C9550 Kvantová chemie a molekulová spektroskopie

Přírodovědecká fakulta
podzim 2017
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat. (přednášející)
Cina Foroutannejad, Ph.D. (pomocník)
Garance
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 18. 9. až Pá 15. 12. Út 8:00–9:50 C12/311
Předpoklady
Absolvování přednášky C9920.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
předmět má 12 mateřských oborů, zobrazit
Cíle předmětu
Cílem kurzu je vysvětlit studentům souvislosti mezi geometrickou a elektronovou strukturou molekul a jejich spektroskopickými parametry.
Výstupy z učení
Na konci kurzu budou studenti rozumět souvislostem mezi elektronovou strukturou a spektroskopickými parametry molekul. Budou schopni interpretovat jednoduchá spektra rotační, vibrační, elektronová a magnetická rezonanční.
Osnova
  • 1. Principy molekulové spektroskopie. 1.1 Úvod 1.1.1 Význam pojmu spektroskopie 1.1.2 Emise, absorpce, stimulovaná emise a rozptyl záření. 1.1.3 Oblasti vlnových délek EM záření a druhy molekulových excitací. 1.2 Šířka linií 1.2.1 Spektrální rozlišení 1.2.2 Přirozená šířka linií (z Heisenbergových relací neurčitosti) 1.2.3 Dopplerovské rozšíření, rozšíření vlivem tlaku, redukce rozšíření 1.3 Intenzita linií 1.3.1 Populace hladin při spontánní emisi, absorpci, a stimulované emisi 1.3.2 Stacionární stav 1.3.3 Intenzita linií pro absorpci 2. Kvantověmechanické základy molekulové spektroskopie 2.1 Postuláty kvantové mechaniky 2.1.1 Postulát o vlnové funkci 2.1.2 Postulát o operátorech 2.1.3 Postulát o střední hodnotě veličiny 2.1.4 Postulát o časově závislé Schrödingerově rovnici 2.2 Princip výběrových pravidel pro spektroskopické přechody 2.2.1 Stacionární stavy a časově nezávislá Schrödingerova rovnice 2.2.2 Nástin popisu pravděpodobnosti přechodu 2.2.3 Pojem přechodového momentu 3. Rotační spektra 3.1 Rotace částice 3.1.1 Postup řešení Schrödingerovy rovnice pro částici na kruhu 3.1.2 Rozšíření pro částici na sféře, vztah řešení k atomovým orbitalům 3.2 Přechod od částice k tuhému rotátoru 3.2.1 Kinetická energie rotující molekuly (klasicky) 3.2.2 Klasifikace molekul z hlediska symetrie 3.3 Volný lineární rotátor 3.3.1 Tuhý rotátor: Hladiny energie a jejich degenerace 3.3.2 Odvození výběrových pravidel 3.3.3 Rozdíly mezi hladinami energie, vliv degenerace a Boltzmannovské distribuce 3.3.4 Příklad: Hladiny energie, degenerace, populace, a vzhled spektra pro CO 3.3.5 Aplikace rotační spektroskopie, netuhý rotátor 4. Vibrační spektra 4.1 Harmonický oscilátor 4.1.1 Newtonova pohybová rovnice 4.1.2 Schrödingerova vlnová rovnice, vibrační hladiny energie 4.1.3 Tvar zkušební funkce, princip rekurzního vztahu 4.1.4 Původ kvantování, hladiny energie a vlnové funkce 4.2 Vibrace dvouatomových molekul 4.2.1 Harmonický vs. Morseho potenciál: 4.2.2 Výběrová pravidla pro harmonické a anharmonické vibrace 4.2.3 Rotační struktura vibračních spekter, příklad: HCl 4.3 Vibrace polyatomických molekul na příkladu CO2 4.3.1 Kartézské výchylkové souřadnice. 4.3.2 Hmotnostně vážené výchylkové souřadnice, pohybové rovnice 4.3.3 Vibrační sekulární rovnice, výpočet vlastních hodnot 4.3.4 Vlastní vektory, pojmy normálního módu a normálních souřadnic 5. Elektronová spektra 5.1 Elektronová spektra dvouatomových molekul 5.1.1 Born-Oppenheimerova aproximace 5.1.2 Franck-Condonův princip (“Výběrová pravidla pro elektronové přechody”) 5.3 Elektronová spektra víceatomových molekul 5.4.1 Hückelova teorie molekulových orbitalů 5.4.2 Elektronové excitace π→π* a n→π* v molekule HCOH 5.4.3 Elektronová spektra aromatických uhlovodíků, vztah k rozložení náboje 6. Základní principy magnetické rezonance 6.1 Kvantověmechanický popis spinu 6.1.1 Operátory a vlastní funkce spinu elektronu a jádra 6.1.2 Spiny v magnetickém poli 6.2 Přechody mezi vlastními stavy 6.2.1 Termická rovnováha a magnetizace 6.2.2 Přechody prostřednictvím Free Induction Decay (FID) 6.2.3 Přechody prostřednictvím kontinuálních vln (CW) 6.3 Spinový Hamiltonián 6.3.1 Fermiho kontaktní interakce 6.3.2 Dipól-dipólová interakce 6.3.3 Členy spinového hamiltoniánu NMR+EPR 7. Elektronová paramagnetická rezonance (EPR) 7.1 Analýza izotropních spekter 7.1.1 Energie, vlnové funkce a přechody pro atom H 7.1.2 Analýza EPR spekter organických molekul 7.2 g-faktory izotropních systémů 7.3 Izotropní hyperjemné štěpení 7.3.1 Spinová hustota, spinová populace a spinová polarizace 7.3.2 Kvantově-chemické výpočty EPR parametrů 7.3.3 Vztahy mezi strukturou a štěpící konstantou 7.3.4 Teplotní závislost štěpících konstant 8. Nukleární magnetická rezonance (NMR) 8.1 NMR přechody mezi vlastními stavy 8.1.1 Vlastní hodnoty energie a výběrová pravidla 8.1.2 Klasický popis NMR 8.2 Vysoce rozlišená NMR spektroskopie v kapalinách 8.2.1 Chemický posun a spin-spinová interakce 8.2.2 Základní pravidla pro přiřazení multipletů 8.2 Využití NMR pro strukturní charakterizaci 8.2.1 Vliv dynamických efektů na NMR spektra 8.2.2 Torzní závislost spin-spinové interakce: Karplusova rovnice
Literatura
    doporučená literatura
  • HOLLAS, J. Michael. Modern spectroscopy. 4th ed. Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons, 2004, xxvii, 452. ISBN 0470844167. URL info
  • ATKINS, P. W. a R. S. FRIEDMAN. Molecular quantum mechanics. 5th ed. New York: Oxford University Press, 2011, xiv, 537. ISBN 9780199541423. info
    neurčeno
  • CELÝ, Jan. Základy kvantové mechaniky pro chemiky. Vyd. 1. Brno: Rektorát UJEP, 1983, 161 s. info
  • LEVINE, Ira N. Molecular spectroscopy. New York: John Wiley & Sons, 1975, x, 491. ISBN 0471531286. info
Výukové metody
Přednášky se zahrnutím procvičování a účastí studentů na řešení úloh na tabuli.
Metody hodnocení
Písemná zkouška formou testu a následující ústní pohovor. Z celkového počtu 40 bodů je pro úspěšné absolvování nutné získat minimálně 20 bodů.
Navazující předměty
Informace učitele
http://www.chemi.muni.cz/nmr/radek/C9950/index.html
Vítáni jsou studenti chemických, biochemických i fyzikálních oborů.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2007 - akreditace, podzim 2010 - akreditace, podzim 2009, podzim 2010, podzim 2011, podzim 2011 - akreditace, podzim 2013, podzim 2014, podzim 2015, podzim 2016, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.