Dr. Berthold BoruckiInstitut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Methoden der BiophysikFU Berlin, FB Physik, SoSe 2005
Schwingungsspektroskopie
2FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
Übersicht
� Grundlagen� Harmonischer Oszillator (klassisch / Q.M.)� Born-Oppenheimer-Näherung� Normalkoordinaten, Schwingungsformen, Gruppenfrequenzen� Anharmonizität, Isotopeneffekt, Wasserstoffbrücken
� Meßmethoden� Infrarotspektroskopie (Absorption / Emission), FTIR� Raman-Spektroskopie (inelastische Lichtstreuung)
� Anwendungen / spezielle Methoden� Kinetische Messungen: Rapid-Scan, Step-Scan, Pump-Probe� Linear Dichroismus� Attenuated Total Reflexion� 2 dimensionale Schwingungsspektroskopie?
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Schwingungsspektroskopie I
Infraroter Spektralbereich:
– Nahes Infrarot (NIR): 12500 cm-1 – 4000 cm-1
– Mittleres Infrarot (MIR): 4000 cm-1 – 200 cm-1
– Fernes Infrarot (FIR): 200 cm-1 – 10 cm-1
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/chapter_13.html
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Schwingungsspektroskopie I
� Schwingungen, klassische Betrachtung
eindim. harmon. Oszillator:
gekoppeltes System:
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Schwingungsspektroskopie I
� Quantenmechanik
eindimensionaler harmonischer Oszillator:
Abb. 10.3 aus Haken/Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie. |ψv|2, R – Re = x
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Molekül: geladene Teilchen � Coulomb-WW statt Kopplung durch Federn!
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� Anharmonizität
Abb. 10.4 aus Haken/Wolf,Molekülphysik und Quantenchemie Abb. 10.5 aus Haken/Wolf,Molekülphysik und Quantenchemie
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• Konsequenzen der Anharmonizität
– Obertöne:
– Kombinationsschwingungen:
– Fermi-Resonanz: Kopplung von Normalschwingung und Oberton
�Verstärkung des Obertons („intensity borrowing“)
�Verschiebung beider Frequenzen
� Thermische Besetzung (Boltzmann-Verteilung):
� im mid-IR Bereich (4000 – 400 cm-1) sind höhere Übergänge („hot bands“) unwahrsch.
� Anharmonizität spielt i.A. keine große Rolle
� Isotopeneffekt: „Federkonstante“ E(R) in B.O. unabhängig von Kernmasse
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� Übergangsdipolmoment
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Schwingungsspektroskopie I
� Beispiele für IR-aktive und –inaktive Schwingungen: http://chemistry.boisestate.edu/rbanks/inorganic/electromagnetic%20spectrum/vibrational_modes.htm
� IR-Aktivität: Symmetriebetrachtung � Gruppentheorie
- i.A. relevant bei kleineren Molekülen
- große Moleküle / Biomoleküle oft völlig unsymmetrisch
�alle Schwingungen zeigen IR-Aktivität
� Übergangswahrscheinlichkeit:
� IR-Lineardichroismus
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