Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Podobne dokumenty
Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Struktura elektronowa czasteczek. przybliżenie Borna-Oppenheimera. równania Schrödingera dla elektronów przy ustalonym po lożeniu jader

Podstawy chemii obliczeniowej

Wykład 5: Cząsteczki dwuatomowe

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Wykład z Chemii Ogólnej

Orbitale typu σ i typu π

Fizyka atomowa r. akad. 2012/2013

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

c) prawdopodobieństwo znalezienia cząstki między x=1.0 a x=1.5 jest równe

Atomy wieloelektronowe

Symbol termu: edu (sumy ca lkowitego orbitalnego momentu edu i ca lkowitego spinu) Przyk lad: 2 P 3. kwantowa

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Elektronowa struktura atomu

Geometria cząsteczek wieloatomowych. Hybrydyzacja orbitali atomowych.

Cząsteczki. 1.Dlaczego atomy łącz. 2.Jak atomy łącz. 3.Co to jest wiązanie chemiczne? Jakie sąs. typy wiąza

3. Cząsteczki i wiązania

Inżynieria Biomedyczna. Wykład XII

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

Wykład Budowa atomu 3

Spis treści. Metoda VSEPR. Reguły określania struktury cząsteczek. Ustalanie struktury przestrzennej

Elementy chemii obliczeniowej i bioinformatyki Zagadnienia na egzamin

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Teoria Orbitali Molekularnych. tworzenie wiązań chemicznych

3. Cząsteczki i wiązania

1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Temat Ocena dopuszczająca Ocena dostateczna Ocena dobra Ocena bardzo dobra Ocena celująca. Uczeń:

Stara i nowa teoria kwantowa

TEORIA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas II LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

1 i 2. Struktura elektronowa atomów, tworzenie wiązań chemicznych

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Ćwiczenia. Monika Musia l

Stany skupienia materii

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas I LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Wykład przygotowany w oparciu o podręczniki:

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Zasady obsadzania poziomów

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Atomy wieloelektronowe i cząsteczki

RJC. Wiązania Chemiczne & Slides 1 to 39

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej metodę (teorię): metoda wiązań walencyjnych (VB)

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Podstawy chemii. dr hab. Wacław Makowski. Wykład 1: Wprowadzenie

STEREOCHEMIA ORGANICZNA

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

H H 2.5 < H H CH 3 N O O H C N ŁADUNEK FORMALNY. 2.5 dla atomu węgla C C 2.5 H 2.1. Li 1.0. liczba e - walencyjnych w atomie wolnym C 2.5 H 2.

Podstawy chemii obliczeniowej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wiązania kowalencyjne

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Chemia kwantowa. Pytania egzaminacyjne. 2010/2011: 1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Wykład 5 XII 2018 Żywienie

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Ligand to cząsteczka albo jon, który związany jest z jonem albo atomem centralnym.

b) Pierwiastek E tworzy tlenek o wzorze EO 2 i wodorek typu EH 4, a elektrony w jego atomie rozmieszczone są na dwóch powłokach elektronowych

0900 FS2 2 FAC. Fizyka atomu i cząsteczki FT 8. WYDZIAŁ FIZYKI UwB KOD USOS: Karta przedmiotu. Przedmiot moduł ECTS. kierunek studiów: FIZYKA 2 st.

Elektronowa struktura atomu

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Budowa atomu Poziom: rozszerzony Zadanie 1. (2 pkt.)

CHEMIA 1. INSTYTUT MEDICUS Kurs przygotowawczy na studia medyczne kierunek lekarski, stomatologia, farmacja, analityka medyczna ATOM.

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Elementy teorii powierzchni metali

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Monika Musia l

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Konwersatorium 1. Zagadnienia na konwersatorium

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Wiązania chemiczne, budowa cząsteczek

Metody obliczeniowe chemii kwantowej oparte na funkcji falowej. Dla uk ladu N elektronów i K j ader atomowych hamiltonian przyjmuje postać:

Rozwój i zastosowanie wieloreferencyjnych metod sprzężonych klasterów w opisie stanów podstawowych i wzbudzonych układów atomowych i molekularnych

Chemia Ogólna wykład 1

Oddzia lywania miedzycz. jony molekularne lub atomy. edzy A i B:

Wykład z Chemii Ogólnej

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej jedną z dwóch metod (teorii): metoda wiązań walencyjnych (VB)

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

zaprezentowana w 1940 roku (Sidgwick i Powell). O budowie przestrzennej cząsteczki decyduje łączna liczba elektronów walencyjnych wokół atomu

Wykład 16: Atomy wieloelektronowe

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Widmo sodu, serie. p główna s- ostra d rozmyta f -podstawowa

Teoria funkcjona lu g

Wykład Atom o wielu elektronach Laser Rezonans magnetyczny

JEDNOSTKI ATOMOWE =1, m e =1, e=1, ; 1 E 2 h = 4, J. Energia atomu wodoru lub jonu wodoropodobnego w jednostkach atomowych:

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

Cząsteczki wieloatomowe - hybrydyzacja. Czy w oparciu o koncepcję orbitali molekularnych można wytłumaczyć budowę cząsteczek?

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Struktura elektronowa

Konfiguracja elektronowa atomu

Transkrypt:

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Część I: Optyka, wykład 9 wykład: Piotr Fita pokazy: Andrzej Wysmołek ćwiczenia: Anna Grochola, Barbara Piętka Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski 2014/15

Plan 1 Wiazanie chemiczne 2 Metoda orbitali molekularnych 3 Hybrydyzacja 4 Krzywe energii potencjalnej

Literatura Literatura dotyczaca struktury i spektroskopii czasteczek chemicznych (Wykłady 9 i 10): Paweł Kowalczyk, Fizyka czasteczek, PWN, Warszawa 2000 Hermann Haken, Hans C. Wolf, Fizyka molekularna z elementami chemii kwantowej, PWN, Warszawa 1998

Pytania Dlaczego atomy łacz a się w czasteczki? (przecież sa elektrycznie obojętne!) Jaka jest struktura energetyczna czasteczek? Dlaczego jedne czasteczki sa bardziej trwałe od innych? W jaki sposób czasteczki oddziałuja ze światłem?

Dlaczego atomy tworza wiazania chemiczne? Quasi-fenomenologiczny opis chemiczny: atomy przekazuja sobie lub uwspólniaja elektrony, daż ac do zapełnienia powłok elektronowych [www.yenka.com] [www.school-for-champions.com]

Energia wiazań

Energia elektronów w czasteczce Hamiltonian elektronowy w polu nieruchomych jader: H = i T i + i V i + i<j V ij Energia kinetyczna i-tego elektronu: T i = 2 2m 2 i Energia oddziaływania i-tego elektronu z jadrami: V i = 1 4πɛ 0 N Z N e 2 r i R N Energia oddziaływania i-tego elektronu z j-tym: V ij = 1 4πɛ 0 e 2 r i r j

Metoda pola samouzgodnionego Aby uniknać problemów wynikajacych z tego, że ruch jednego elektronu wpływa na wszystkie inne, wprowadzamy przybliżenie, mówiace że elektron porusza się w uśrednionym polu elektrostatycznym wszystkich innych elektronów Zastępujemy i<j V ij i U i U i energia potencjalna i-tego elektronu w polu pozostałych Wtedy H = i T i + i V i + i U i = i H 0 i H 0 i hamiltonian jednoelektronowy

Rozwiazania jednoelektronowe Równanie Schrődingera z pełnym hamiltonianem: H Ψ = E Ψ H = i H0 i a Hi 0 działaja na różne zmienne, więc Ψ = i ψ i E = i E i gdzie ψ i i E i sa rozwiazaniami jednolektronowych równań: H 0 i ψ i = E i ψ i ψ i orbitale molekularne Czyli możemy się zajać tylko jednym elektronem uff...

Orbitale molekularne przybliżenie kombinacji liniowej orbitali atomowych Elektron "przebywa częściowo" przy każdym z atomów tworzacych wiazanie, więc możemy przybliżyć orbital molekularny kombinacja liniowa orbitali atomowych φ A : ψ i >= A c i A φ A φ A sa centrowane na odpowiednich atomach Jest to przybliżenie, które nie daje dokładnych wyników liczbowych, ale wnioski sa zgodne jakościowo i łatwe w interpretacji!

Metoda orbitali molekularnych w zastosowaniu do czasteczki dwuatomowej homojadrowej ψ = c A φ A + c B φ B Z symetrii c A = ±c B Orbitale molekularne (unormowane, ψ ψ = 1): ψ + = φ A + φ B ψ = φ A φ B 2(1 + S) 2(1 S) Całka nakrywania S = φ A φ B (Szczegóły na tablicy)

Energia elektronu Energia elektronu w stanie ψ : E ± = ψ ± H 0 ψ ± = H AA ± H AB 1 ± S H AA = φ A H 0 φ A E at energia elektronu w atomie H AB = φ A H 0 φ B αs, gdzie α > 0 Dwa stany elektronowe: E + = E at + H AB E at S 1 + S = E at E + E = E at H AB E at S 1 S = E at + E E > E + (Szczegóły na tablicy)

Konfiguracje elektronowe orbital antywiaż acy ψ - > ΔE - φ A > φ B > ψ + > ΔE + orbital wiaż acy Dodatni jon wodoru H + 2 : Czasteczka H 2 : 1σ + u 1σ + u 1s 1s 1s 1s 1σ + g 1σ + g Stabilna czasteczka Stabilniejsza niż H + 2

Konfiguracje elektronowe Co z ujemnym jonem H 2? A czasteczka helu? 1σ + u 1σ + u 1s 1s 1s 1s 1σ + g 1σ + g Jeden elektron na orbitalu antywiaż acym czasteczka mało stabilna, ale obserwowana [B. Jordon-Thaden et. al., Phys. Rev. Lett 107, 193003 (2011)] Dwa elektrony na orbitalu antywiaż acym wzrost energii przeważa nad zyskiem czasteczka nie istnieje

Konfiguracje elektronowe Lit Czasteczka Litu Li 2 : 2s 2σ + u 2s Efekty wiazania/antywi azania elektronów wewnętrznych praktycznie się znosza 2σ + g O energii wiazania decyduja dwa elektrony z powłoki 2 stabilna czasteczka 1s 1σ + u 1s W tworzeniu wiazań uczestnicza praktycznie tylko elektrony walencyjne 1σ + g

Funkcje falowe Orbital wiaż acy duża gęstość elektronowa pomiędzy jadrami efekt przyciagania elektrostatycznego Orbital antywiaż acy znikajaca gęstość elektronowa pomiędzy jadrami [photonicswiki.org]

Nakładanie orbitali p Orbitale wiaż ace utworzone przez kombinacje liniowe, w których rośnie gęstość elektronowa w obszarze pomiędzy atomami

+ + Symetrie orbitali w czasteczkach dwuatomowych Obrót wokół osi czasteczki orbitale wiążące z orbitali atomowych s i p z obrót o 180 o nie zmieniają znaku - orbitale σ orbitale wiążące z orbitali atomowych p x i p y + + = zmiana znaku na przeciwny orbitale π

Symetrie obrotowe a moment pędu W czasteczkach dwuatomowych [L, H] 0, ale [L z, H] = 0 L z jest określone i numerowane liczba kwantowa m l : W stanach σ : m l = 0 W stanach π : m l = ±1 W stanach δ : m l = ±2 Im większy rzut momentu pędu na oś cz asteczki tym więcej płaszczyzn węzłowych ma funkcja falowa.

+ + + Wiazanie chemiczne Metoda orbitali molekularnych Hybrydyzacja Krzywe energii potencjalnej Symetrie orbitali w czasteczkach dwuatomowych Inwersje i odbicia nie zmieniają znaku - orbitale gerade (g) zmiana znaku - orbitale ungerade (u) Orbitale wiaż ace: σ g +, π u Orbitale antywiaż ace: σ u +, π g ("+" oznacza brak zmiany znaku przy odbiciu względem dowolnej płaszczyzny zawierajacej oś czasteczki)

Stany wzbudzone Czasteczka azotu stan podstawowy N 2 3σ + u 1π g 2p 1 Σ g + 2p 1 Σ g + multipletowość symetrie 3σ + g 1π u Rzut orbitalnego momentu pędu stany wzbudzone 3σ + u 3σ + u 1π g 1π g 2p 1 Π g 2p 2p 3 Π g 2p 3σ + g 3σ + g 1π u 1π u

Czasteczki heteroatomowe W czasteczkach heteroatomowych orbitale molekularne moga być tworzone z różnych orbitali atomowych ψ = c A φ 1 A + c B φ 2 B c A 2 c B 2 Czasteczka fluorowodoru (HF): Fluor Wodór 2p: -18,6 ev 1s: -13,6 ev 2s: -38 ev 1s: -694 ev Fluor 2p 4σ + 3σ + 1π Wodór 1s 2s 2σ + 1s 1σ +

Hybrydyzacja W niektórych czasteczkach w tworzeniu orbitalu molekularnego uczestniczy więcej niż jeden orbital z każdego atomu ψ = i c i A φ i A + j c j B φj B i ci A φi A - zhybrydyzowany orbital atomu A [www.grandinetti.org]

Hybrydyzacja W atomie węgla W atomie węgla mieszaja się orbitale s i p Hybrydyzacja sp 3 w czasteczce metanu CH 4 [www.periodni.com]

Hybrydyzacja sp 2 [www.periodni.com, wps.prenhall.com] Jeden orbital p pozostaje niezhybrydyzowany Kat 120 o pomiędzy orbitalami sp 2

Czasteczka benzenu Sześciokatny kształt czasteczki benzenu zdeterminowany przez orbitale sp 2 (orbitale molekularne σ) Elektrony na orbitalach atomowych p z (orbital molekularny π) sa zdelokalizowane (układ aromatyczny) [www.chemtube3d.com]

Energia elektronów w zależności od odległości jader Przy R energia czasteczki daży do energii dwóch oddzielnych atomów Przy R 0 energia daży do nieskończoności Dla R = R e energia przyjmuje wartość minimalna E min Np. potencjał Morse a: E(R) = D [ 1 e α(r Re)] 2 E el R D R e R

Krzywe energii potencjalnej [J. Szczepkowski, A. Grochola, W. Jastrzębski, P. Kowalczyk, Chem. Phys. Lett. 576, 10 (2013)]