Molekül Fiziği ve Kuantum Kimyası

Bu ders kitabı fizik, fiziko kimya ve teorik kimyacıların kullanacağı bir şekilde tasarlanmıştır. Okuyucunun atom ve kuantum fiziği temel bilgisine sahip olduğu varsayılmıştır (Bu çerçevede bu serinin 1. cildi olan Atom ve Kuantum Fiziği kitabına bakılabilir). Fizik öğrencileri burada anlatılan konuların bütün Fizik bölümlerinde kullanıldığını görecektir. Bı kitap öğrencilere molekül fiziği alanında ne kadar derine gidilebileceğini ve oldukça ilginç gelecek nesil araştırmalarının neler olabileceğini gösterecektir.

Kitabımızın birinci baskısından sonra molekül fiziği alanında oldukça yeni gelişmeler olmuştur. Öğrenciler için oldukça önemli olan yeni yöntemler ve sonuçlar bu ikinci baskıda daha geniş bir şekilde ele alınmıştır. Bunlar arasında tek-molekül spektroskopisi ile elektrolüminesans ve organik ışık salan diyotları da içerecek şekilde oldukça hızla bir gelişim içinde olan moleküler elektroniği zikredebiliriz. Bunlara ilaveten daha önceki bazı konuları geliştirip, eksik yanları varsa onları da tamamladık. Bu yeni basımda bazı alıştırmaları da ekledik; bunlar öğrencinin kavrayışlarını daha ileri seviyeye götürecek ve ferdi çalışmalarını daha işeri bir seviyeye oturtma şansı vereceklerdir.

MOLEKÜL FİZİĞİ VE KUANTUM KİMYASI     H. Haken/ H.C. Wolf

Bu ders kitabı fizik, fiziko kimya ve teorik kimyacıların kullanacağı bir şekilde tasarlanmıştır. Okuyucunun atom ve kuantum fiziği temel bilgisine sahip olduğu varsayılmıştır (bu çerçevede bu serinin birinci cildi olan Atom ve Kuantum Fiziği kitabının ilk birkaç bölümüne bakılabilir). Fizik öğrencileri burada anlatılan konuların bütün Fizik bölümlerinde kullanıldığını görecektir. Bu kitap öğrencilere molekül fiziği alanında ne kadar derine gidilebileceğini ve oldukça ilginç gelecek nesil araştırmalarının neler olabileceğini gösterecektir.

Kimya öğrencileri için bu kitapta sunulan kavramlar, bu alandaki bütün teorik çerçeveyi çizme açısında bakıldığında doyurucu olacaktır. Bu kavramlar yardımıyla, en azından teorik açıdan deneysel kimya bilgisinin geniş çerçevesini birkaç temel kurala indirgemek mümkün olacaktır. Bu temel kurallar kuantum mekanik temellidirler. Buna ek olarak burada temelleri sunulan modern fiziki metotların kimyada artan oranda önemli hale geldiği görülmektedir ve günümüzde bunlar kimyacılar için  vazgeçilmez aygıtlar halini almaktadırlar. Örnek vermek gerekirse  kompleks  organik bileşiklerin yapısal analizi, oldukça hızlı reaksiyon süreçlerinin spektroskopik olarak araştırılması veya pratik bir uygulama olarak havadaki kirleticilerin uzaktan tespitinden bahsedebiliriz.

Elinizdeki bu kitap birbirinden ayrılamayacak iki konuyla ilgilenmektedir: kimyasal bağlanma ve moleküllerin fiziksel özellikleri. Bunların her ikisi de, ilk olarak kendini atomik yapıda ispatlamış olan, kuantum mekaniği yoluyla ancak anlaşılabilir. Kimyasal bağlanma problemi temel olarak elektronların taban hali ve bağlı atomların çekirdekler arası uzaklığının bir fonksiyonu olarak enerjisiyle ilişkiliyken, moleküllerin diğer fiziksel özelliklerinin anlaşılması temelde uyarılmış hallerin incelenmesini gerektirmektedir. Bunların her ikisi de elektronik hareketlere ve çekirdeklere bağımlı kalmaktadırlar.

Ele alınan konuların teorik olarak incelenmesi bu yüzden kuantum mekaniği yöntemlerine bağlı kalmaktadır ve bunların deneysel olarak çalışılması, elektromanyetik dalgaların geniş bir spektral aralıkta aracı olarak kullanıldığı spektroskopik yöntemlere dayanmaktadır. Bu yolla molekülün yapısı, elektronik dalga fonksiyonu, dönme ve titreşimiyle ilgili bilgi elde etmek mümkün olabilmektedir. Burada uyarılmış hallerin enerjileriyle bağ enerjilerinin deneysel tespitinde kullanılan deneysel ve teorik yaklaşımları da sunuyoruz. Teorik ele alışta sadece atom fiziğinden bildiğimiz kavramlarla karşılaşmıyor, aynı zamanda aralarında Hartree-Fock yaklaşımı, Born-Oppenheimer yaklaşımı ve grup teorisinin simetri özelliklerinin de kullanımını içine alan oldukça yeni tekniklerle de karşı karşıya kalıyoruz. Daha önce olduğu gibi bu yeni teknikler de, molekül fiziğine bu yolla içten bağlı olan, katıların kuantum teorisinin de temelini teşkil etmektedirler.

Molekül fiziği ve kuantum kimyasının bir araya getirilmesinin merkezi önemine rağmen, elinizdeki bu kitap dışında, yazılmış olan amaçları içinde barındıran herhangi bir kitap bulunmadığı da bir gerçektir. Bu gerçek, öğrencilerimiz tarafından, özellikle bu serinin birinci kitabı olan Atom ve Kuantum Fiziği’ni okuduktan sonra dile getirilmiş ve bize yapılan yapıcı baskılar sonrası elinizdeki kitabı yazmamız kaçınılmaz olmuştur. Elinizdeki bu kitabı Stuttgart Üniversitesinde yıllardır anlattığımız ders notlarımızın derlenmesi sonucu açığa çıkmıştır. Konuları açık ve anlaşılabilir bir tarzda ve, sistematik bir sırada, aralarındaki yakın ilişkiyi verecek şekilde hem teorik ve hem de deneysel açıdan ele alma gibi bir zorluğun üstesinden gelmeye çalıştık.

Molekül fiziği ve kuantum kimyası ile ilgili herkesin çok iyi bileceği gibi, burada pratikte sonu gözükmeyen bir alanı tanıtmaya çalışıyoruz. Bizim burada esasında temel ve önemli görevimiz, bu yüzden, incelenen konuların iyi bir şekilde seçimi olmaktadır. Bu seçimi yaparken mümkün olduğunca en temel ve tipik konuları seçme gayreti içinde olmaya çalıştık. Bu önemli ve ilgi çekici araştırma alanında önemli bir bakış açısı vermede başarılı olduğumuzu ümit ediyoruz. Bu konuyla ilgili yazılı eserler arasında elinizdeki bu kitabın önemli bir boşluğu dolduracağını düşünmekteyiz. Daha derin bir anlayış kazanmak isteyen okuyucular için kitabın sonunda bir okuma listesi sunuyoruz. Bu listede okuyucu, oldukça hızlı bir gelişim içinde olan, ancak içeriği sebebiyle bu kitap konuları arasına alınmayan reaksiyon dinamiği ile ilgili kaynaklar bulacaktır. Buna ilaveten fotosentez konusundaki yeni gelişmeler, çok moleküllü  fonksiyonel birimlerin fiziği ve moleküler mikroelektronik gibi konularla ilgili kısa, fakat etraflı bilgi de verilmiştir.

Anılan sebeplerle elinizdeki bu kitabın iki aşamalı bir amacı yerine getirdiği söylenebilir: molekül fiziği alanındaki iyi bilinen temel konulara bir giriş yapmak ve bu alanda yapılan araştırmaların en yeni olanları ile ilgili okuyucuya bir ufuk sağlamak.

Elinizdeki bu kitap, Molekülphysik and Quantenchemie Almanca orijinalinin çevirisidir. Prof.W.D.Brewer’e mükemmel çevirisi ve kitabın geliştirilmesiyle ilgili yaptığı önerilerden dolayı müteşekkiriz.

Bu kitabın yazımı aşamasında destek veren ve düzeltmelerini yapan arkadaşlarımız ve öğrencilerimize de teşekkür ediyoruz. Özellikle son çalışmalarının sonuçlarından bizi yararlandıran ve şekillerini bize sağlayan araştırmacılara teşekkürü bir borç biliyoruz. Burada daha önceki kitabımıza (Atom ve Kuantum Fiziği) I (1.cilt) diyeceğimizi de not ediyoruz.

ÇEVİRENDEN

Hızla ilerleyen Fizik, Kimya, Biyoloji gibi fen bilimleri ve bunların teknolojiye açılan kapısı olan mühendislik dallarının gelişimi, içerdikleri yüksek teknolojinin iyi anlaşılabilmesini gerektirmekte ve bu, öncelikle maddenin yapıtaşı olan atomlar ve moleküllerin tanınmasını zorunlu kılmaktadır. Moleküllerin iç yapısının anlaşılması sonrasında ise modern teknolojide kendine uygulama bulan konularda araştırma yapabilmek mümkün hale gelebilmektedir.

1.cildini (Atom ve Kuantum Fiziği) çevirdiğim bu serinin bu ikinci cildinde Atom ve Molekül Fiziği anabilim dalının ikinci ve uygulamaya açık parçası tamamlanmakta,  Kuantum Kimyası’nın temelleri ifade edilerek günümüzdeki modern uygulamalara ait örnekler sunulmaktadır. Atom-Molekül Fizikçileri, Katıhal Fizikçileri ve Kimyada araştırma yapanların günümüzdeki disiplinler arası çalışmalarına destek vereceğinden kuşku duymadığım bu kitabın internet destekli 133 problem çözümü bulunmaktadır ve bu haliyle Türkiye’de bir boşluğu dolduracağı ümidindeyim.

                                                                                                                                       Prof. Dr. İbrahim Okur

 

İÇİNDEKİLER 

Bu Kitapta Kullanılan En Önemli Semboller Listesi

1.       Giriş 

1.1      Molekül Nedir?

1.2      Amaç ve Yöntem 

1.3      Tarihsel Notlar

1.4      Molekül Fiziği ve Kuantum Kimyasının Diğer Alanlar İçin Önemi

2.       Moleküllerin Mekanik Özellikleri,

 Boyutları ve Kütleleri

2.1      Molekül Boyutları 

2.2      Moleküllerin Şekilleri

2.3    Molekül Kütleleri 

2.4    Öz Isı ve Kinetik Enerji

Problemler 

3.       Elektrik ve Manyetik Alanda Moleküller 

3.1      Dielektrik Özellikler 

3.2      Kutupsuz Moleküller 

3.3      Kutuplu Moleküller 

3.4      Kırma İndisi, Dağılma 

3.5      Kutuplanabilirliğin Homojen Olmaması 

3.6      Manyetik Alanda Moleküller, Temel Kavramlar ve Tanımlar

3.7      Diyamanyetik Moleküller 

3.8      Paramanyetik Moleküller 

Problemler 

4.       Kimyasal Bağlanma Teorisine Giriş 

4.1      Kuantum Mekaniğinin Kısa Bir Özeti  

4.2      Çok ve Tek Kutuplu Bağlanma 

4.3      Hidrojen Molekülü İyonu 

4.4      H₂ Hidrojen Molekülü 

4.4.1      Değişim (Varyasyon) İlkesi 

4.4.2      Heitler London Yöntemi 

4.4.3      Kovalent-İyonik Rezonans 

4.4.4      Hidrejendeki Bağlanma İçin Hund-Mullikan-Bloch Teorisi 

4.4.5      Dalga Fonksiyonlarının Karşılaştırılması 

4.5   Melezleşme 

Problemler 

5.       Simetriler ve Simetri İşlemleri:

İlk Bakış 

5.1      Temel Kavramlar

5.2      Benzene Uygulama: Hüchel Yöntemiyle p-Elektronun Dalga Fonksiyonlarının Eldesi 

5.3      Hückel Yönteminin Yeniden Gözden Geçirilmesi: p-Elektronlarının Enerjisi

5.4      Slater Determinantları 

5.5      Eten Dalga Fonksiyonları, Parite 

5.6    Özet

Problemler 

6.       Simetriler ve Simetri İşlemleri:

Sistematik Yaklaşım*

6.1      Temel Noktalar 

6.2      Moleküler Nokta Grupları

6.3      Simetri İşlemlerinin Dalga Fonksiyonları Üzerindeki Sonuçları

6.4      Matrislerin Dönüşümleri ve İndirgenmeleri

6.5      Grup Temsili Teorisinin Temelleri 

6.5.1  Sınıf Kavramı 

6.5.2  Bir Temsilin Karakteri 

6.5.3  İndirgenemez Temsillerin Yazım Tarzı 

6.5.4  Bir Temsilin İndirgenmesi 

       6.6    Özet 

       6.7    Bir Örnek: H₂O Molekülü

Problemler 

7.       Molekül Fiziği ve Kuantum Kimyasında

Çok Elektron Problemi  

7.1      Problemin Görünümü ve Formülleştirilmesi  

7.1.1  Hamiltoniyen ve Schrödinger Eşitliği 

7.1.2  Slater Determinantları ve Enerji Beklenen Değerleri 

7.2      Hartree-Fock Eşitliği, Öz Uyumlu Alan (SCF) Yöntemi 

7.3      Kapalı Bir Kabuk İçin Hartree-Fock Yöntemi

7.4      Açık Kabuklar İçin Kısıtlanmamış SCF Yöntemi

7.5      Açık Kabuklar İçin Kısıtlanmış SCF Yöntemi 

7.6      Karşılıklı İlişki  Enerjileri 

7.7      Koopman Teoremi 

7.8      Şekillenim Etkileşmeleri 

7.9      İkinci Kuantumlaşma* 

7.10  4-7 Bölümleri Sonuçlarının Özeti 

Problemler 

8.       Moleküler Spektroskopi Tekniklerine Bir Bakış   

8.1      Spektral Bölgeler 

8.2      Optik Spektroskopi Yöntemlerine Bir Bakış 

8.3      Diğer Deneysel Yöntemler

Problemler 

9.       Dönme Spektroskopisi 

9.1      Mikrodalga Spektroskopisi

9.2      İki Atomlu Moleküller

9.2.1  Katı Bir Dönücünün Spektrumu (Halter Modeli) 

9.2.2  Şiddetler 

9.2.3  Katı Olmayan Dönücü 

9.3      İzotop Etkileri 

9.4      Stark etkisi 

9.5      Çok Atomlu Moleküller 

9.6      Dönme Spektroskopisinin Bazı Uygulamaları      

Problemler 

10.    Titreşim Spektroskopisi 

10.1  Kızılötesi Bölge Spektroskopisi

10.2  İki Atomlu Moleküller: Harmonik Yaklaşım 

10.3  İki Atomlu Moleküller: Harmonik Olmayan Titreşici 

10.4  İki Atomlu Moleküllerin Dönme-Titreşim SpektrumlarI Dönen Titreşici ve Bantların Dönme Yapısı       

10.5  Çok Atomlu Moleküllerin Titreşim Spektrumları 

10.6  Titreşim Spektroskopisinin Uygulamaları 

10.7  Kızılötesi Bölge Lazerleri 

10.8  Mikro Dalga Mazerleri      

Problemler 

11.    Dönme ve Titreşim Spektrumlarının Kuantum Mekanik Yolla Ele Alınması 

11.1  İki Atomlu Molekül 

            11.1.1  Born Oppenheimer Yaklaşımı 

            11.1.2  Yaklaşımların Doğrulanması

11.2  Üç ve Çok Atomlu Moleküllerin Dönmesi

            11.2.1  Dönme Enerjisi İfadesi 

            11.2.2  Simetrik Tepe 

            11.2.3  Simetrik Olmayan Tepe

11.3  Üç ve Çok Atomlu Moleküllerin Titreşimleri 

11.4  Simetri ve Normal Koordinatlar 

11.5  Özet

Problemler 

12.    Raman Spektrumları 

12.1  Raman Etkisi 

12.2  Titreşimsel Raman Spektrumları 

12.3  Dönme Raman Spektrumları

12.4  Çekirdek Spinlerinin Dönme Yapısı Üzerindeki Etkileri 

Problemler 

13.    Elektronik Haller  

13.1  Bant Spektrumlarının Yapısı 

13.2  Bağlanma Çeşitleri 

13.3  İki Atomlu Moleküllerin Elektronik Halleri 

13.4  İki Atomlu Moleküllerin Çok-Elektron Halleri ve Toplam Elektronik Halleri 

13.5  Bir Örnek: H₂’nin Elektronik Halleri 

Problemler

14.    Moleküllerin Elektronik Spektrumları 

14.1  Küçük Moleküllerin Bant Sistemlerinin Titreşimsel Yapısı; Franck-Condon İlkesi 

14.2  Küçük Moleküllerin Elektronik Bant Spektrumlarının Dönme Yapısı; Görünüm ve Seçim Kuralları 

14.3  Küçük Moleküllerin Bant Spektrumlarının Dönme Yapısı; Fortrat Diyagramları

14.4  Ayrışma ve Ön Ayrışma 

14.5  Küçük Moleküllerin Bant Spektrumlarının Uygulamaları 

14.6  Büyük Moleküllerin Elektronik Spektrumları 

Problemler 

15.    Molekül Spektroskopisi Yöntemleri İle İlgili Diğer Bilgiler   

15.1  Işığın Soğurulması 

15.2  Radyasyonsuz Süreçler 

15.3  Işığın Salınması 

15.4  Soğuk Moleküller 

15.5  Boya Lazerleri 

15.6  Yüksek Çözünürlüklü İki-Foton Spektroskopisi 

15.7  Oldukça Kısa Atma Spektroskopisi 

15.8  Fotoelektron Spektroskopisi 

15.9  Yüksek Çözünürlüklü Fotoelektron Spektroskopisi 

Problemler 

16.    Işıkla Moleküllerin Etkileşimi: Kuantum Mekanik Ele Alış        

16.1  Görünüm 

16.2  Zaman Bağımlı Küçük Katkı (Perturbasyon) Teorisi 

16.3  Kendiliğinden ve Uyarılmış Salma; Moleküllerin Işığı Soğurmaları  

            16.3.1  Hamiltoniyen İfadesi 

            16.3.2  Başlangıç ve Son Hallerin Dalga Fonksiyonları 

            16.3.3  Matris Elemanlarının Genel Hali 

            16.3.4  Geçiş Olasılıkları ve Einstein Katsayıları
     
            16.3.5  Soğurma Katsayısının Hesabı 

             16.3.6  Geçiş Momentleri, Titreşici Şiddetleri ve Uzaysal Ortalama

16.4  Franck-Condon İlkesi

16.5  Seçim Kuralları 

16.6  Özet  

17.    Raman Etkisinin Teorik Olarak Ele Alınması ve Nonlineer Optiğin Temelleri   

17.1  Yüksek Mertebeden Zaman-Bağımlı Küçük Katkı Teorisi 

17.2  Raman Etkisinin Teorik Tanımı 

17.3  İki-Foton Soğurma 

18.    Nükleer Manyetik Rezonans 

18.1  Nükleer Rezonansın Temelleri

            18.1.1  Bir Manyetik Alanda Nükleer Spinler

            18.1.2  Nükleer Rezonansın Tespit Edilmesi 

18.2  Moleküllerde Proton Rezonansı 

            18.2.1  Kimyasal Kayma 

            18.2.2  İnce Yapı ve Doğrudan Nükleer Spin-Spin Çiftlenimi 

            18.2.3  İnce Yapı ve İki Çekirdek Arasında Dolaylı Spin-Spin Çiftlenimi 

            18.2.4  Çok Sayıda Çekirdek Arasında Dolaylı Spin-Spin Etkileşimi 

18.3  Dinamik Süreçler ve Durulma Zamanları        

18.4  Başka Çekirdeklerle Nükleer Rezonans 

18.5   İki Boyutlu Nükleer Rezonans 

18.5.1  Temel Kavramlar 

18.5.2  COSY’nin Kuantum Mekaniksel Teorisi 

18.5.3  Özellikle NOESY Gibi 2-Boyutlu Değiş-Tokuş Spektroskopisini Kullanarak Dinamik Süreçlerin Araştırılması 

        18.6   Nükleer Manyetik Rezonansın Uygulamaları 

Problemler 

19.    Elektron Spin Rezonansı 

19.1  Temel Noktalar 

19.2  g-Çarpanı 

19.3  Aşırı İnce Yapı 

19.4  İnce Yapı

19.5  Üçlü Hallerin İnce Yapı Tensörü ve Spin Dalga Fonksiyonlarının Hesaplanması 

19.6  Çifte Rezonans Yöntemleri: ENDOR 

19.7  Optik Yolla Tespit Edilen Manyetik Rezonans (ODMR)

19.8  ESR’nin Uygulamaları 

Problemler 

20.    Makro Moleküller, Biyomoleküller ve Süper Moleküller 

20.1  Bu Moleküllerin Fizik, Kimya ve Biyoloji’de Önemi 

20.2  Polimerler 

20.3  Molekül Tanıma, Molekül İçerilmesi 

20.4  Enerji Aktarımı, Duyarlılık

20.5  Biyolojideki Fotoreaksiyonlarda Kullanılan Moleküller 

20.6  Hayatın Temel Yapı Taşları Olan Moleküller

20.7  Moleküler Fonksiyon  Birimleri 

Problemler 

21.    Tek Bir Molekülle Yapılan Deneyler 

21.1  Giriş: Neden? 

21.2  Tek Bir Molekülün X-Işını ve Elektron Demeti Yöntemleriyle Gözlenmesi

21.3  Taramalı Tünel ve Atomik Kuvvet Mikroskopları

21.4  Tek Bir Molekülün Optik Spektroskopisi 

            21.4.1  Görünüm 

            21.4.2  Deneysel Yöntemler 

            21.4.3  Nispeten Sınırlı Çözme Gücüyle Yapılan Tek Molekül Spektroskopisi: Uzaysal Seçim

21.4.4  Düşük Sıcaklıklarda Yüksel Spektral Çözme Güçlü Ölçümler: Spektral Seçim 

21.4.5  Bazı Deneysel Sonuçlar 

21.5  Moleküllerin Elektriksel İletkenlikleri

21.5.1  Molekül Kabloları 

    21.5.2  Deneysel Sonuçlar 

22.    Molekül Elektroniği ve Diğer Uygulamalar

22.1  Nedir? 

22.2  Anahtarlama Elemanları Olarak Moleküller 

22.3  Moleküler Elektriksel İletkenler 

22.4  Molekül Kabloları       

22.5  Enerji İletkenleri Olarak Moleküller 

22.6  Moleküler Elektronik Fonksiyon Birimleri 

22.7  Nanotüpler

22.8  Moleküler Depolama Elemanları, Hol Yanması 

22.9  Elektrolüminesans ve Işık Salan Diyotlar 

22.10 Gelecek: Akıllı Moleküler Malzemeler 

Problemler 

Ekler

E.1 Determinantlarla Temsil Edilen Dalga Fonksiyonlarını Kullanarak

       Beklenen Değerlerin Hesaplanması 

        E.1.1  Determinantların Hesaplanması 

        E.1.2  Beklenen Değerlerin Hesaplanması 

E.2 Radyasyon Yoğunluğunun Hesaplanması 

Özel Okuma Kitapları ve Makaleler

Söz Dizini 

Atom Fiziğinin Temel Sabitleri (Ön Kapağın İç Kısmında)

Enerji Dönüşüm Tablosu (Arka Kapağın İç Kısmında)