PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker

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1 PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker 9. Vorlesung Evelyn Plötz, Thomas Schmierer, Gunnar Spieß, Peter Gilch Lehrstuhl für BioMolekulare Optik Department für Physik Ludwig-Maximilians-Universität München

2 Erinnerung Reflexionsgesetz Brechungsgesetz Absorption und Dispersion als Folge von Resonanz Beugung und Interferenz

3 Handkoloriertes Sonnenspektrum von J. von Fraunhofer, 1814 Spektroskopie

4 Zunächst: Physikalische Messgröße x kann nur diskrete Werte x i annehmen Was ist ein Spektrum? Häufigkeit/ Wahrscheinlichkeit Kontinuierliche Messgröße x Werte x i W.dichte Wert x Ein Spektrum ist die Auftragung einer Messgröße gegen ihre Häufigkeit!

5 So allgemein wollen wir es nicht: Spektroskopie mit elektromagnetischen Wellen Unser Messgröße ist dabei die Wellenlänge λ bzw. die Frequenz ν. Wie drücken wir die Häufigkeit aus? (Auswahl) Welle Photonen Transmission

6 Was braucht man um ein Spektrum aufzunehmen? Wenn das Objekt selber leuchtet... Wenn es nicht leuchtet... Detektor: Photofilm Photomultiplier CCD-Chip N O O Intensität CF 3 Wellenlänge

7 Licht nach Farben sortieren Gitterspektrometer Beugung und Brechung können u.a. verwendet werden, um aus polychromatischem Licht monochromatisches Licht Experiment herauszufiltern. CD-Spektrometer Wir konzentrieren uns hier auf das Gitterspektrometer. Gittergleichung (senkrechter Einfall): In der Praxis werden meist Reflexionsgitter verwendet! Aus W. Zinth / U. Zinth Optik Achtung: Die Ordnungen!

8 Nicht perfekt sortiert das spektrale Auflösungsvermögen Wir wollen zwei spektrale Signaturen unterscheiden, die bei den Wellenlängen λ und λ+ λ liegen. Rayleigh-Kriterium für Auslösung: Spektrale Signaturen können durch instrumentelle Begrenzungen ausgeschmiert werden.

9 Das maximal erreichbare Auflösungsvermögen eines Gitterspektrometers ergibt sich aus der Zahl der beleuchteten Striche (Spalte) Breite der Maxima hängt von Zahl der Spalte ab: Intensity [a.u.] B = sin (πa sin θ/λ) Auflösungsvermögen: Wenn man es besser will, braucht man Laser! Aufbau MPQ Garching

10 Experiment Absorption Licht verschwindet Absorptionsspekten Intensität N O CF 3 O Intensität Transmission λ Transmission kürzt die Lichtquelle weg! λ Was bestimmt die Transmission? Absorption λ λ Lambert-Beersches Gesetz:

11 Was passiert bei der Absorption? - klassisch EM-Welle Modell eines polaren 2-atomigen Moleküls - Eigenfrequenz Power P [a.u.] Frequency ω [a.u.]

12 Was passiert bei der Absorption? - quantenmechanisch Zwei Vorgriffe auf die Quantenmechanik: 1. Licht ist nur Welle sondern manchmal auch Teilchen, diese Teilchen nennt man Photonen, ihre Energie hängt von der Frequenz ν ab: 2. Atome und Moleküle können Energie nur portionsweise aufnehmen, die Größe der Portion hängt vom Energieabstand E von Niveaus ab. E 2 Photonen E 1

13 Arten molekularer Anregung Anregung von Kernzuständen Anregung von Rumpfelektronen Anregung von Valenzelektronen Schwingungssspektren Rotationsspektren Magnetische Resonanz

14 Ein Beispiel: IR-Spektroskopie Die Schwingungsfrequenzen der Atomkerne in Molekülen liegen im IR-Bereich (~ s -1 oder ~ 1000 cm -1 ). IR Spektroskopie liefert daher Informationen über die Struktur von Molekülen und die Stärke chemischer Bindungen. Reduzierte Masse: IR-Absorption Frequenz ν O=C=O IR-Absorption Frequenz ν

15 O OH H H H O N + O H Raman/IR Atlas of Organic Compounds, B. Schrader, W. Meier, Verlag Chemie 1974 Bei großen Molekülen kommt es zu kollektiven Bewegungen vieler Atome, sogenannte Normalmoden. Deren Frequenzen und Bewegungsformen lassen sich quantenchemisch berechnen. Experiment Resonanz mit Blattfedern Experiment Berechnete Schwingungen eines polyatomaren Moleküls

16 Die Übergangsfrequenz selbst aussuchen: Magnetische Resonanz Das Elektron und viele Atomkerne besitzen einen Spin und damit ein magnetisches Moment. Im einem äußeren Magnetfeld führt dies zu Aufspaltung von Energieniveaus. Zwischen diesen Niveaus kann es zu Aufspaltungen kommen. Für sogenannte s=1/2 Teilchen (z.b. Proton) gilt: Kernmagneton g-faktor Energie E Magnetfeld B Resonanz bei:

17 Die Resonanzfrequenz (z.b.) des Protons hängt der von chemischen Umgebung des Protons ab: NMR Spektrum von Ethanol Relatives Frequenzmaß (ppm)