KE522: Kvantekemi og teoretisk spektroskopi (10 ECTS)

STADS: 10012901

Niveau
Bachelorkursus

Undervisningsperiode
Kurset begynder i efterårssemesteret og fortsætter i forårssemesteret.

Ansvarlige undervisere
Email: hjj@sdu.dk

Yderligere undervisere
kongsted@sdu.dk

Skemaoplysninger
Vis hele skemaet
Vis personligt skema for dette kursus.

Kommentar:
Samlæses med KE818 uge 36-46.

Indgangskrav:
Ingen.

Faglige forudsætninger:
Studerende, der følger kurset, forventes at:

• Have kendskab til indholdet af matematik-, fysik- og kemi-delen af kurserne på første studieår i bacheloruddannelsen.
• Hvis KE529 eller lignende ikke er fulgt må der påregnes at skulle bruges ekstra studietid på den nødvendige matematik til kurset.
• Kunne anvende de matematiske redskaber fra første år incl. KE529, samt klassisk fysik (specielt kinetisk og potentiel energi, impuls og impulsmoment, kræfter, Coulombpotentialet).

Formål
Kursets formål er at give de studerende en grundlæggende teoretisk forståelse for molekylers elektronstruktur, kemisk binding og reaktivitet samt optisk spektroskopi baseret på den kvantemekaniske beskrivelse af atomer og molekyler. Heri indgår gruppeteori og dens konsekvenser for molekylers elektroniske struktur og deres optiske spektre.

Kurset bygger oven på den viden i matematik, fysik og kemi, der er erhvervet i alle kurserne på første år af bacheloruddannelsen i kemi.

Kurset giver et fagligt grundlag for at studere emnerne NMR og anden spektroskopi, uorganisk ligand-felt teori m.v., fysisk organisk kemi, molecular modelling, beregningskvantekemi, samt ISA’er og bachelorprojekt i teoretisk kemi. Nogle af disse emner er obligatoriske, nogle er valgfri, og alle er placeret senere i uddannelsen.

I forhold til uddannelsens kompetenceprofil har kurset eksplicit fokus på at:

• Give kompetence til at fortolke elektroniske, vibrationelle og rotationelle egenskaber af molekyler ud fra kvantemekanikken, med særligt fokus på molekylorbitalteori
• Give færdigheder i at anvende kvantekemiske computerprogrammer til modellering af molekyler på et indledende niveau
• Give viden om og forståelse for molekylorbitalteori og den tilgrundliggende kvantemekanik såvel som det teoretiske grundlag for rotations-, vibrations- og elektronisk spektroskopi.

Målbeskrivelse
For at opnå kursets formål er det læringsmålet for kurset, at den studerende demonstrerer evnen til at:

• redegøre for de kvantemekaniske principper og de nødvendige matematiske teknikker, specielt superpositionsprincippet og variationsprincippet.
• forklare løsningen af Schrödingerligningen for partikel i en kasse og tunneleffekten for en firkantet barrieremodel.
• opskrive både den elektroniske og den totale Hamiltonoperator for ethvert molekyle og forklare betydningen af de enkelte led.
• redegøre for og anvende Born-Oppenheimerapproksimationen, Pauliprincippet, Hunds regler, variationsprincippet, superpositionsprincippet.
• redegøre for den kvantemekaniske beskrivelse af impulsmoment (angulært moment) og dennes betydning med hensyn til at beskrive molekyler rotationsspektre og elektroners impulsmoment i atomer og lineære molekyler.
• redegøre for spin, fermioner og bosoner, kobling af spin med spin og kobling af spin med impulsmomenter (spin-orbit).
• redegøre for løsningerne til Schrödingerligningen for én-elektron atomer og være i stand til at koble atomorbitalers impulsmoment og spin korrekt til totale værdier for flerelektronsystemer, herunder opskrive termsymboler for atomer.
• anvende skærmingsbegrebet (shielding) til at forklare atomers egenskaber i molekyler: elektronegativitet, grundtilstanden af overgangsmetaller, mønstre i ioniseringsenergier og elektronaffiniteter, forskelle i bindingsegenskaber for forskellige oxidationstilstande.
• bestemme symmetrielementer, symmetrioperationer og punktgrupper og klassificere molekyler med hensyn til punktgruppe og rotortype
• anvende gruppeteori på kemiske problemstillinger, herunder
• vurdere, om et molekyle er polært og chiralt
• bestemme irreducible repræsentationer for funktioner og produkter af disse
• konstruere symmetriorbitaler ud fra et sæt af atomorbitaler
• konstruere symmetrikoordinater ud fra et sæt af atomkoordinater
• bestemme symmetrien af en Slaterdeterminant ud fra symmetrien af dens okkuperede orbitaler
• hvilke orbitaler der kan vekselvirke og hvilke mange-elektron bølgefunktioner (primært Slaterdeterminanter) der kan vekselvirke
• opskrive elektronkonfigurationer og termsymboler for molekyler
• bestemme om en specifik optisk overgang (absorption eller emission) mellem to kvantetilstande er dipol tilladt eller forbudt
• forudsige elektronisk spektre, fotoelektroniske spektre, vibrationelle spektre, rotationelle spektre og kombinationer (UV/vis, Xray, PES, XPS, IR, Raman, MW)  for alle typer molekyler ud fra molekylsymmetri og dipol udvalgsregler, herunder:
• bestemme fordelingen af normalsvingninger på symmetrispecies
• forudsige om en given normalsvingning kan observeres i IR og Raman spektre baseret på dens symmetri
• redegøre for den kvantemekaniske beskrivelse af en harmonisk oscillator og forklare hvordan den kan benyttes til at fortolke IR og Raman vibrationsspektre samt vibrationsstruktur i elektronspektre vha. Franck-Condon faktorer
• redegøre for spin-orbit kobling og dens betydning for optiske spektre, specielt fosforescens
• udføre molekylorbitalberegninger med det kvantekemiske programsystem brugt ved computerøvelserne og fortolke resultaterne af beregningerne
• anvende relevante dele af ovenstående til at udføre et kvantekemisk projekt, som ligger i forlængelse af lærebogens pensum, samt forklare, fortolke og perspektivere projektets resultater ved den mundtlige eksamen

Der lægges specielt vægt på, at den studerende er fortrolig med de begreber og sammenhænge, der knytter sig til kursets hovedemner, og kan kombinere disse begreber til at løse mere sammensatte opgaver inden for disse emner.

Indhold
Kurset indeholder følgende faglige hovedområder:

• Schrödingerligningen og kvantemekaniske principper
• atomorbitaler, skærmning og atomorbitalenergier
• Born-Oppenheimer approksimationen
• molekylorbitaler og elektrontilstande
• gruppeteori for punktgrupper, karaktertabeller og deres anvendelser til bestemmelse af symmetritilpassede funktioner og spektroskopiske udvalgsregler (IR, Raman, UV/vis)
• variationsprincippet og introduktion til perturbationsteori
• introduktion til beregningskvantekemi og vurdering af resultater
• introduktion til tidsafhængige perturbationer og vekselvirkning mellem lys og stof
• introduktion til teoretisk beskrivelse af kemiske reaktioner
• teoretisk baggrund for optisk rotations-, vibrations-, elektronisk og fotoelektronspektroskopi

Litteratur

• Atkins, de Paula & Friedman: Physical Chemistry: Quanta, Matter, and Change 2e, ISBN 9780199609819.
  BEMÆRK: det er IKKE den samme "Atkins Physical Chemistry" som bruges i fysisk kemi kurset!

Kursets hjemmeside
Dette kursus benytter e-learn (blackboard).

Forudsætningsprøver

1. Obligatorisk afleveringsopgave i forårssemestret gælder som forudsætning for deltagelse i eksamen b). Bestået/ikke-bestået, intern bedømmelse ved underviser. (10012912).

Eksamen- og censurform:

1. Efterårssemester: To obligatoriske afleveringer + en elektronisk test. Bedømmes samlet. Bestået/ikke-bestået, intern bedømmelse ved underviser. (5 ECTS). (10012802).
2. Forårssemester: En 30 minutters mundtlig eksamen i juni. Eksamen består dels af forsvar af forudsætningsprøvens projektopgave, dels af et spørgsmål i pensum. Bedømmes samlet, karakter efter 7-trinsskalaen og ekstern censur. (5 ECTS). (10012902).

Reeksamen i eksamensform a) i januar.
Eksamensformen ved reeksamen kan være en anden end eksamensformen ved den ordinære eksamen.

Vejledende timetal
På naturvidenskab er undervisningen tilrettelagt efter trefasemodellen dvs. intro, trænings- og studiefasen.
Introfase: 50 timer
Træningsfase: 50 timer, heraf:
 - Eksaminatorie: 40 timer
 - Laboratorieøvelser: 10 timer

Aktiviteter i studiefasen Studiefase: 130 timer

Aktiviteter i studiefasen:

• 50 timer læsning af lærebog og noter
• 20 timer forberedelse til opgaveregning
• 15 timer til 2 obligatoriske afleveringer og elektronisk test
• 20 timer projektarbejde
• 25 timer eksamensforberedelse

Undervisningsform
Undervisningsformen i de såkaldte intro timer vil bestå af en afveksling mellem at være undervisercentreret og studentercentreret, hvor de studerende løser uddybende og aktiverende opgaver i forbindelse med det underviseren netop har introduceret

Sprog
Dette kursus undervises på engelsk, hvis der deltager internationale studerende, ellers undervises på dansk.

Bemærkninger
Administrativ bemærkning: Efterårs UVA 10012801 og forårets UVA 10012901

Kursustilmelding
Se tilmeldingsfrister.

Pris for åben uddannelse
Se priser for enkeltkurser.

Denne kursusbeskrivelse var gyldig fra 1. september 2016 til 31. august 2018.