Inhaltsverzeichnis Einleitung Mechanische Eigenschaften von Molekülen, Größe, Masse Moleküle in elektrischen und magnetischen Feldern
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- Erich Lang
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1 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Was ist ein Molekül? Ziele und Methoden Historische Bemerkungen Bedeutung von Molekülphysik und Quantenchemie für andere Disziplinen Mechanische Eigenschaften von Molekülen, Größe, Masse Größe Form der Moleküle Masse Spezifische Wärme, kinetische Energie Aufgaben Moleküle in elektrischen und magnetischen Feldern Dielektrische Eigenschaften Unpolare Moleküle Polare Moleküle Brechungsindex, Dispersion Die Anisotropie der Polarisierbarkeit Moleküle im Magnetfeld, Grundbegriffe und Definitionen Diamagnetische Moleküle Paramagnetische Moleküle Aufgaben Einführung in die Theorie der chemischen Bindung Eine Erinnerung an die Quantenmechanik Heteropolare und homöopolare Bindung Das Wasserstoff-Molekülion H Das Wasserstoff-Molekül H Das Variationsprinzip Die Methode von Heitler-London Kovalent-ionische Resonanz Die Wasserstoffbindung nach Hund-Mulliken-Bloch Vergleich der Wellenfunktionen Die Hybridisierung Aufgaben... 74
2 XIV Inhaltsverzeichnis 5. Symmetrien und Symmetrieoperationen. Ein erster Einblick Einige Grundbegriffe Anwendung auf das Benzol: Die Wellenfunktion der π-elektronen nach der Hückel-Methode Nochmals das Hückel-Verfahren. Die Energie der π-elektronen Slater-Determinanten Die Wellenfunktion beim Ethylen. Parität Zusammenfassung Aufgaben Symmetrien und Symmetrieoperationen. Ein systematischer Zugang Grundbegriffe Molekulare Punktgruppen Die Auswirkung von Symmetrieoperationen auf Wellenfunktionen Ähnlichkeitstransformationen und Reduktion der Matrizen Grundbegriffe der Darstellungstheorie der Gruppen Der Begriff der Klasse Charakter einer Darstellung Die Bezeichnungen für irreduzible Darstellungen Die Reduktion einer Darstellung Zusammenfassung Ein Beispiel: das H 2 O-Molekül Aufgaben Das Mehrelektronenproblem der Molekülphysik und Quantenchemie Problemstellung und Übersicht Hamilton-Operator und Schrödinger-Gleichung Slater-Determinante und Energie-Erwartungswerte Die Hartree-Fock-Gleichung. Die Self-Consistent-Field (SCF)-Methode Das Hartree-Fock-Verfahren bei einer abgeschlossenen Schale Die unbeschränkte SCF-Methode für offene Schalen Die eingeschränkte SCF-Methode für offene Schalen Korrelationsenergie Koopman s Theorem Konfigurationswechselwirkung Die 2. Quantisierung Dichte-Funktionale Die Elektronendichte als grundlegende Variable Die Kohn-Sham Gleichungen Zusammenfassung der Resultate der Kapitel Aufgaben Methoden der Molekülspektroskopie, Übersicht Spektralbereiche Übersicht über die optischen Molekülspektren Weitere experimentelle Methoden Aufgaben
3 Inhaltsverzeichnis XV 9. Rotationsspektren Mikrowellen-Spektroskopie Zweiatomige Moleküle Das Spektrum des starren Rotators (Hantel-Modell) Intensitäten Der nicht-starre Rotator Isotopie-Effekte Stark-Effekt Mehratomige Moleküle Einige Anwendungen der Rotationsspektroskopie Aufgaben Schwingungsspektren Infrarot-Spektroskopie Zweiatomige Moleküle, harmonische Näherung Zweiatomige Moleküle. Der anharmonische Oszillator Rotations-Schwingungs-Spektren zweiatomiger Moleküle. Der rotierende Oszillator und die Rotationsstruktur der Banden Schwingungsspektren vielatomiger Moleküle Anwendung der Schwingungsspektroskopie Infrarot-Laser Mikrowellen-Maser Aufgaben Quantenmechanische Behandlung von Rotations- und Schwingungsspektren Das 2-atomige Molekül Die Born-Oppenheimer-Näherung Rechtfertigung der Vernachlässigungen Die Rotation drei- und mehratomiger Moleküle Der Ausdruck für die Rotationsenergie Der symmetrische Kreisel Der asymmetrische Kreisel Die Schwingungen drei- und mehratomiger Moleküle Symmetrie und Normalkoordinaten Zusammenfassung Aufgaben Raman-Spektren Der Raman-Effekt Schwingungs-Raman-Spektren Rotations-Raman-Spektrum Kernspin-Einflüsse auf die Rotationsstruktur Aufgaben Elektronen-Zustände Der Aufbau von Bandenspektren Bindungstypen
4 XVI Inhaltsverzeichnis 13.3 Einelektronenzustände zweiatomiger Moleküle Mehrelektronenzustände und elektronische Gesamtzustände von zweiatomigen Molekülen Als Beispiel: Elektronenzustände von H Aufgaben Elektronenspektren von Molekülen Schwingungsstruktur der Bandensysteme kleiner Moleküle, Franck-Condon-Prinzip Rotationsstruktur von elektronischen Bandenspektren kleiner Moleküle, Übersicht und Auswahlregeln Die Rotationsstruktur der Bandenspektren kleiner Moleküle, Fortrat-Diagramme Dissoziation, Prädissoziation Anwendung von Bandenspektren kleinerer Moleküle Elektronische Spektren größerer Moleküle Aufgaben Weiteres zur Methodik der Molekülspektroskopie Absorption von Licht Strahlungslose Prozesse Emission von Licht Kalte Moleküle Farbstoff-Laser Hochauflösende Zweiphotonen-Spektroskopie Ultra-Kurzzeit-Spektroskopie Photoelektronen-Spektroskopie Hochauflösende Photoelektronen-Spektroskopie Aufgaben Wechselwirkung von Molekülen mit Licht: Quantentheoretische Behandlung Eine Übersicht Zeitabhängige Störungstheorie Die spontane und induzierte Emission sowie die Absorption von Licht durch Moleküle Die Form des Hamilton-Operators Die Form der Wellenfunktionen der Anfangs- und Endzustände Die allgemeine Form der Matrixelemente Übergangswahrscheinlichkeiten und Einstein-Koeffizienten Berechnung des Absorptionskoeffizienten Übergangsmomente, Oszillatorenstärke und räumliche Mittelung Das Franck-Condon-Prinzip Auswahlregeln Zusammenfassung von Kapitel
5 Inhaltsverzeichnis XVII 17. Theoretische Behandlung des Raman-Effektes und Elemente der nichtlinearen Optik Zeitabhängige Störungstheorie höherer Ordnung Theoretische Behandlung des Raman-Effektes Zwei-Photonen-Absorption Magnetische Kernresonanz Grundlagen der Kernspin-Resonanz Kernspins im Magnetfeld Messung von Kernspin-Resonanz Protonenresonanz in Molekülen Die chemische Verschiebung Feinstruktur, direkte Kernspin-Kernspin-Kopplung Feinstruktur, indirekte Kernspin-Kernspin-Kopplung zwischen 2 Kernen Indirekte Spin-Spin-Wechselwirkung zwischen mehreren Kernen Dynamische Prozesse, Relaxationszeiten Kernspin-Resonanz anderer Kerne Zwei-dimensionale Kernspinresonanzspektroskopie Die grundlegenden Ideen Quantenmechanische Theorie von COSY Untersuchung dynamischer Prozesse mit Hilfe der 2-dimensionalen Austausch-Spektroskopie, insbesondere NOESY Anwendungen der Kernspin-Resonanz Aufgaben Elektronenspin-Resonanz Grundlagen Der g-faktor Hyperfeinstruktur Feinstruktur Berechnung von Feinstrukturtensor und Spinwellenfunktionen von Triplettzuständen Doppelresonanzverfahren: ENDOR Optischer Nachweis magnetischer Resonanz, ODMR Anwendungen der ESR Aufgaben Große Moleküle, Biomoleküle, Übermoleküle Bedeutung für Physik, Chemie und Biologie Polymere Molekulare Erkennung, Molekularer Einschluß Energieübertragung, Sensibilisierung Moleküle für Photoreaktionen in der Biologie Moleküle als Grundbausteine des Lebens Molekulare Funktionseinheiten Aufgaben
6 XVIII Inhaltsverzeichnis 21. Experimente an und mit einzelnen Molekülen Einleitung: Warum? Abbildung einzelner Moleküle mit Röntgen- und Elektronenstrahl-Methoden Raster-Tunnel- und Raster-Kraft-Mikroskop Optische Spektroskopie einzelner Moleküle Übersicht Experimentelle Methoden Einzelmolekülspektroskopie mit relativ geringer spektraler Auflösung, räumliche Selektion Messungen mit hoher spektraler Auflösung bei Tieftemperatur, spektrale Selektion Einige Meßergebnisse Elektrische Leitfähigkeit von Molekülen Der molekulare Draht Meßergebnisse Molekulare Elektronik und andere Anwendungen Was ist Organische oder Molekulare Elektronik? Moleküle als Schalter Molekulare elektrische Leiter Molekulare Drähte Moleküle als Energieleiter Molekulare elektronische Funktionseinheiten Nanoröhrchen Molekulare Speicher, Lochbrennen Elektrolumineszenz, Leuchtdioden, Photovoltaik Ausblick: Intelligente molekulare Materialien Aufgaben Anhang A1 Die Berechnung von Erwartungswerten für Wellenfunktionen, die durch Determinanten dargestellt sind A1.1 Berechnung von Determinanten A1.2 Berechnung von Erwartungswerten A2 Berechnung der Dichte von Lichtwellen Literaturverzeichnis zur Ergänzung und Vertiefung Lehrbücher der Physik und Physikalischen Chemie Lehrbücher der Atom- und Molekülphysik Lehrbücher der Quantentheorie und Quantenchemie Spezielle Literatur, soweit nicht bereits erwähnt Sachverzeichnis...519
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