UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

VÅREN Oppgave II. b) Hamilton-operatoren for en partikkel med masse m på en ring med radius r er gitt ved

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

Eksamen i: FYS145 - Kvantefysikk og relativitetsteori Eksamensdag: Mandag 10. mai 2004, kl (3 timer)

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Fys-2000 Kvantemekanikk Dato: 5. juni 2013 Tid: Kl Sted: Åsgårdveien 9. og fysikk, lommekalkulator

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fredag 19. august 2005 kl

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl

Oppgave 1 (Teller 34 %) BOKMÅL Side 1 av 5. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

BOKMÅL NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR KJEMI KJ1041 KJEMISK BINDING, SPEKTROSKOPI OG KINETIKK HØSTEN 2010

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK onsdag 5. august 2009 kl

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Lørdag 8. august 2009 kl

KJM2600-Laboratorieoppgave 2

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgåve i KJ1041 Kjemisk binding, spektroskopi og kinetikk

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 29. mai 2010 FY1006 Innføring i kvantefysikk/tfy4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

En samling av mer eller mindre relevante formler (uten nærmere forklaring) er gitt til slutt i oppgavesettet.

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

Eksamen i KJ133 våren Løsningsforslag for kvantemekanikkoppgaven

Løsningsforslag Eksamen 4. desember 2007 TFY4250 Atom- og molekylfysikk/fy2045 Kvantefysikk

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

KJM Molekylmodellering. Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon. Statistisk mekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

En partikkel med masse m befinner seg i et éndimensjonalt, asymmetrisk brønnpotensial

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Kvantekraft. L x. L 2 x. = A sin n xπx. sin n yπy. 2 y + 2.

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Torsdag 12. august 2004 kl

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Oppgave 1 (Deloppgavene a, b, c og d teller henholdsvis 6%, 6%, 9% og 9%) NORSK TEKST Side 1 av 7

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 6 1 ØVING 6. Fermi-impulser og -energier

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

EKSAMEN I FY2045/TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Mandag 8. august 2011 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

Oppgave 1. NORSK TEKST Side 1 av 4. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 1. desember 2009 kl

KJM Molekylmodellering

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Mandag 23. mai 2005 kl

UNIVERSITETET I BERGEN

NORSK TEKST Side 1 av 5

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30

Forelesningsnotat om molekyler, FYS2140. Susanne Viefers

Løsningsforslag Konte-eksamen 2. august 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag til eksamen i SIF4022 Fysikk 2 Tirsdag 3. desember 2002

University of Oslo KJM2600. Oppsummering

NORSK TEKST Side 1 av 4. Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

EKSAMENSOPPGAVE. FYS 2000, Kvantemekanikk Dato: 7. Juni 2017 Klokkeslett: 9:00-13:00 Sted: Tillatte hjelpemidler: rute.

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk, - Ekstraøving 2 1. Ekstraøving 2. = 1 2 (3n2 l 2 l), = 1 n 2, 1 n 3 (l ), 1 n 3 l(l + 1.

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO. Løsningsforslag

TFY Løsning øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensialer

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 29. mai 2010 kl

Kapittel 7 Atomstruktur og periodisitet Repetisjon 1 ( )

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 INNFØRING I KVANTEFYSIKK Lørdag 13. august 2011 kl

FY1006/TFY Øving 9 1 ØVING 9

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4

Løsning til øving 8 for FY1004, høsten 2007

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

KJM Molekylmodellering

LØSNING EKSTRAØVING 2

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

EKSAMENSOPPGAVE. - Ett A4 ark med selvskrevne notater (begge sider) - Kalkulator. - Molekylbyggesett. Rute

UNIVERSITETET I OSLO

BOKMÅL Side 1 av 6. En partikkel med masse m beveger seg i det endimensjonale brønnpotensialet V 1 = h 2 /(2ma 2 0) for x < 0,

Transkript:

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i KJM600 Fysikalisk kjemi II kvantekjemi og spektroskopi Eksamensdag: Onsdag 7. juni, 017 Tid for eksamen: 14:30 18:30 Oppgavesettet er på 5 sider Vedlegg: ingen Tillatte hjelpemidler: lommeregner, Fysiske størrelser og enheter (alle utgaver), Angell og Lian Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Alle 4 delspørsmål tillegges samme vekt ved vurderingen. Følgende konstanter er oppgitt: h = 6, 66070 10 34 J s k = 1, 380649 10 3 J K 1 c =, 99795 10 8 m s 1 Oppgave I Kvantemekanikk 1. Schrödinger-ligningen til en partikkel med masse m i en éndimensjonal boks fra x = 0 til x = L er gitt ved ( d ) m dx + V (x) ψ n (x) = E n ψ n (x) (1) x < 0 V (x) = 0 0 x L () x > L 1

og løsningene er gitt ved E n = n h (3) 8mL 0 x < 0 ψ n (x) = L sin ( ) nπx 0 x L (4) L 0 x > L Hvorfor er de tillatte verdiene til kvantetallet n = 1,, 3,...? Svar: Borns tolkning krever at bølgefunksjonen er kontinuerlig og derfor må vi ha randbetingelsene ψ n (0) = ψ n (L) = 0. Siden sin(0) = 0 er ψ n (0) = 0 uavhengig av verdien til n. Derimot er ψ n (L) = /L sin(nπ) = 0 bare når n = 0, ±1, ±,.... Siden ψ n (x) = ψ n (x) og derfor ψ n (x) = ψ n (x) representerer positive og negative n den samme fysiske tilstanden. Tilfellet n = 0 beskriver ikke en fysisk partikkel (ψ 0 (x) = 0 for alle x). Altså blir de tillatte verdiene n = 1,, 3,..... Vis at 0 x < 0 ψ n (x) = L cos ( ) nπx 0 x L L 0 x > L n = 1,, 3,... (5) er løsninger til Schrödinger-ligningen (1) med potensialet () og energiene (3). Svar: For x < 0 og x > L er det trivielt å vise. For 0 x L må vi da vise at Vi beregner da: d ψ n (x) dx = m n h ( nπ ) 8mL ψ n(x) = ψn (x) L d ψ n (x) d ( nπ ) = dx L dx cos L x d d ( nπ ) = L dx dx cos L x nπ d ( nπ ) = L L dx sin L x ( nπ ) ( nπ ) = cos L L L x ( nπ ) = ψn (x) L

som viser at funksjonene er løsninger til Schrödinger-ligningen (1) med potensialet (). 3. Hvorfor er ikke funksjonene (5) akseptable løsninger til Schrödingerligningen (1) med potensialet ()? Svar: Igjen, Borns tolkning krever at ψ n (0) = ψ n (L) = 0. Men ψ n (0) = L cos(0) = L 0 ψ n (L) = cos(nπ) = ( 1)n L L 0 Funksjonene er derfor ikke akseptable løsninger. 4. Hva er de mest sannsynlige posisjonene til en partikkel i en éndimensjonal boks i den første eksiterte tilstanden? Svar: Den første eksiterte tilstanden er n =. De mest sannsynlige posisjonen er de verdier til x der sannsynlighetstettheden ψ (x) = sin (πx/l)/l er maksimal. Dette skjer når sin (πx/l) = 1, altså: x = L/4 og x = 3L/4. 5. Hvor mange noder har bølgefunksjonene (4)? Svar: En node er et punkt der bølgefunksjonen endrer fortegn. Ved å skissere funksjonene ser man at for n = 1 er det ingen noder, for n = er det 1 node, for n = 3 er det noder,.... Generelt er det n 1 noder. Mer matematisk finnes nodene til funksjonen ψ n (x) i punktene x = ml/n, der m = 1,,..., n 1 slik at 0 < x < L. 6. Bølgefunksjonene (4) er ortonormale. Hva betyr det? Svar: Det betyr at hver funksjon er normalisert og forskjellige funskjoner er ortogonale: L { 0 if n m ψ n (x)ψ m (x)dx = δ nm = 1 if n = m 0 Oppgave II Atomstruktur og molekylstruktur 1. Hva er forskjellen mellom en orbital og en spinn-orbital? Svar: En orbital er en romlig ét-elektron bølgefunksjon. En spinnorbital er produktet av en orbital og en spinn-funksjon (enten α eller β). 3

. Hvorfor anvendes Slater-determinanter som bølgefunksjoner for atomer og molekyler med mer enn étt elektron? Svar: Pauli-prinsippet krever at mange-elektron bølgefunksjoner må være antisymmetriske. Slater-determinanter er antisymmetriske og derfor er Pauli-prinsippet automatisk oppfylt når man anvender disse. 3. Grunntilstanden til Li atomet kan beskrives med Slater-determinanten Ψ(1,, 3) = 1 ψ 1 (1) ψ (1) ψ 3 (1) 3! ψ 1 () ψ () ψ 3 () ψ 1 (3) ψ (3) ψ 3 (3) Hva er ψ 1, ψ og ψ 3 som inngår i denne Slater-determinanten? Svar: ψ 1, ψ og ψ 3 er de tre okkuperte spinn-orbitalene til Li i grunntilstanden. Elektronkonfigurasjonen til grunntilstanden er 1s s og derfor: ψ 1 = χ 1s α ψ = χ 1s β ψ 3 = χ s α eller ψ 3 = χ s β der χ 1s og χ s er de romlige 1s og s orbitalene. 4. Hva er de mulige termsymbolene til (i) Na i grunntilstanden, (ii) Na i den første eksiterte tilstanden og (iii) Cl i grunntilstanden? Svar: Lukket skal bidrar 0 til L,S,J og vi trenger bare å se på elektronene utenfor et lukket skal. (i) konfigurasjon: [Ne]3s. Bare s-elektronet bidrar = L = 0, S = 1, J = 1 : S 1/. (ii) konfigurasjon: [Ne]3p. Bare p-elektronet bidrar = L = 1, S = 1, J = 3, 1 : P 3/, P 1/. (iii) konfigurasjon: [Ne]3s 3p 5. Vi kan behandle det manglende elektronet i p-skallet som var dette elektronet det eneste i p-skallet. Det blir derfor samme som Na i den første eksiterte tilstanden: P 3/, P 1/. 5. Hva er elektronkonfigurasjon, bindingsorden, totalt spinn, HOMO og LUMO i grunntilstanden til (i) CO og (ii) NO? Svar: Her må vi skrive opp molekylorbitalenerginivådiagrammer og deretter okkupere orbitaler etter Aufbau-prinsippet. (i) MO diagram til CO (1s-orbitaler utelatt): 4

Elektronkonfigurasjon: 1σ σ 1π 4 3σ Bindingsorden: b = 1(N N ) = 1 (8 ) = 3 Spinn: S = 0 (singlett) HOMO: 3σ LUMO: π (ii) MO diagram til NO (1s-orbitaler utelatt): Elektronkonfigurasjon: 1σ σ 3σ 1π 4 π Bindingsorden: b = 1(N N ) = 1 (8 3) =, 5 Spinn: S = 1 (doublett) HOMO: π LUMO: 4σ 6. HOMO-LUMO gapet er energiforskjellen mellom HOMO og LUMO orbitalene. Ved likevektsavstanden er HOMO-LUMO gapet til H molekylet 1 ev. Hva skjer med HOMO-LUMO gapet når avstanden mellom hydrogenatomene øker og molekylet dissosjerer? Svar: Ved likevektsavstanden er MO diagrammet til H : 5

Etterhvert som avstanden mellom atomene øker blir det mindre overlap mellom 1s orbitalene på de to atomene og HOMO-LUMO gapet minker: Til slutt er molekylet dissosjert (uendelig avstand mellom de to H atomene) og gapet blir 0. Oppgave III Spektroskopi 1. Hvilke av følgende molekyler er rotasjonelt aktive og hvilke er IR aktive? (i) CO, (ii) CO, (iii) CH 4, (iv) CH 3 Cl. Svar: Et rotasjonelt aktivt molekyl må ha dipolmoment og dipolmomentet må endre seg under den vibrasjonelle bevegelsen for at molekylet er IR aktivt. Derfor er bare (i) CO og (iv) CH 3 Cl rotasjonelt aktive. Alle molekylene (i iv) er IR aktive (dipolmomentet endrer seg for minnst 1 vibrasjonel mode).. Forklar hvordan bindingslengden til et toatomig molekyl AB kan bestemmes ved hjelp av mikrobølgespektroskopi. Svar: I mikrobølgespektroskopi observeres rene rotasjonelle overganger i den elektroniske grunntilstanden. De observerte overgangsfrekvensene er relatert til rotasjonskonstanten B. Fra rotasjonskonstanten kan vi bestemme treghetsmomentet (inerti-momentet) I og fra denne kan vi da beregne bindingslengden (likevektsavstanden) R e. 3. Hvilke grener (branches) kan observeres i IR og vibrasjonelle Raman spektre? Hvilke rotasjonelle overganger gir anledning til grenene? Svar: I IR spektre observeres P, Q, R grener som svarer til rovibrasjonelle overganger med J = 1 (P ), 0 (Q), 1 (R). I Raman spektre observeres O, Q, S grener som svarer til J = (O), 0 (Q), (S). 4. Forklar forskjellen på fluorescens og fosforescens. Svar: Fluorescens og fosforescens er radiative henfall til elektronisk eksiterte tilstander, henholdsvis uten og med endring av spinn. Siden endring av spinn bare er tillatt dersom man tar hensyn til den typisk svake spinn-bane koblingen, går fosforescens over lengre tid enn fluorescens. 6

5. Hvorfor kreves det mer enn to nivåer for å lage en laser? Hvor mange nivåer anvendes vanligvis? Svar: Laseren er basert på populasjonsinversjon, dvs. de fleste atomer/molekyler er i den eksiterte laser-tilstanden. Da sannsynligheten for å indusere emisjon er lik sannsynligheten for å indusere absorpsjon er det ikke mulig å lage en to-nivå laser. Vanligvis anvendes fire nivåer som skissert unner. Tre nivåer kan også anvendes. 6. Karpluskurven beskriver 1 H spinn-spinn koblingskonstanten 3 J HH som funksjon av en vinkel φ: 3 J HH = A + B cos(φ) + C cos(φ) 0 φ π der A, B og C er konstanter. Hva er vinkelen φ? Hvilke φ-verdier gir maksimum eller minimum spinn-spinn koblingskonstant med A =, B = 4 og C = 1? Svar: Koblingskonstanten 3 J HH beskriver spinn-spinn kobling over tre bindinger. Disse definerer en dieder-vinkel φ som inngår i Karplusuttrykket. For å finne de verdiene til φ som gir maksimal eller minimal koblingskonstant må vi finne null-punktene til den første deriverte på området 0 φ π: d 3 J HH dφ Denne er null når enten = (B + 4C cos(φ)) sin(φ) sin(φ) = 0 = φ = 0, π cos(φ) = B ( 4C = φ = arccos B ) 4C 7

Med A =, B = 4 og C = 1 blir punktene φ = 0 og φ = π maksima og φ = arccos ( 1 1) = 1, 654 minimum som vist unner. Karplus curve with A =, B = 4, C = 1. Minimum at φ = arccos( B/4C) 0 15 10 5 J 0 5 10 15 0.0 0.5 1.0 1.5.0.5 3.0 φ Oppgave IV Statistisk termodynamikk 1. Vekten til en konfigurasjon N 0, N 1, N,... er W = N! N 0!N 1!N! der N = i N i og N i er antal molekyler i tilstanden i med energi ɛ i. Boltzmann-fordelingen N i = N e βɛ i beskriver en slik konfigurasjon. Hva er spesielt med vekten til denne konfigurasjonen? Svar: Vekten til denne konfigurasjonen er maksimal dvs. den mest sannsynlige konfigurasjonen der antal molekyler N er konstant og den totale energien E = i N iɛ i er konstant. q 8

. Partisjonsfunksjonen q er gitt ved q = i g i e βɛ i (i) Hva er størrelsene i dette uttrykket? (ii) Hva summeres det over? (iii) Hvordan tolkes q? Svar: (i) g i er degenerasjonen til energinivået i med energi ɛ i, β = 1/kT der k er Boltzmann-konstanten og T er temperaturen. (ii) Siden degenerasjonen g i er inkludert må summasjonen være over nivåer, ikke tilstander. (iii) Partisjonsfunksjonen q gir en indikasjon av antallet av tilgjengelige tilstander ved en gitt temperatur T. 3. Det første eksiterte nivået til Na atomet ligger 19967 cm 1 over grunntilstandsnivået dersom man ser bort fra spinn-bane kobling. Dersom man ser bort fra høyere-liggende nivåer, hva er verdien til partisjonsfunskjonen og den relative populasjonen av hvert nivå ved (i) 0 K, (ii) 98 K, (iii) 000 K, (iv) 5000 K? Svar: Boltzmann-fordelingen for dette systemet ser slik ut: q = g 0 + g 1 e hc ɛ 1/kT der ɛ 1 = 19967 cm 1 og enheten til c er cm/s. Den relative populasjonen er gitt ved: N 1 = g 1 e hc ɛ 1/kT N 0 g 0 Termsymbolet til grunntilstandsnivået er S 1/ og degenerasjonen er da g 0 = 1 + 1 =. Uten spinn-bane kobling er de to termene til det første eksiterte nivået P 1/ og P 3/ degenererte og den totale degenerasjonen er da g 1 = 1 + 1 + 3 + 1 = 6. Med verdiene gitt i oppgavesettet finner vi: (i) q =, 000000, N 1 /N 0 = 0, 000000. (ii) q =, 000000, N 1 /N 0 = 4, 1 10 4. (iii) q =, 000003, N 1 /N 0 = 1, 7 10 6. (iv) q =, 019181, N 1 /N 0 = 9, 6 10 3. 4. Den kanoniske partisjonsfunksjonen Q er relatert til den molekylære partisjonsfunksjonen q på en av to måder: Q = qn N! Q = q N Hvilket av disse uttrykkene gjelder for (i) vann i væskefasen, (ii) vann i gassfasen, (iii) is? 9

Svar: Faktoren 1/N! må inkluderes for molekylære systemer der molekylene ikke kan skilles fra hverandre (indistinguishable molecules). Dette er tilfellet for gas- og veskefasen men ikke for den faste fasen (i) Q = qn qn, (ii) Q =, (iii) Q = N! N! qn. 5. Innen Born-Oppenheimer approksimasjonen kan den molekylære partisjonsfunksjonen skrives som q = q T q R q V q E der q T er den translasjonelle partisjonsfunksjonen, q R den rotasjonelle partisjonsfunksjonen, q V den vibrasjonelle partisjonsfunksjonen og q E den elektroniske partisjonsfunksjonen. For et toatomig molekyl med en ikke-degenerert elektronisk grunntilstand kan disse uttrykkes som q T = at 3/, q R = bt, q V = 1, q E = 1 (6) der a og b er konstanter. Beregn den molare varmekapasiteten ved konstant volum ved å benytte formelen C V,m = du m(t ) dt der U m (T ) = U m (0) + RT dq q dt er den molare indre energien og R = kn A er gaskonstanten. Hva er forskjellen i den molare varmekapasiteten mellom CO og NO? Svar: Den molekylære partisjonsfunksjonen er gitt ved Derfor er RT q q = abt 5/ dq dt = RT 5 q abt 3/ = RT q 5 q T = 5 RT og C V,m = du m(t ) = d RT dq dt dt q dt = d 5 dt RT = 5 R Varmekapasiteten er altså den samme for alle to-atomige molekyler med en ikke-degenerert elektronisk grunntilstand. Med en degenerert elektronisk tilstand blir q E = g E, der g E er degenerasjonen. Dette spiller ingen rolle for varmekapasiteten, siden denne er gitt ved den deriverte med hensyn på T. Altså er varmekapasiteten den samme for CO og NO. 10

6. Uttrykket (6) gjelder for temperaturer nær romtemperatur. Forklar hvorfor q V = 1, q E = 1 er svært bra approksimasjoner nær romtemperatur. Svar: Dersom vi velger energien til grunntilstanden som nullpunkt blir partisjonsfunksjonen q = g 0 + g 1 e βɛ 1 + g e βɛ + I de fleste tilfeller gjelder for vibrasjonelle og elektroniske energier at ɛ i kt (i 1) ved romtemperatur (T 300 K). Da er e βɛ i 0 (i 1) og q g 0. For ikke-degenererte energinivåer er g 0 = 1 og da er q = 1. 11