MNF, UiO 24 mars Trygve Helgaker Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo

Transkript

1 MNF, UiO 24 mars 2014 Trygve Helgaker Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo

2 Kjemi: et mangepar.kkelproblem Molekyler er enkle: ladete partikler i bevegelse styrt av kvantemekanikkens lover HΨ=EΨ men det er et mangepartikkelproblem The underlying physical laws necessary for the mathematical treatment of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known and the difficult is only that the exact application of these laws leads to equations that are too complicated to be soluble Dirac (1927)

3 Hjelpen kom fra uventet hold

4 Numeriske simuleringer: den tredje veien Teori, eksperiment og beregninger - tolkning og forutsigelser av eksperimenter - et alterna6v 6l (kostbare eller umulige) eksperimenter - de;e er et generelt utviklingstrekk I alle fag

5 Beregninger i kjemien Simuleringer av kjemiske systemer og prosesser - 40% av alle ar6kler i Journal of American Chemical Society stø;es av beregninger

6 Kvantemekanikk Kjerner og elektroner følger kvantemekanikkens lover deres oppførsel er bestemt av deres bølgefunksjon Ψ bølgefunksjonen og energien fås ved å løse Schrödinger- ligningen H Ψ n = E n Ψ n Det fins mange slike løsninger, svarende 6l ulike 6lstander et kvantesprang er hopp mellom to kvante6lstander energien ved kvantesprang bevares ved emisjon eller absorpsjon av fotoner

7 Kjemisk binding Hvordan kan nøytrale atomer bindes sammen i molekyler? Hvis elektronene er mellom kjernene, så vil kjernene trekkes mot hverandre Hvis elektronene er andre steder, så vil kjernene frastøte hverandre Kjemisk binding er altså avhengig av elektronenes tilstand i bindende tilstander har vi økt elektrontetthet mellom kjernene I antibindende tilstander har vi redusert elektrontetthet mellom kjernene

8 Kjemisk binding

9 Stabile og ustabile molekyler Elektronenes 6lstand bestemmer molekylets egenskaper En bindende 6lstand gir stabilt molekyl, med en gi; struktur En an6bindende 6lstand gir ustabilt molekyl, som umiddelbart går i stykker

10 Molekyler i magnebelt Binding er et resultat av elektrosta6ske krener frastø6ng og 6ltrekning mellom ladete par6kler avhengig av deres avstander I et pålagt magneoelt oppstår nye krener disse krenene er avhengige av par6klenes bevegelser og deres spinn Magne6sme utny;es i mange sammenhenger blant annet magne6c resonance imaging og i mange spektroskopiformer Men kan et magneoelt påvirke kjemisk binding? slike effekter er ikke observert i laboratorier

11 DALTON og LONDON Vi utvikler nye kvantekjemiske metoder avanserte kvantemekaniske simuleringer av elektroner slike beregninger er i dag bli; standardverktøy i kjemien DALTON- programmet beny;es verden over Beregninger uoøres utelukkende uten magneoelt beregninger i magneoelt er mer kompliserte det er vanskelig å gi en uniform beskrivelse LONDON er utviklet for beregninger i magneoelt molekyler kan studeres i vilkårlige magneoelt et spin- off fra arbeid i WP1 for store systemer

12 Et nyh fenomen: magne.sk binding Våre beregninger på H 2 ga overraskende resultater I den bindende 6lstanden styrkes molekylet og orienteres langs feltet I den an6bindende 6lstanden bindes molekylet og orienteres normal på feltet Lange, Tellgren, Hoffmann, Helgaker: Science 337, 327 (2012) B N S Hva er mekanismen bak magne6sk binding? i den an6bindende 6lstanden har elektronene en guns6g rotasjon i feltet denne rotasjonen er størst når de to atomene er nær hverandre binding oppstår når atomene trekkes mot hverandre for å øke rotasjonen

13 Hvite dverger Magne6sk binding krever meget sterke magneoelt oppstår når magne6ske og elektriske krener er like store de;e krever magneoelt 1000 sterkere enn i laboratorier Slike felt oppstår i hvite dvergers atmosfærer magneoelt 10 5 Tesla kan molekyler der observeres fra jorden?

14 Mange medieoppslag

15

16

17 Kan molekyler observeres på hvite dverger? Hvite dverger har svært høye temperaturer Typisk l 40000K Sam6dig har de svært høye trykk Nylig er H 2 observert på hvite dverger (uten sterke magneoelt)