PflichtmodulSpektroskopie und Mikroskopie

komplexer Systeme (SMKS)

- Spektroskopie: Weinkauf (3 V + 1 Ü)- Mikroskopie: Seidel (2 V)

Im Wesentlichen sind das die aktuellen Forschungsgebiete der PC Arbeitsgruppen: R. Weinkauf, Karl Kleinermanns, Michael Schmitt,

Klaus Seidel, Peter Gilch

Zeit und Ort

Beginn: 11.10.2011Vorlesung Teil 1

Vorlesung: Teil 1

Vorlesung: Teil 2

Montag10:30 – 12:15Pause?Dienstag10:30 – 11:15Mittwoch8:30 – 10:15

Raum26.11.HS 6H

Raum26.11.HS 6HRaum26.11.HS 6H

Übung Dienstag11:30 – 12:152 GruppenStefan Vosskötterund ich

Raum26.11.HS 6HSeminarraum26.43.O2.24PC 1

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Beginn: 25.10.2011

Klausur

Termine

Hauptklausur

PC-M08.02.2012

In der Woche nach Semester-ende (03.02.12)13 – 15 Uhr26.41.6 G/J/H

Nachklausur nach SoSe

Modalitäten- Dauer: 120 min- 1 DIN A4 Blatt beidseitig handschriftl.

beschrieben- Taschenrechner- Die Übungsaufgaben sind Grundlage der Klausur

Das Konzept meines Teils der Vorlesung

wichtige Bilder als Hardcopy von mir mitgebracht

1. Wichtige Teile der Vorlesung an der Tafel.

2. Wichtig für Sie: - Zur Vorlesung gehen!- Übungsaufgaben lösen!

3: Vorlesungsskript wird mit Verzögerung ins Netz gestellt

Passwort: SMKS_WK_2011

Problem: Der Teil Seidel hat keine Übungen und wenig Formelanteil

Literatur (Teil 1 „Spektroskopie ...“)

Physikalische Chemie3. AuflageP.W. AtkinsWiley-VCH ISBN 3527302360

Principles ofFluorescence SpectroscopyJ.R. LakowiczSpringerISBN: 9780387312781

Mathematik für ChemikerH.G. Zachmann, A. JüngelWiley-VCHISBN: 9783527303151

Molekülphysik und QuantenchemieH. Haken, H.C. WolfSpringer ISBN: 978-3540435518

Femtosecond Laser PulsesC. RulliereSpringer ISBN: 978-0387017693

Photochemistry ofOrganic CompoundsP. Klán, J. WirzWileyISBN: 1405161736

Chemical Dynamics inCondensed PhasesA. NitzanOxford Graduate Texts ISBN: 9780198529798

Gliederung der Vorlesung

Grundlegende PrinzipienMotivation, historischer Abriss, EM-Wellen, Spektralbereiche, Resonanz, allgemeine Methoden, nicht-lineare Spektroskopie

Weinkauf

Spektroskopie von Molekülen in der Gasphase und in flüssiger PhaseIsolierte Moleküle, Rotationen, Schwingungen, elektronische Anregungen, Unterschiede Gasphase / flüssige Phase

WeinkaufM. Schmitt

Zerfall angeregter Zustände und zeitaufgelöste SpektroskopieChemische Zeitskalen, Methoden der zeitaufgelösten Spektroskopie, strahlende und nicht-strahlende Prozesse, Quantenausbeuten, Energie-und Elektrontransfer, Photochemie

Grundlagen der statistischen Thermodynamik

Weinkauf

WeinkaufEinzelmolekülspektroskopie und OberflächenanalytikMikroskopie mit “molekularer” Auflösung, optische Mikroskopie, Einzelmolekülspektroskopie, FRET, Photoelektronen-spektroskopie, Oberflächen

Seidel

Warum steht die Spektroskopie mit elektromagnetischen Wellen im Zentrum eines Pflichtmoduls?

Motivation: Analytik, Die Spektroskopie ist ein Schwerpunkt der PC-Forschung in Düsseldorf

Geschichte

Spektroskopie: Existenz von diskreten Linien!

He - Spektrum

Spektroskopie und Aufbau der Materie

Einen Großteil unseres Wissens über den Aufbau der Materie verdanken wir spektroskopischen Untersuchungen!

Beispiel: Aufbau von Atomen

Balmer-Serie des H-Atoms

Johann JakobBalmer

Niels Bohr

Spektroskopie und Analytik

Viele (die meisten?) Methoden der instrumentellen Analytik nutzen spektroskopische Verfahren. Dies gilt für die qualitative und diequantitative Analytik.

Beispiele

(Flammen-)Atomabsortions-spektroskopie (AAS)

Photometrie

Weitere: NMR, ESR, UV-VIS, IR, Raman, RöntgenspektroskopieFRET .......

Instrumentelle Analytik ohneSpektroskopie:

Lichtanwendungen (Farbnachweis bzw. Spektroskopie)

-Untersuchungen zum Ozonloch, Atmosphärenanalytik,- Astronomie

-Überwachung von Schadstoffausstoß- Überwachungen von Verbrennungsprozessen - Farbgebung, Farbstabilität- Abwasseranalytik- Milchalterung- Abfalltrennung (Polymere) .....

-Vorteil: Berührungslos, zerstörungsfrei selektiv und schnell

Astronomie

Unser Wissen über die Zusammensetzung von Himmelskörpern fußthauptsächlich auf spektroskopischen Untersuchungen!

Entdeckung des Heliums (1868)

Pierre Janssen1824-1907

Suche nach Exoplaneten

Planeten, die einen Stern umkreisen, bewirken periodische Bewegungendieses Sterns (warum?). Diese können über die Dopplerverschiebungvon Spektrallinien nachgewiesen werden.

Es werden Spektrographen mit hoher Auflösung benötigt!

Die ESO hat 2003 einen solchen in Betrieb gesetzt.

Dopplerverschiebung (longitudinale):

http://www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2003/pr-06-03.html

Dynamik der Materie: Messen von Zeitverhalten

Spektroskopie ist schnell und deshalb auch besonders geeignet Veränderungen der Materie als Funktion der Zeit (Dynamik der Materie)zu verfolgen.

Chemische Reaktionen sind ein „Extremfall“ der Dynamik der Materie. (Zeitaufgelöste) Spektroskopie ist daher das Instrument der chemische Kinetik und der Reaktionsdynamik.

Die Zeitauflösung erlaubt Elementarprozesse sichtbar zu machen. Damit wir ein detailliertes Verständnis solcher Prozesse möglich

Geschichte der Spektroskopie - Übersicht

1304

Dietrich von FreibergsArbeiten zum Regenbogen

~1620

Willebrord SnelliusBrechungsgesetz

1666

Isaac NewtonSpektralauf-spaltung

1690

Christian HuygensWellentheorie desLichts

1752

Thomas MelvillErstes Linien-spektrum

1800

Wilhelm HerschelInfrarot-Strahlung

1801

William Hyde WollastonJohann Wilhelm RitterUV-Strahlung

1814

Joseph von FraunhoferBeugungsgitterLinien im Sonnenspektrum

1855

Gustav Robert Kirchhoff Robert Bunsen Zusammenhang Emission &Absorption

1864

James Clerk MaxwellLicht ist EM-Welle

1882

Captain AbneyLieut.-Colonel FestingIR-Spektrum

1900

Max PlanckQuantentheorie desSchwarzen Strahlers

1905

Albert EinsteinDeutung desPhotoeffekts

1913

Niels BohrAtommodell ψψ EH =ˆ

1925-27

Heisenberg, Schrödinger,Born, Dirac, de Broglie, etc.Quantenmechanik

1928 1938 1951

C. V. RamanInelastischeLichtstreuung anMolekülen

Isidor RabiNMR anMolekularstrahl

J. Arnold et al.Chemische Verschiebungenvon 1H

1960

Theodore MaimanLaser

P. A. Franken et al.Frequenz-Verdopplung(Beginn der nicht-linearenOptik)

1961

1966

R. R. ErnstW. A. AndersonFT-Methoden fürNMR

1954

Gerhard HerzbergKlassiker zurMolekülspektroskopie

1964

Logan E. HargroveModenkopplung

1999

Achmed ZewailNobelpreis für„Femtochemie“

1974

M. Fleischmann et al.SERS-Effekt

1970

L. S. Vasilenko et al.DopplerfreieZweiphotonen-spektroskopie

1970

W.S. Boyle, G.E. SmithCCD-ChipNobelpreis 2009

„Aus der Geschichte lernen“ I

Newtons Experiment zur Spektralzerlegung (1666) –Ein früher Spektrograph

(Skizze von Newton)

„Aus der Geschichte lernen“ II

Kirchhoffs und Bunsens Experimente zur Spektralanalyse (1859)

Absorptionsspektrum

Emissionsspektrum

Jedes Atom hat ein eigenes Muster: Neue Linien gehören also zu neuen Elementen.

„Aus der Geschichte lernen“ III

Einsteins theoretische Arbeit zum photoelektrischen Effekt (1905)

Exp.: Elektronen fliegen gegen GegenspannungWork function ist Materialabhängig,Licht ist gequantelt, Bestimmung der Größe von h (Planck-Konst. h = 6,625 x 10-34 Js)

Lichteinfall

„Aus der Geschichte lernen“ IV

NMR-Spektroskopie (ab 1938)

Ursprüngliche Motivation für die NMR-Spektroskopie war die Bestimmungder gyromagnetischen Verhältnisse γ (oder g) von Atomkernen.

Proportionalitätsfaktor zwischen magnetischen Moment μ und Spin S eines Elementarteilchens:

γ beeinflusst die Zeeman-Energie und damit die Resonanzfrequenz

Beispiel: Geometrische und chemische Struktur von Molekülen

Erstes 1H-NMR-Spektrum einer organische Verbindung.J.T. Arnold et al. J. Chem. Phys. 19 (1951) 507

Als „Dreckeffekt“ sind dabei die chemischen Verschiebungen und dieSpin-Spin-Kopplungen entdeckt worden!

Problem: Thermische Besetzung unten und oben ist sehr ähnlich, also größeres Magnetfeld