KJM Molekylmodellering

Like dokumenter
KJM Molekylmodellering. Introduksjon. Molekylmodellering. Molekylmodellering

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

Teoretisk kjemi. Trygve Helgaker. Centre for Theoretical and Computational Chemistry. Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. Onsdag 13.

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

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

TFY Løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4. Vibrerende to-partikkelsystem

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 1 1 LØSNING ØVING 1

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

Figur 1: Skisse av Franck-Hertz eksperimentet. Hentet fra Wikimedia Commons.

Trygve Helgaker. 31 januar 2018

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

TFY Øving 7 1 ØVING 7. 3-dimensjonal isotrop harmonisk oscillator

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

2. Postulatene og et enkelt eksempel

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

UNIVERSITETET I OSLO

Kapittel 7 Atomstruktur og periodisitet Repetisjon 1 ( )

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag Eksamen 13. august 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Kan vi lære litt kvantefysikk ved å lytte til noen lydprøver? Arnt Inge Vistnes Fysisk institutt, UiO

Løsningsforslag Konte-eksamen 13. august 2002 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Atommodeller i et historisk perspektiv

Løsningsforslag Eksamen 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

LØSNING EKSTRAØVING 2

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 11. Sindre Rannem Bilden og Gruppe 4

KJM Molekylmodellering. Molekylorbitalteori - repetisjon. Variasjonsprinsippet. Kvantemekanikk. systemet

EKSAMENSOPPGAVE. Tillatte hjelpemidler: K. Rottmann: Matematisk Formelsamling Lommekalkulator med tomt minne

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014

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

Eksamen i KJ133 våren Løsningsforslag for kvantemekanikkoppgaven

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEMEKANIKK I/ TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Tirsdag 10. august 2010 kl

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 10. Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

FYS2140 Kvantefysikk Forelesning 29. Maria V. Bøe og Marianne E. Bathen

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/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 1 LØSNING ØVING 8

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

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

FY1006/TFY Øving 3 1 ØVING 3. Gjør unna så mye du kan av dette før veiledningstimene, slik at disse kan brukes på utfordringene i denne øvingen.

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

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

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Centre for Theoretical and Computational Chemistry. Trygve Helgaker Universitetet i Oslo

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

Pensum og kursopplegg for FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

TFY Løsning øving 6 1 LØSNING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenlignende atom

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK 26. mai 2006 kl

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.

TFY Øving 8 1 ØVING 8

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

UNIVERSITETET I OSLO

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

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningsegenskaper for endimensjonale energiegenfunksjoner

Kvantemekanikk på datamaskiner: kjemiens nye verktøy

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

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

Kvantemekanikk på datamaskiner: kjemiens nye verktøy

ψ(x) 2 dx = 1. (3) For det siste integralet har vi brukt fra Rottmann at

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

Heisenbergs uskarphetsrelasjon

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

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

FY1006/TFY Løsning øving 3 1 LØSNING ØVING 3. Ikke-stasjonær bokstilstand

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

KAPITEL 1. STRUKTUR OG BINDINGER.

Transkript:

KJM3600 - Molekylmodellering Vebjørn Bakken Kjemisk institutt, UiO KJM3600 - Molekylmodellering p.1/29

Introduksjon Introduksjon p.2/29

Introduksjon p.3/29 Molekylmodellering Flere navn på moderne teoretisk kjemi: Theoretical chemistry (teoretisk kjemi) Quantum chemistry (kvantekjemi) Computational chemistry (?) Stor grad av overlapp mellom de tre Har i stedet valgt betegnelsen Molekylmodellering

Molekylmodellering Molekylene modelleres vha. datamaskin Mange ulike metoder Enkle metoder basert på klassisk fysikk Metoder som delvis bygger på eksperimentelle data Avanserte kvantekjemiske metoder Riktig metode må velges basert på Systemet som skal modelleres Ønsket nøyaktighet Tilgjengelig tid og ressurser Introduksjon p.4/29

Introduksjon p.5/29 Molekylmodellering Fase Gassfase Væske (løsning) Fast fase System Organiske molekyler Uorganiske systemer Metallorganiske systemer

Introduksjon p.6/29 Molekylmodellering Hva kan bestemmes/modelleres? Systemets energi Struktur (geometri) Vibrasjonsfrekvenser Reaktivitet NMR-parametre Effekten av elektromagnetisk stråling Egenskapene til en eksitert tilstand etc. etc.

Molekylmodellering Introduksjon p.7/29

Introduksjon p.8/29 Teoretiske beregninger Teoretiske beregninger har hatt et enormt oppsving de siste 15 årene Stadig flere ikke-teoretikere kjører beregninger Beregninger benyttes blant annet til å Tolke eksperimentelle resultater Illustrere resultater Underbygge konklusjoner Tilgjengeligheten av avansert programvare svært viktig faktor

Introduksjon p.9/29 Teoretiske beregninger Stadig mer kompliserte systemer kan takles Bedre og mer effektive beregningsmetoder Raskere datamaskiner Men... Tidsforbruket for populære metoder skalerer typisk som N 3 eller N 4 N er størrelsen på systemet (antall atomer)

Introduksjon p.10/29 Teoretiske beregninger Å kjøre beregninger har et visst håndverkspreg Krever erfaring for å vite hva man faktisk kan beregne Hvordan man bør gjore det rent praktisk Hva man (per dags dato) ikke kan beregne med fornuftig nøyaktighet

Introduksjon p.11/29 Teoretiske beregninger Utviklingen gjenspeiles ved Kjemisk institutt Fler og fler eksperimentalister benytter aktivt beregninger i forskningen Inkluderer doktorgradsarbeider Master-studenter? Behov for et praktisk kurs i molekylmodellering Grunnlag for å benytte beregninger i eget arbeid Bakgrunn for å lese og vurdere litteratur

KJM3600/4690 Molekylmodellering KJM3600/4690 Molekylmodellering p.12/29

KJM3600/4690 Helt nytt kurs Omlag 30 forelesningstimer Omlag 30 kollokvietimer Tiltenkt kjemikere og fysikere, men andre er naturligvis velkommen! Gi gjerne tilbakemeldinger underveis!!! Kurset vil være dynamisk og åpent for påvirkning KJM3600/4690 Molekylmodellering p.13/29

Lærebok C. J. Cramer: Essentials of Computational Chemistry Theories and Models KJM3600/4690 Molekylmodellering p.14/29

Forelesninger Hver mandag fra 10.15 i Aud. 3 Deler ut kopi av forelesningsnotater Spørsmål og avbrudd er lov! Håper å få inn noen gjesteforelesere i løpet av semesteret KJM3600/4690 Molekylmodellering p.15/29

Øvelser Stor vekt på de praktiske øvelsene Totalt 8 oppgaver, 4 av rapportene blir bedømt Satser på start i slutten av februar Skal benytte splitter nytt PC-laboratorium Utbyttet vil avhenge direkte av aktiviteten Rapportene utgjør en mappe som tas med på eksamen Muntlig eksamen KJM3600/4690 Molekylmodellering p.16/29

Kort kvantemekanikk-repetisjon Kort kvantemekanikk-repetisjon p.17/29

Vitenskaplig revolusjon Kvantemekanikken tok langsomt form på begynnelsen av 1900-tallet med bidrag fra mange forskere Klassisk fysikk maktet ikke forklare et antall eksperimenter/fenomener Paradigmeskifte Ny virkelighetsoppfatning... Kort kvantemekanikk-repetisjon p.18/29

Bølge-partikkel dualisme På atomært nivå smelter begrepene bølge og partikkel sammen Alt har både bølge- og partikkelnatur de Broglie bølgelengden er gitt ved λ = h p (1) Observert for systemer så store som C 60 For makroskopiske systemer blir λ uhyre liten Kort kvantemekanikk-repetisjon p.19/29

Bølgefunksjonen Ledet frem til ideen om at en partikkel kan beskrives av en bølgefunksjon ψ Erstatter klassisk bilde der posisjon og fart beskriver partikkelen ψ inneholder absolutt all informasjon om systemet ψ er ikke-deterministisk, gir sannsynligheter Kort kvantemekanikk-repetisjon p.20/29

Schrödinger-ligningen Schrödinger-ligningen viser hvordan ψ kan bestemmes for et generelt system: Ĥψ = Eψ (2) Egenverdiligning der Hamilton-operatoren Ĥ virker på bølgefunksjonen og gir ut totalenergien E. Ĥ vil typisk inneholde ulike ledd for kinetisk og potensiell energi Kort kvantemekanikk-repetisjon p.21/29

Borns interpretasjon For en en-dimensjonal partikkel er sannsynligheten for å finne partikkelen mellom x og x + dx proporsjonal med ψ (x)ψ(x)dx ψ(x) er da en sannsynlighetsamplitude, mens ψ (x)ψ(x) er en sannsynlighetstetthet Kort kvantemekanikk-repetisjon p.22/29

Krav til bølgefunksjonen Schrödinger-ligningen og Borns interpretasjon setter klare begrensninger for akseptable bølgefunksjoner: Entydig Kontinuerlig og deriverbar Endelig (slik at den kan normeres) Kontinuerlig førstederivert Disse grensebetingelsene gir opphav til kvantisering Kort kvantemekanikk-repetisjon p.23/29

Fysiske observable En fysisk observabel har korresponderende kvantemekanisk operator Ω En helt generell bølgefunksjonen kan skrives som en superposisjon av egentilstandene til Ω Ved en enkelt måling finner man alltid en av egenverdiene til operatoren Rett etter målingen er systemet beskrevet av den tilhørende egenfunksjonen Med andre ord: Det å utføre en måling kan dramatisk påvirke systemet! Kort kvantemekanikk-repetisjon p.24/29

Forventningsverdi Ved å utføre et stort antall målinger finner man middelverdien av en fysisk observabel Denne forventningsverdien er gitt ved ˆΩ ψ ˆΩψdτ = ψ ψdτ For normerte bølgefunksjoner er nevneren lik 1 (3) Kort kvantemekanikk-repetisjon p.25/29

Heisenbergsusikkerhetsrelasjon En partikkels posisjon og bevegelsesmengde i samme retning i rommet, kan ikke bestemmes samtidig med ubegrenset nøyaktighet p x q x 1 (4) 2 Gjelder alle komplementære variable Et system kan generelt ikke ligge i fullstendig ro: Nullpunktsenergi/nullpunktsbevegelse Kort kvantemekanikk-repetisjon p.26/29

Hydrogenaktige atomer Det enkleste realistiske atomære system: En kjerne omgitt av ett elektron Kan løses eksakt, løsingene kalles atomorbitaler (AO) Høy grad av degenerasjon. dvs. ulike tilstander med identisk energi Danner grunnlag for å løse både atomer med flere elektron og molekyler Molekylorbitaler (MO) kan skrives som lineærkombinasjoner av AOer Kort kvantemekanikk-repetisjon p.27/29

Orbitaler Hver romorbital karakteriseres av tre kvantetall Hovedkvantetallet n: n = 1, 2, 3,... Bikvantetallet l: l = 0, 1, 2,..., n 1 Magnetisk kvantetall m l : m l = l, l + 1,..., l 1, l En romorbital kan inneholde maksimalt to elektroner med motsatt spinn Kort kvantemekanikk-repetisjon p.28/29

Orbitaler En spinnorbital beskrives av fire kvantetall, n, l, m l og m s = ± 1 2, og kan kun inneholde ett elektron med korrekt spinn. Kun de bundne atomære tilstandene (E < 0) er kvantisert Kort kvantemekanikk-repetisjon p.29/29