KE522: Kvantekemi og teoretisk spektroskopi (10 ECTS)

STADS: 10011001

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:
Fortsætter fra efterårssemestret.

Indgangskrav:
Ingen

Faglige forudsætninger:
Indholdet af kurserne på første studieår forudsættes kendt.

Kursusintroduktion
Kursets mål 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 skal også give den grundlæggende kvantemekaniske baggrundsviden for videregående kurser i molecular modelling, beregningskvantekemi, NMR spektroskopi m.m., uorganisk kemi og fysisk organisk kemi.

Forventet læringsudbytte
Efter kursets afslutning forventes den studerende at kunne:

• 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 regel, 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.
• 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 en-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 (screening) til at forklare atomers egenskaber i molekyler og krystaller: elektronegativitet, grundtilstanden af overgangsmetaller, forskelle i ioniseringsenergier og elektronaffiniteter, forskelle i bindingsegenskaber for forskellige oxidationstilstande, krystaller.
• bestemme symmetrielementer, -operationer og punktgrupper og klassificere molekyler med hensyn til punktgruppe og rotortype
• anvende gruppeteori på kemiske problemstillinger, herunder
  o vurdere, om et molekyle er chiralt
  o bestemme irreducible repræsentationer for funktioner og produkter af disse.
  o konstruere symmetriorbitaler ud fra et sæt af atomorbitaler
  o konstruere symmetrikoordinater ud fra et sæt af atomkoordinater
  o hvilke symmetriorbitaler der kan vekselvirke o opskrive elektronkonfigurationer og termsymboler for molekyler
  o bestemme om en optisk overgang er tilladt eller forbudt
  o beskrive krystalstrukturerne for molekylære materialer ved anvendelse af begreberne gitre, enhedsceller og rumgruppesymmetri
• forudsige elektronisk spektre, fotoelektroniske spektre, vibrationelle spektre og rotationelle spektre for alle typer molekyler ud fra molekylsymmetri og udvalgsregler, herunder bestemme fordelingen af normalsvingninger på symmetrispecies og forudsige om en given normalkoordinat giver anledning til en absorption i hhv. IR og Raman spektret
• 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 simpel Hückelteori, Extended Hückelteori og semi-empiriske eller bedre metoder, fortolke resultaterne af beregningerne ifm. f.eks. kemisk reaktivitet eller elektronspektre, samt redegøre for den overordnede forventning til nøjagtigheden af de forskellige modeller
• anvende relevante dele af ovenstående til at udføre et kvantekemisk projekt, som ligger i forlængelse af lærebogens pensum, formidle resultatet af projektet mundtligt for medstuderende, 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.

Emneoversigt
Følgende emner vil blive gennemgået og diskuteret:

Kvantemekaniske principper, Schrödingerligningen, atomorbitaler, skærmning og atomorbitalenergier, Born-Oppenheimer approksimationen, molekylorbitaler, elektrontilstande. Punktgrupper, rumgrupper, karaktertabeller og deres anvendelser til bestemmelse af symmetritilpassede funktioner og spektroskopiske udvalgsregler (IR, Raman, UV/vis). Approksimationsmetoder, beregningskemi. Tidsafhængig perturbation, vekselvirkning mellem lys og stof, rotations-vibrationsspektre, elektronspektre, fotoelektronspektre, ligand-felt teori, kemisk reaktion, herunder Woodward-Hoffmann reglerne. Teoretisk baggrund for optisk rotations-, vibrations-, elektronisk og fotoelektronisk spektroskopi. Projekt i aftalt emne hvor teorien anvendes og hvor nogle af kompetencerne demonstreres.

Litteratur
Der er i øjeblikket ikke angivet nogle materialer for kurset.

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

Forudsætningsprøver
Ingen

Eksamen- og censurform:

1. Efterår: To obligatoriske afleveringer: 1 sidst i september og 1 sidst i oktober. 24 timers elektronisk test i december. Bedømmes samlet. Bestået/ikke-bestået, intern censur ved underviser (5 ECTS). (10010902)
2. Forår: En obligatorisk aflevering i marts. En 30 minutters mundtlig eksamen i juni. Eksamen består dels af forsvar af projektopgaven, dels af et spørgsmål i pensum. Bedømmes samlet, karakter efter 7-trinsskalaen og ekstern censur (5 ECTS). (10011002)

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: 70 timer, heraf:
 - Eksaminatorie: 50 timer
 - Laboratorieøvelser: 20 timer

Aktiviteter i studiefasen Studiefase: 130 timer

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

Bemærkninger
Undervisningsformen i disse timer vil bestå af en afveksling mellem at være undervisercentreret og studentercentreret, f.eks. hvor de studerende løser uddybende og aktiverende opgaver ifm det underviseren netop har introduceret

Samlæses indtil uge 42 med kandidatkurset KE818

Kursustilmelding
Se tilmeldingsfrister.

Pris for åben uddannelse
Se priser for enkeltkurser.

Denne kursusbeskrivelse var gyldig fra 1. september 2015 til 31. august 2016.