FYS-6300 MOLEKYYLIEN JA NANO- RAKENTEIDEN KVANTTITEORIA VIIKKO. Luento. Laskuharjoituksia ja



Samankaltaiset tiedostot
FYS-6300 MOLEKYYLIEN JA NANO- RAKENTEIDEN KVANTTITEORIA

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

9. Elektronirakenteen laskeminen

S Fysiikka III (Est, 6,0 op) Viikko 11

9. Elektronirakenteen laskeminen

4. Liikemäärämomentti

MNQT, kl Ryhmäteoria

1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

Johdantoa. 0.1 Mustan kappaleen säteily. Musta kappale (black body): Kvanttimekaniikka. Wienin siirtymälaki jakautuman maksimille on

ja KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

Laskennalinen kemia. Menetelmien hierarkia: Molekyyligeometria Molekyylimekaniikka Molekyylidynamiikka

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

7. Atomien rakenne ja spektrit

Luku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

Luento5 8. Atomifysiikka

Gaussian type orbitals (GTO) basis functions assume the radial part e αr2. Sc. cartesian GTO functions take the form

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

Tilat ja observaabelit

780392A/782631S Fysikaalinen kemia II, 5 op / 4 op

2m 2 r + V (r) ψ n (r) = ɛ n ψ n (r)

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

Luku 9: Atomien rakenne ja spektrit. v=bmivwz-7gmu v=dvrzdcnsiyw

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Molekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering, Micro- and Nanosciences Laboratory. Atomien väliset sidokset

Luku 11: Molekyylien rakenne. Valenssisidosteoria Kaksiatomiset ja moniatomiset molekyylit Molekyyliorbitaaliteoria H

Molekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering. Atomien väliset sidokset

Molekyylit. Atomien välisten sidosten muodostuminen

Luku 13: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Luku 10: Atomien rakenne ja spektrit. Vedyn kaltaiset atomit Atomiorbitaalit Spektrisiirtymät Monielektroniset atomit

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

Luku 10: Molekyylien rakenne. Valenssisidosteoria Kaksiatomiset ja moniatomiset molekyylit Molekyyliorbitaaliteoria H

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

Kvanttifysiikan perusteet 2017

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Kvanttimekaniikka kolmessa ulottuvuudessa Case vetyatomi

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

5.1 Johdanto Helium-atomi Keskeiskenttämalli Paulin kieltosääntö Atomien elektronirakenne 208

Aineaaltodynamiikkaa

Fysiikka 8. Aine ja säteily

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

TONI YLENIUS VAN DER WAALS -VUOROVAIKUTUS ELEKTRONIRAKEN- NETEORIASSA: LASKUMENETELMIEN VERTAILU. Diplomityö

Kvanttimekaniikan perusteet

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

pääkiertoakseli #$%%ä 2C 2 C 2!"

FYS-1270 Laaja fysiikka IV: Aineen rakenne

Potentiaalikuoppa, työohje

Kvanttimekaniikka: Luento 2. Mar$kainen Jani- Petri

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Spin ja atomifysiikka

SISÄLTÖ MITÄ FYSIIKKA ON KLASSILLINEN FYSIIKKA

TILASTOLLISEN KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEITA (AH ) Mikrotilat (kertausta Kvanttimekaniikan kurssilta)

Sidotut tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 5. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Korrespondenssiperiaate. Tapio Hansson Oulun Yliopisto, Fysiikan laitos Ohjaaja: Mikko Saarela

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Potentiaalikuoppa, työohje

Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Potentiaalikuoppa, työohje 12. lokakuuta 2015

Vedynkaltaiset radiaaliaaltofunktiot Roothaan Hall- ja CI-menetelmissä

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

FYSA235, Kvanttimekaniikka I, osa B, tentti Tentin yhteispistemäärä on 48 pistettä. Kaavakokoelma ja CG-taulukko paperinipun lopussa.

TEOREETTINEN FYSIIKKA TEKNIIKAN TUKENA

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

11. MOLEKYYLIT. Kvanttimekaniikka on käyttökelpoinen molekyyleille, jos se pystyy selittämään atomien välisten sidosten syntymisen.

KVANTTIMEKANIIKKA II A. Mikko Saarela

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

Kvanttimekaaninen atomimalli. "Voi hyvin sanoa, että kukaan ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa. -Richard Feynman

Shrödingerin yhtälön johto

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

FY1 Fysiikka luonnontieteenä

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Monen elektronin atomit

Nyt. = R e ik R ψ n (r + R R ) = e ik R [ = e ik R b n ψ n (r R),

Aineen aaltoluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 4. Mikro- ja nanotekniikan laitos

TEEMU SALMI PSEUDOPOTENTIAALIEN KÄYTTÖ POLKUINTEGRAALI- MONTE CARLO -SIMULOINNEISSA. Diplomityö

MOLEKYYLIFYSIIKAN OPETUKSESTA SEKÄ KEMIALLISEN SIDOKSEN VAIKUTUKSESTA MOLEKYYLIEN AUGER-ELEKTRONISPEKTREIHIN

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2011

6.8. Elektronien välisistä vuorovaikutuksista Vaihto- ja korrelaatiovuorovaikutus

Fysikaalisen kemian syventävät työt CCl 4 -molekyylin Ramanspektroskopia

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Vaihdetaan ryhmässä (1) summausindeksiksi K, jolloin saadaan (E E 0 k K 1

T R Hψ = H(r + R)ψ(r + R) = H(r)ψ(r + R) Kahden peräkkäisen translaation vaikutus ei riipu

Kvanttimekaniikkaa yhdessä ulottuvuudessa

13 Atomien sidokset. H 2 molekyylistä.

Aineen ja valon vuorovaikutukset

Transkriptio:

Laajuus: Luentoja: Laskuharjoituksia ja demonstraatioita: Luennoija: Laskuharjoitukset: Aika ja paikka: Oppikirja: 6 op 48 h 12 x 2 h Tapio Rantala, prof. SG219, puh. +358-40-543-3506 Etunimi.Sukunimi@tut.fi http://www.tut.fi/~trantala/ Mikael Kuisma, SG222 http:// ti 10 12 SG312 (Lu) 10 12 SG312 (Lu) to 10 12 SG312 (Harj) P.W. Atkins and R.S. Friedman: Molecular Quantum Mechanics (4. painos); ja S.V. Gaponenko: Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals, Cambridge Studies in Modern Optics Luentomoniste: luentomateriaali vuodelta 2010 saatavilla (http://www.tut.fi/~trantala/) Perustiedot: MNQT, sl 2013 RAKENTEIDEN KVANTTITEORIA Fysiikan tai mian perusopinnot i Joulukuu Marraskuu Lokakuu Syyskuu Elokuu VIIKKO 35 ti MNQT, sl 2013 AIKATAULU sl. 2013 36 ti 37 ti 38 ti 39 ti 40 ti 41 ti 42 43 ti 44 ti 45 ti 46 ti 47 ti 48 ti 49 ti 50 51 Luento 1 2 3 4 to 5 6 7 8 to 9 10 11 12 to 13 14 15 16 to 17 18 to 19 20 21 22 to 23 24 to 25 26 27 28 to 29 30 31 32 to 33 34 35 36 to 37 38 39 40 to 41 42 43 44 to 45 46 47 48 to Tentti 17.12. to ti Harjoitus 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Huom! FYS-6300 MOLEKYYLIEN JA NANO- Tenttiviikko Tenttiviikko ii Tentit: 17.12.13 (sekä 25.2.14 ja 29.4.14)

iii iv SISÄLTÖ Johdantoa... 1 0.1 Mustan kappaleen säteily... 2 0.2 Kiinteiden aineiden ominaislämpö... 4 0.3 Valosähköinen ilmiö... 4 ja Compton ilmiö... 5 0.4 Atomien spektrit... 5 0.5 Aineen aaltoluonne... 6 ja Epätarkkuusperiaate... 6 1. Kvanttimekaniikan perusteet... 7 Kvanttimekaniikan operaattorit... 7 1.1. Lineaariset operaattorit... 7 1.2. Ominaisfunktiot ja ominaisarvot... 7 1.3. Esityksistä... 9 1.4. Kommutoivat operaattorit... 9 1.5. Operaattoreiden konstruointi... 10 1.6. Funktioiden "skalaaritulo" ja normitus... 11 1.7. Diracin bra t-merkintätapa... 11 1.8. Hermiittiset operaattorit... 13 Kvanttimekaniikan postulaatit... 13 1.9. Tila ja aaltofunktio... 15 1.10. Suureet ja operaattorit... 15 1.11. Mittaustulokset... 15 1.12. Aaltofunktion tulkinta... 16 1.13. Aaltofunktio ja sen yhtälö... 17 1.14. Schrödingerin yhtälön separoiminen... 17 Komplementaarisuus ja aikaevoluutio... 18 1.15. Komplemantaariset ja yhtäaikaiset suureet... 19 1.16. Epätarkkuusperiaate... 19 1.17. Epätarkkuusperiaatteen seurauksia... 19 1.18. Energian ja ajan välinen epätarkkuusrelaatio... 20 1.19. Aikaevoluutio ja säilymislait... 20 Matriiseista kvanttimekaniikassa... 21 1.20. Matriisielementit... 21 1.21. Hamiltonin operaattorin diagonalisointi... 22 Schrödingerin yhtälö ja etenevät aallot... 23 1.22. Valoaallon eteneminen... 23 1.23. Hiukkasten eteneminen... 23 1.24. Hiukkasten eteneminen aaltoina... 24 2. Suoraviivainen lii ja harmonien oskillaattori... 25 "Hyvinkäyttäytyvät" aaltofunktiot... 25 Aaltoyhtälön ominaisuuksia... 25 2.1. Aaltofunktion kaarevuus... 25 2.2. 2.3. Kvalitatiiviset ratkaisut ja kvantittuminen... 26 2.4. Tunneloituminen... 26 Etenevä lii... 26 2.5. Energia ja liimäärä... 27 2.6. Etenevä lii... 27 Harmoninen oskillaattori... 28 3. Pyörimislii ja vetyatomi... 31 Pyörimislii ympyräradalla tai kiinteän akselin ympäri... 31 3.1. Hamiltonin operaattori ja Schrödingerin yhtälö... 31 3.2. Liimäärämomentti (impulssimomentti)... 32 3.3. Aaltofunktion muoto... 33 3.4. Klassillinen raja... 33 Pyörimislii pallon pinnalla... 34 3.5. Aaltoyhtälö ja -funktio... 34 3.6. Hiukkasen liimäärämomentti... 36 3.7. Palloharmonisten funktioiden graafinen esittäminen. 36 3.8. Jäykkä roottori... 37 Lii Coulombin sisntässä... 38 3.9. Vetyatomin Schrödingerin yhtälö... 38 3.10. Radiaali- ja rotaatioliikiden separointi... 38 3.11. Radiaalinen Schrödingerin yhtälö... 39 3.12. Todennäköisyystiheys ja radiaalinen jakautumafunktio... 42 3.13. Atomiorbitaalit... 42 4. Liimäärämomentti... 45 Liimäärämomenttioperaattorit... 45 4.1. Operaattorit ja niiden kommutaatiorelaatiot... 45

v vi 4.2. Liimäärämomentti"vektori"... 47 4.3. Tikapuuoperaattorit... 47 Sallitut tilat... 47 4.4. Tikapuuoperaattoreilla "operointi"... 48 4.5. Liimäärämomenttioperaattoreiden ominaisarvot... 48 4.6. Operaattoreiden matriisielementit... 49 4.7. Liimäärämomenttioperaattorin ominaisfunktiot... 50 4.8. Spin... 51 Liimäärämomenttien kytytyminen... 52 4.9. Kytytymätön ja kytytynyt tila... 52 4.10. Kokonaisliimäärämomentin sallitut arvot... 53 4.11. Kytytymisen vektorimalli... 54 4.12. Clebsh Gordan rtoimet... 56 4.13. Usean liimäärämomentin kytytyminen... 58 5. Ryhmäteoria... 59 Symmetria... 60 5.1. Symmetriaoperaatiot... 60 5.2. Molekyylien luokittelu... 62 Ryhmäteoria ja matriisit... 65 5.3. Ryhmä... 65 5.4. Ryhmän rtotaulu... 65 5.5. Matriisiesitykset... 66 5.6. Matriisiesityksen ominaisuuksia... 69 5.7. Esitysten karakteeri... 71 5.8. Karakteerit ja luokat... 71 5.9. Redusoitumattomat esitykset... 72 5.10. Ortogonaalisuusteoreemat... 73 Redusoidut esitykset... 74 5.11. Esitysten redusoiminen... 74 5.12. Symmetria-adaptoituneet kannat... 76 Orbitaalien symmetriasta... 74 5.13. Atomaaristen p-orbitaalien symmetriaominaisuudet 78 5.14. Suora-tulokanta ja atomaariset d-orbitaalit... 79 5.15. Suora-tuloryhmä... 80 5.16. Integraalien symmetriaominaisuuksista... 81 5.17. Symmetria ja degeneraatio... 83 Rotaatioryhmät... 83 5.18. Rotaatio-operaattorit... 83 5.19. Pallon pisteryhmä... 84 6. Häiriöteoriaa ja variaatioteoreema... 85 Ajastariippumaton häiriöteoria... 85 6.1. Kahden tason häiriöteoria... 85 6.2. Usean tason häiriöteoria... 88 6.3. Ensimmäisen rtaluvun energiatermi... 89 6.4. Ensimmäisen rtaluvun korjaus aaltofunktioon... 89 6.5. Toisen rtaluvun energiatermi... 90 6.6. Käytännön näkökohtia... 90 6.7. Toisen rtaluvun energiatermin approksimointia... 90 6.8. Degeneroituneiden tilojen häiriöteoria... 91 Variaatioteoria... 93 6.9. Variaatioteoreema... 93 6.10. Rayleigh-Ritz variaatiomenetelmä... 95 Hellmann Feynman teoreema... 96 Ajastariippuva häiriöteoria... 97 6.11. Kahden tason ajastariippuva häiriöteoria... 97 6.12. Rabin oskillaatiot... 99 6.13. 6.14. Yleinen ajasta riippuva häiriöteoria... 100 6.15. 6.16. Fermin kultainen sääntö... 101 6.17. Einsteinin transitiotodennäköisyydet (A ja B)... 102 6.18. Tilojen elinajat ja spektriviivojen leveys... 103 7. Atomien ranne ja spektrit... 105 Vetyatomin spektri... 105 7.1. Transitiot ja transitioenergiat... 106 7.2. Valintasäännöt... 107 7.3. Elektronin rata- ja spinimpulssimomentit... 109 7.4. Spin ratakytntä... 110 7.5. Spektrin hienoranne... 111 7.6. Spektritermit... 111 7.7. Alkalimetalliatomien spektrit... 113 Heliumin ranne... 113 7.8. Heliumatomi... 113 7.9. Heliumatomin viritetyt tilat... 115 7.10. Heliumin spektri... 118 7.11. Paulin periaate... 119 Monielektroniset atomit... 122 7.12. Kesisnttä- ja orbitaaliapproksimaatio... 122 7.13. Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä... 123 7.14. Slaterin atomiorbitaalit... 124

vii viii 7.15. Itseytyvät eli SCF menetelmät... 126 7.16. Monielektronisten atomein spektritermit... 129 7.17. Hundin säännöt... 129 7.18. LS- ja jj-kytntä... 130 Ulkoisen ntän vaikutus atomiin... 130 9.19 20. Zeeman-ilmiö... 130 9.21. Stark-ilmiö... 131 8. Molekyylien ranne... 133 Born Oppenheimer-approksimaatio... 133 8.1. Born Oppenheimer approksimaation perustelu... 134 8.2. Vetymolekyyli-ioni... 134 Molekyyliorbitaalimenetelmä... 136 8.3. LCAO... 136 8.4. Vetymolekyyli... 140 8.5. Konfiguraatiovuorovaikutus... 141 8.6. Kaksiatomiset molekyylit... 145 8.7. Heteronukleaariset kaksiatomiset molekyylit... 148 Moniatomiset molekyylit... 148 8.8. Symmetriaan adaptoituneet kantafunktiot... 149 8.9. Hüclin MO-menetelmä ja konjugoituneet π-elektronit... 154 Kiteiden kaistaranteen "syntyminen"... 148 8.12. "Tight binding"-approksimaatio... 158 9. Elektroniranteen lasminen... 159 "METHODS IN COMPUTATIONAL CHEMISTRY"... 162 Hartree Fock SCF-menetelmä... 163 9.1. Yksi-elektronikuva... 163 9.2. Hartree Fock-menetelmä... 163 9.3. "Restricted" ja "unrestricted" Hartree Fock... 165 9.4. Roothaanin yhtälöt... 165 9.5. STO- ja GTO-kantajoukot... 167 9.6. Kantajoukon koko riippuvuus ja suppeneminen... 169 Elektroni elektronikorrelaatio... 170 9.7. "Configuration state function" (CSF)... 170 9.8. Konfiguraatiovuorovaikutus (CI)... 171 9.9. CI-hitelmän katkaiseminen... 172 9.10. MCSCF ja MRCI... 172 9.11. Møller Plesset-häiriöteoria... 173 Tiheysfunktionaaliteoria (DFT)... 174 Local-density approximation (LDA)... 176 "Evolution of Quantum Theory" and other... 177 21. Kiteen elektronitiloista... 179 21.1. Eräitä yksinrtaisia malleja... 179 21.1.1. Elektroni yksidimensioisessa potentiaalikuopassa... 179 21.1.2. Elektroni pallosymmetrisessä potentiaalikuopassa... 180 21.1.3. Elektroni Coulombin potentiaalissa... 182 21.1.4. Elektroni jaksollisessa potentiaalissa... 182 21.2. Kolmidimensioisen kiteen elektronitilat... 182 21.3. Kvasihiukkaset... 183 21.4. Elektronit alhaisissa dimensioissa... 184 22. Elektronitilat ideaalisessa nanokiteessä... 185 22.1. Kiteestä klusteriin... 185 22.1.1. "Weak confinement"... 185 22.1.2. "Strong confinement"... 186 22.2. Molekyylistä klusteriin... 187 22.2.1. "puolijohdemolekyyli"... 187 22.2.2. Puolijohdeklusterin elektroniset transitiot... 188 22.3. Kokoluokat... 189 About "self-assebly of nano-scale structures" and.... 190

ix KIRJALLISUUTTA P.W. Atkins, R.S. Friedman: Molecular Quantum Mechanics (Oxford University Press, Oxford, New York, 3rd ed. 1997) M. Weissbluth: Atoms and Molecules (Academic Press, New York, 1983) R.G. Parr and W. Yang: Density-Functional Theory of Atoms and Molecules (Oxford University Press, Oxford, New York, 1989) T.T. Rantala: Local-Density Electronic Structure Calculations on the Spectra and Reactivity of Metals Acta Univ. Ouluensis A 184 (1987) Jean Louis Calais: Quantum Chemistry Workbook (John Wiley & Sons,New York, 1994) I. Lindgren och S. Svanberg: Atomfysik (Universitetsförlaget Uppsala, LiberTryck Stockholm, 1974) A. Hinchliffe: Computational Quantum Chemistry (John Wiley & Sons,Chichester, New York, 1989) S.V. Gaponenko: Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals Cambridge Studies in Modern Optics (Cambridge University Press, Cambridge, 1998)