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E-Book

Molekülphysik

Theoretische Grundlagen und experimentelle Methoden

AutorWolfgang Demtröder
VerlagDe Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr2013
Seitenanzahl487 Seiten
ISBN9783486714890
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis69,80 EUR

Die wichtigsten Aspekte der Grundlagen zwei- und mehratomiger Moleküle und ihrer Spektren werden umfassend und leicht verständlich dargestellt. Die Einführung elementarer Begriffe der Gruppentheorie und ihrer Bedeutung für die Molekülphysik ermöglicht eine elegante Beschreibung mehratomiger Moleküle und ihrer Symmetrien.

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Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 2. Auflage13
Vorwort zur 1. Auflage15
1 Einleitung17
1.1 Kurzer historischer Überblick18
1.2 Molekülspektren20
1.3 Neuere Entwicklungen24
1.4 Übersicht über das Konzept dieses Buches26
2 Elektronische Zustände von Molekülen31
2.1 Adiabatische Näherung und der Begriff des Molekülpotentials31
2.1.1 Quantenmechanische Beschreibung eines freien Moleküls31
2.1.2 Separation von Elektronen- und Kernwellenfunktionen34
2.1.3 Born-Oppenheimer-Näherung36
2.1.4 Adiabatische Näherung38
2.2 Abweichungen von der adiabatischen Näherung39
2.3 Potentiale, Kurven und Flächen, Molekül-Termdiagramme und Spektren41
2.4 Elektronische Zustände zweiatomiger Moleküle45
2.4.1 Exakte Behandlung des starren H+2 -Moleküls46
2.4.2 Klassifizierung elektronischer Molekülzustände52
2.4.3 Elektronenkonfigurationen und elektronische Zustände60
2.4.4 Molekülorbitale und Aufbauprinzip65
2.4.5 Korrelationsdiagramme68
2.5 Näherungsverfahren zur Berechnung elektronischer Wellenfunktionen71
2.5.1 Das Variationsverfahren72
2.5.2 Die LCAO-Näherung73
2.6 Anwendung der Näherungsverfahren auf Einelektronensysteme76
2.6.1 Eine einfache LCAO-Näherung für das H+2 -Molekül76
2.6.2 Mängel des einfachen LCAO-Verfahrens79
2.6.3 Verbesserte LCAO-Näherungslösungen81
2.7 Mehrelektronen-Moleküle84
2.7.1 Molekülorbitale und Einteilchen-Näherung84
2.7.2 Das H2-Molekül87
2.7.3 Die Heitler-London-Näherung91
2.7.4 Verbesserungen beider Verfahren92
2.7.5 Äquivalenz von Heitler-London- und MO-Näherung93
2.7.6 Allgemeiner Ansatz94
2.8 Moderne Ab-initio-Methoden94
2.8.1 Die Hartree-Fock-Näherung95
2.8.2 Konfigurations-Wechselwirkung97
2.8.3 Ab-initio-Rechnungen und Quantenchemie98
3 Rotation, Schwingung und Potentialkurven zweiatomiger Moleküle101
3.1 Quantenmechanische Behandlung101
3.2 Rotation zweiatomiger Moleküle103
3.2.1 Der starre Rotator103
3.2.2 Zentrifugalaufweitung105
3.2.3 Der Einfluss der Elektronenrotation107
3.3 Molekülschwingungen109
3.3.1 Der harmonische Oszillator109
3.3.2 Der anharmonische Oszillator112
3.4 Schwingungs-Rotations-Wechselwirkung118
3.5 Termwerte des schwingenden Rotators, Dunham-Entwicklung120
3.5.1 Termwerte für das Morse-Potential120
3.5.2 Termwerte für ein allgemeines Potential121
3.5.3 Dunham-Entwicklung121
3.5.4 Isotopie-Verschiebung122
3.6 Bestimmung von Potentialkurven aus gemessenen Termwerten123
3.6.1 Die WKB-Näherung124
3.6.2 WKB-Näherung und Dunham-Potentialentwicklung127
3.6.3 Andere Potentialentwicklungen128
3.6.4 Das RKR-Verfahren128
3.6.5 Die IPA-Methode132
3.7 Potentialkurven bei großen Kernabständen135
3.7.1 Multipolentwicklung136
3.7.2 Induktionsbeiträge zum Wechselwirkungspotential137
3.7.3 Lennard-Jones-Potential142
4 Die Spektren zweiatomiger Moleküle145
4.1 Übergangswahrscheinlichkeiten146
4.1.1 Einstein-Koeffizienten146
4.1.2 Übergangswahrscheinlichkeiten und Matrixelemente149
Matrixelemente in Born-Oppenheimer-Näherung152
4.2 Struktur der Spektren zweiatomiger Moleküle154
4.2.1 Schwingungs-Rotations-Spektren154
4.2.2 Reine Schwingungs-Übergänge im gleichen elektronischen Zustand156
4.2.3 Reine Rotations-Übergänge158
4.2.4 Schwingungs-Rotations-Übergänge161
4.2.5 Elektronische Übergänge163
4.2.6 R-Zentroid-Näherung das Franck-Condon-Prinzip164
4.2.7 Die Rotationsstruktur elektronischer Übergänge170
4.2.8 Auswahlregeln für elektronischen Übergänge174
4.2.9 Kontinuierliche Spektren174
4.3 Linienprofile von Spektrallinien177
4.3.1 Natürliche Linienbreite178
4.3.2 Doppler-Verbreiterung180
4.3.3 Voigt-Profile183
4.3.4 Stoßverbreiterung von Spektrallinien184
4.4 Mehrphotonen-Übergänge187
4.4.1 Zwei-Photonen-Absorption188
4.4.2 Raman-Übergänge191
4.4.3 Raman-Spektren194
4.5 Thermische Besetzung von Molekülniveaus196
4.5.1 Thermische Besetzung von Rotationsniveaus196
4.5.2 Besetzung von Schwingungs-Rotations-Niveaus197
4.5.3 Kernspin-Statistik198
5 Molekülsymmetrien und Gruppentheorie201
5.1 Symmetrieoperationen und Symmetrieelemente201
5.2 Grundbegriffe der Gruppentheorie205
5.3 Molekulare Punktgruppen207
5.4 Klassifizierung der molekularen Punktgruppen210
5.4.1 Die Punktgruppen Cn, Cnv und Cnh211
5.4.2 Die Punktgruppen Dn, Dnd und Dnh214
5.4.3 Sn-Punktgruppen216
5.4.4 Die Punktgruppen T, Td, O und Oh216
5.4.5 Wie findet man die Punktgruppe eines Moleküls?217
5.5 Symmetrietypen und Darstellungen von Gruppen219
5.5.1 Die Darstellung der C2v-Gruppe220
5.5.2 Die Darstellung der C3v-Gruppe222
5.5.3 Charaktere und Charaktertafeln223
5.5.4 Summe, Produkt und Reduktion von Darstellungen224
6 Rotation und Schwingungen mehratomiger Moleküle231
6.1 Transformation vom Laborsystem in das molekülfeste Koordinatensystem232
6.2 Molekülrotation235
6.2.1 Der starre Rotator235
6.2.2 Der symmetrische Kreisel239
6.2.3 Quantenmechanische Behandlung der Rotation240
6.2.4 Zentrifugalaufweitung des symmetrischen Kreisels243
6.2.5 Der asymmetrische Kreisel244
6.3 Schwingungen mehratomiger Moleküle249
6.3.1 Normalschwingungen250
6.3.2 Beispiel: Berechnung der Streckschwingungen eines linearen Moleküls AB2253
6.3.3 Entartete Schwingungen254
6.3.4 Quantenmechanische Behandlung256
6.3.5 Nichtharmonische Schwingungen258
6.3.6 Kopplungen zwischen Schwingung und Rotation260
7 Elektronische Zustände mehratomiger Moleküle265
7.1 Molekülorbitale265
7.2 Hybridisierung268
7.3 Dreiatomige Moleküle273
7.3.1 Das BeH2-Molekül273
7.3.2 Das H2O-Molekül275
7.3.3 Das CO2-Molekül278
7.4 AB2-Moleküle und Walsh-Diagramme280
7.5 Moleküle mit mehr als drei Atomen282
7.5.1 Das NH3-Molekül283
7.5.2 Formaldehyd284
7.6 -Elektronen-Systeme285
7.6.1 Butadien286
7.6.2 Benzol287
8 Die Spektren mehratomiger Moleküle289
8.1 Reine Rotationsspektren289
8.1.1 Lineare Moleküle290
8.1.2 Symmetrische Kreisel-Moleküle292
8.1.3 Asymmetrische Kreisel-Moleküle293
8.1.4 Intensitäten der Rotationsübergänge294
8.1.5 Symmetrieeigenschaften der Rotationsniveaus296
8.1.6 Statistische Gewichte und Kernspin-Statistik298
8.1.7 Linienprofile der Absorptionslinien300
8.2 Schwingungs-Rotationsübergänge300
8.2.1 Auswahlregeln und Intensitäten von Schwingungsübergängen301
8.2.2 Fundamental-Übergänge305
8.2.3 Oberton- und Kombinationsbanden307
8.2.4 Rotationsstruktur der Schwingungsbanden309
8.3 Elektronische Übergänge311
8.4 Fluoreszenz- und Raman-Spektren315
9 Zusammenbruch der Born-Oppenheimer-Näherung, Störungen in Molekülspektren321
9.1 Was ist eine Störung?321
9.1.1 Quantitative Behandlung von Störungen324
9.1.2 Adiabatische und diabatische Basis325
9.1.3 Störungen zwischen zwei Niveaus327
9.2 Die Hund’schen Kopplungsfälle328
9.3 Diskussion der verschiedenen Störungen330
9.3.1 Elektrostatische Wechselwirkung331
9.3.2 Spin-Bahn-Kopplung333
9.3.3 Rotationsstörungen335
9.3.4 Vibronische Kopplung338
9.3.5 Renner-Teller-Kopplung340
9.3.6 Jahn-Teller-Effekt342
9.3.7 Prädissoziation344
9.3.8 Autoionisation345
9.4 Strahlungslose Übergänge348
10 Moleküle in äußeren Feldern353
10.1 Diamagnetische und paramagnetische Moleküle354
10.2 Zeeman-Effekt in linearen Molekülen356
10.3 Beeinflussung der Spin-Bahn-Kopplung durch ein äußeres Magnetfeld363
10.4 Moleküle in elektrischen Feldern, Stark-Effekt366
11 Van-der-Waals-Moleküle und Cluster371
11.1 Van-der-Waals-Moleküle373
11.2 Cluster377
11.2.1 Alkali-Cluster380
11.2.2 Edelgas-Cluster383
11.2.3 Wasser-Cluster383
11.2.4 Cluster mit kovalenter Bindung384
11.3 Herstellung von Clustern386
12 Experimentelle Techniken in der Molekülphysik389
12.1 Mikrowellen-Spektroskopie390
12.2 Infrarot- und Fourier-Spektroskopie394
12.3 Klassische Spektroskopie im sichtbaren und ultravioletten Bereich400
12.4 Laserspektroskopie408
12.4.1 Laser-Absorptionsspektroskopie408
12.4.2 Spektroskopie im Laserresonator412
12.4.3 Absorptionsmessungen mit Hilfe der Abklingzeit eines Resonators413
12.4.4 Ionisations-Spektroskopie415
12.4.5 Photo-akustische Spektroskopie416
12.4.6 Lasermagnetische Resonanz-Spektroskopie416
12.4.7 Laser-induzierte Fluoreszenz417
12.4.8 Laserspektroskopie in Molekularstrahlen419
12.4.9 Opto-Thermische Spektroskopie in Molekularstrahlen422
12.4.10 Fourier-Spektroskopie mit optischem Frequenzkamm424
12.4.11 Doppler-freie nichtlineare Laserspektroskopie426
12.4.12 Mehrphotonenspektroskopie430
12.4.13 Doppelresonanz-Techniken432
12.4.14 Kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie435
12.4.15 Zeitaufgelöste Laserspektroskopie436
12.4.16 Femto-Chemie440
12.4.17 Kohärente Kontrolle442
12.5 Photoelektronen-Spektroskopie444
12.5.1 Experimentelle Anordnungen445
12.5.2 Photoionisationsprozesse447
12.5.3 ZEKE-Spektroskopie448
12.5.4 Winkelverteilung der Photoelektronen450
12.5.5 Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie XPS451
12.5.6 Photo-Detachment Spektroskopie452
12.6 Massenspektroskopie454
12.6.1 Magnetische Massenspektrometer455
12.6.2 Quadrupol-Massenspektrometer456
12.6.3 Flugzeit-Massenspektrometer457
12.6.4 Ionen-Zyklotron Resonanz-Massenspektrometer458
12.7 Radiofrequenz-Spektroskopie460
12.8 Magnetische Kernresonanz-Spektroskopie462
12.9 Elektronenspin-Resonanz465
12.10 Schlussbemerkung468
Anhang471
Literatur475
Index495

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