 1518.4.3 Magnetisierung 1528.4.4 Analyse der Besetzung (Population) der Spinzustande 1528.5 Chemische Verschiebung 1538.6 Multispinsysteme 1558.6.1 Nicht wechselwirkende Spins 1558.6.2 Wechselwirkende Spins: Spin-Spin-Kopplung 1578.6.3 Wechselwirkung mehrerer Spins 1588.7 Puls-FT-NMR Spektroskopie 1608.7.1 Allgemeine Bemerkungen 1608.7.2 Beschreibung der NMR-Vorgange durch die ,,Nettomagnetisierung“ 161Aufgaben 162Literatur 1639 Atomstruktur: Mehr-Elektronen-Systeme 1659.1 Der Zwei-Elektronen-Hamilton-Operator, die Abschirmung und die effektive Kernladung 1659.2 Das Pauli-Prinzip 1679.3 Das Aufbauprinzip 1689.4 Periodische Eigenschaften von Elementen 1699.5 Atomenergieniveaus 1719.5.1 Gute und schlechte Quantenzahlen und Termsymbole 1719.5.2 Auswahlregeln für atomare Übergange 1749.6 Atomspektroskopie 1759.7 Atomspektroskopie in der analytischen Chemie 176Aufgaben 177Literatur 17810 Elektronische Energieniveaus und Spektroskopie mehratomiger Moleküle 17910.1 Molekülorbitale und chemische Bindung im H2 +-Molekülion 18010.2 Molekülorbitaltheorie für homonukleare zweiatomige Moleküle 18410.3 Termsymbole und Auswahlregeln für homonukleare zweiatomige Moleküle 18710.4 Elektronische Spektren von zweiatomgen Molekülen 18910.4.1 Das vibronische Absorptionsspektrumvon Sauerstoff 18910.4.2 Vibronische Übergange und das Franck-Condon-Prinzip 19210.5 Qualitative Beschreibung elektronischer Spektren mehratomiger Moleküle 19410.5.1 Auswahlregeln für elektronische Übergange 19510.5.2 Gangige elektronische Chromophore 19510.6 Fluoreszenzspektroskopie 19910.6.1 Diagramm der Fluoreszenzenergieniveaus (Jablonski-Diagramm) 19910.6.2 Interkombination (intersystem crossing) und Phosphoreszenz 20010.6.3 Zwei-Photonen-Fluoreszenz (Two-Photon Fluorescence, TPF) 20110.6.4 Zusammenfassung der Mechanismen für Raman-, Resonanz-Ramanund Fluoreszenzspektroskopie 20110.7 Optische Aktivitat: elektronischer Zirkulardichroismus (ECD) und optische Rotation 20310.7.1 Zirkular polarisiertes Licht und Chiralitat 20310.7.2 Manifestation der optischen Aktivitat: optische Rotation, optische Rotationsdispersion und Zirkulardichroismus 20410.7.3 Optische Aktivitat asymmetrischer Moleküle: das magnetische Übergangsmoment 20610.7.4 Optische Aktivitat dissymmetrischer Moleküle: Übergangskopplung und Exzitonmodell 20810.7.5 Optische Aktivitat in Molekülschwingungen 210Aufgaben 211Literatur 21511 Gruppentheorie und Symmetrie 21711.1 Symmetrieoperationen und Symmetriegruppen 21811.2 Darstellung einer Gruppe 22211.3 Symmetriedarstellungen molekularer Schwingungen 23011.4 Symmetriebasierte Auswahlregeln für dipolzulassige Prozesse 23411.5 Auswahlregeln für die Raman-Streuung 23611.6 Charaktertafeln von gangigen Punktgruppen 237Aufgaben 239Literatur 240Lösungen zu den Aufgaben 241Anhang A Konstanten und Umrechnungsfaktoren 285Anhang B Näherungsmethoden: Variations- und Störungstheorie 287B.1 Allgemeine Bemerkungen 287B.2 Variationsmethode 288B.3 Zeitunabhangige Störungstheorie für nicht entartete Systeme 289B.4 Detailliertes Beispiel für eine zeitunabhangige Störung: das Teilchen im Kasten mit geneigter Potenzialfunktion 290B.5 Zeitabhangige Störung molekularer Systeme durch elektromagnetische Strahlung 295Literatur 296Anhang C Nicht lineare spektroskopische Methoden 297C.1 Allgemeine Formulierung nicht linearer Effekte 297C.2 Nicht koharente, nicht lineare Effekte: Hyper-Raman-Spektroskopie 298C.3 Koharente nicht lineare Effekte 300C.3.1 Frequenzverdopplung 300C.3.2 Koharente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) 302C.3.3 Stimulierte Raman-Streuung (SRS) und femtosekundenstimulierte Raman-Streuung (FSRS) 305C.4 Nachbemerkung 306Literatur 307Anhang D Fourier-Transformationsmethodik 309D.1 Einführung in die Fourier-Transformationsspektroskopie 309D.2 Datendarstellung in verschiedenen Domanen 310D.3 Fourier-Serie 310D.4 Fourier-Transformation 313D.5 Diskrete und schnelle Fourier-Transformationsalgorithmen 315D.6 FT-Implementierung in EXCEL oder MATLAB 316Literatur 317Anhang E Beschreibung der Spinwellenfunktionen durch Pauli-Spinmatrizen 319E.1 Die Formulierung der Spin-Eigenfunktionen 𝛼 und 𝛽 als Vektoren 320E.2 Form der Pauli-Spinmatrizen 321E.3 Eigenwerte der Spinmatrizen 323Literatur 324Stichwortverzeichnis 325