A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

Hasonló dokumentumok
Atomok és molekulák elektronszerkezete

A s r ségfunkcionál elmélet (Density Functional Theory)

January 16, ψ( r, t) ψ( r, t) = 1 (1) ( ψ ( r,

Fizikai mennyiségek, állapotok

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

2015/16/1 Kvantummechanika B 2.ZH

A H + 2. molekulaion1. molekulaion, ami két azonos atommagból (protonok) és egyetlen elektronból. A legegyszer bb molekula a H + 2 áll.

Az egydimenziós harmonikus oszcillátor

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

Mátrixok 2017 Mátrixok

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Elektronegativitás. Elektronegativitás

Optika gyakorlat 3. Sugáregyenlet, fényterjedés parabolikus szálban, polarizáció, Jones-vektor. Hamilton-elv. Sugáregyenlet. (Euler-Lagrange egyenlet)

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Fermi Dirac statisztika elemei

Fizikai kémia 2. Előzmények. A Lewis-féle kötéselmélet A VB- és az MO-elmélet, a H 2+ molekulaion

A kémiai kötés magasabb szinten

Véletlen bolyongás. Márkus László március 17. Márkus László Véletlen bolyongás március / 31

A spin. November 28, 2006

1. Példa. A gamma függvény és a Fubini-tétel.

Kötések kialakítása - oktett elmélet

Problémás regressziók

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

dinamikai tulajdonságai

Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Dia 1 /39

(1 + (y ) 2 = f(x). Határozzuk meg a rúd alakját, ha a nyomaték eloszlás. (y ) 2 + 2yy = 0,

Bell-kísérlet. Máté Mihály, Fizikus MSc I. ELTE. Eötvös Loránd Tudományegyetem. Modern zikai kísérletek szemináriuma, 2016.

Abszolút folytonos valószín ségi változó (4. el adás)

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Dia 1 /39

0,424 0,576. f) P (X 2 = 3) g) P (X 3 = 1) h) P (X 4 = 1 vagy 2 X 2 = 2) i) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2 X 0 = 2) j) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2)

Kvantummechanika gyakorlo feladatok 1 - Megoldások. 1. feladat: Az eltolás operátorának megtalálásával teljesen analóg módon fejtsük Taylor-sorba

Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

9. Tétel Els - és másodfokú egyenl tlenségek. Pozitív számok nevezetes közepei, ezek felhasználása széls érték-feladatok megoldásában

3. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 3. előadás Lineáris egyenletrendszerek

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Runge-Kutta módszerek

Határozatlansági relációk származtatása az

Kémiai kötések. Kémiai kötések kj / mol 0,8 40 kj / mol

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

A kovalens kötés polaritása

Mátrixfüggvények. Wettl Ferenc április 28. Wettl Ferenc Mátrixfüggvények április / 22

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

A testek részecskéinek szerkezete

1. Parciális függvény, parciális derivált (ismétlés)

Lineáris egyenletrendszerek

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

ω mennyiségek nem túl gyorsan változnak

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (b) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 9. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t

A kémiai kötés magasabb szinten

differenciálegyenletek

Norma Determináns, inverz Kondíciószám Direkt és inverz hibák Lin. egyenletrendszerek A Gauss-módszer. Lineáris algebra numerikus módszerei

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Boros Zoltán február

12. előadás - Markov-láncok I.

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

LINEÁRIS ALGEBRA (A, B, C) tematika (BSc) I. éves nappali programtervező informatikus hallgatóknak évi tanév I. félév

Bevezetés az algebrába 2

FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOK

3. A kémiai kötés. Kémiai kölcsönhatás

Lagrange és Hamilton mechanika

Modern fizika laboratórium

Bevezetés. 1. fejezet. Algebrai feladatok. Feladatok

Fizikaverseny, Döntő, Elméleti forduló február 8.

7. gyakorlat megoldásai

Hamilton rendszerek, Lyapunov függvények és Stabilitás. Hamilton rendszerek valós dinamikai rendszerek, konzerva3v mechanikai rendszerek

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

3. Lineáris differenciálegyenletek

1.1. Vektorok és operátorok mátrix formában

1 A kvantummechanika posztulátumai

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Determinánsok. A determináns fogalma olyan algebrai segédeszköz, amellyel. szolgáltat az előbbi kérdésekre, bár ez nem mindig hatékony.


2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

: s s t 2 s t. m m m. e f e f. a a ab a b c. a c b ac. 5. Végezzük el a kijelölt m veleteket a változók lehetséges értékei mellett!

f (M (ξ)) M (f (ξ)) Bizonyítás: Megjegyezzük, hogy konvex függvényekre mindig létezik a ± ben

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Diszkrét idej rendszerek analízise az id tartományban

A molekulák szerkezetének leírásához a kémiai kötés elméletének a kidolgozása a szükséges feltétel, nem véletlen tehát, hogy ez az, ami a kémikust

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

2. gyakorlat. A polárkoordináta-rendszer

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

Függvényhatárérték és folytonosság

Parciális dierenciálegyenletek

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, Leontyev-modell


AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

Matematika III. harmadik előadás

Tartalom. 1. Állapotegyenletek megoldása 2. Állapot visszacsatolás (pólusallokáció)

Átírás:

A kémiai kötés ereete; viriál tétel 1 Probléma felvetés Ha egy molekula atommagjai közötti távolság csökken, akkor a közöttük fellép elektrosztatikus taszításhoz tartozó energia n. Ugyanez igaz az elektronokra is. A mag-elektron vonzás energiája csökken, ha az elektronok közelebb kerülnek a magokhoz. A molekula teljes energiájához hozzájárul még a kinetikai energia is, aminek változását nem ismerjük. A teljes energiáról ugyanakkor tujuk, hogy mélyebb lesz miközben egy molekula kialakul. A következ kben azt vizsgáljuk meg, hogy ez az energia mélyülés hogyan tev ik össze a kinetiai és potenciális energia változásából. Néhány hasznos tétel A homogén függvényekre vonatkozó Euler tétel Egy n-változós f(x 1, x 2,.., x n ) függvény homogén és homogenitásának foka s, ha teljesül rá, hogy f(λx 1, λx 2,.., λx n ) = λ s f(x 1, x 2,.., x n ). (1) Péla: A 3D harmonikus oszcillátor potenciálja V (x, y, z) = 1 ( 2 mω2 x 2 + y 2 + z 2) homogén, a homogenitás foka 2. A két töltött részecske elektrosztatikus kölcsönhatását leíró Coulomb potenciál -1-e fokú homogén függvény. q a q b q a q = b r ab (xa x b ) 2 + (y a y b ) 2 + (z a z b ) 2 Tétel: Az f(x 1, x 2,.., x n ) s-e fokú homogén függvény kielégíti az alábbi összefüggést Bizonyítás: n x i f x i = sf(x 1, x 2,.., x n ). A homogén függvény (1) eníciójának minkét olalát ierenciáljuk λ szerint. A bal olal a jobb olal λ f(λx 1, λx 2,.., λx n ) = n f(λx 1, λx 2,.., λx n ) λx i λx i λ = n λ λs f(x 1, x 2,.., x n ) = sλ s 1 f(x 1, x 2,.., x n ). λ = 1-et helyettesítve az utolsó két kifejezésb l kapjuk a tételt. Hellman-Feynman tétel x i f(λx 1, λx 2,.., λx n ) λx i, Legyen H(λ) a valós λ paramétert l függ Hamilton operátor, amelynek normált sajátállapota ψ(λ), a hozzá tartozó sajátérték peig E(λ): H(λ) ψ(λ) = E(λ) ψ(λ) (2) ψ(λ) ψ(λ) = 1 1 Ez a fejezet Cohen-Tannouji C., Diu B., Laloe F. Quantum mechanics, cím könyve alapján készült 1

Tétel: Bizonyítás: H(λ) sajétérték egyenletéb l λ E(λ) = ψ(λ) H(λ) λ ψ(λ) E(λ) = ψ(λ) H(λ) ψ(λ ), amit λ szerint eriválva λ E(λ) = ψ(λ) H(λ) λ ψ(λ) + [ ] λ ψ(λ) H(λ) ψ(λ) E(λ) ψ(λ) [ ] + ψ(λ) H(λ) λ ψ(λ). E(λ)ψ(λ) Ahol felhasználtuk a Hamilton operátor (2) sajátérték egyenletét. [ ] [ ] λ E(λ) = ψ(λ) H(λ) λ ψ(λ) + E(λ) λ ψ(λ) ψ(λ) + ψ(λ) λ ψ(λ). A kapcsos zárójelben lév mennyiség éppen a tétel állítását. A [H, A] kommutátor várhatóértéke a H sajátállapotán λ ψ(λ) ψ(λ), ami a ψ(λ) normáltsága miatt zéró, így kapjuk Legyen ψ az önajungált H operátor E sajátértékhez tartozó, normált sajátállapota. Ekkor tetsz leges A operátorra: ψ [H, A] ψ = 0. (3) A bizonyítás egyszer en: ahol kihasználtuk a H ψ = E ψ összefüggést. A viriál tétel molekulákra Molekula potenciális energia operátora ψ HA AH ψ = E ψ A ψ E ψ A ψ = 0, Tekintsünk egy molekulát, ami N elektront és M atommagot tartalmaz. Az elektronok koorinátáit jelölje r i, i = 1,.., N (összefoglaló jelölésként inex nélküli r -t fogunk használni az összes elektron koorináta jelölésére). Az atommagok koorinátáit jelölje R a, a = 1,..M (rövien R). A molekula elektron Hamilton operátorának sajátérték egyenlete, amint azt a Born-Oppenheimer közelítésnél láttuk H (R) ψ (R) = E (R) ψ (R). (4) Az itt szerepl H (R) és ψ (R) az elektronkoorináták függvénye (amit explicit móon nem jeleztünk az egyenletben) e paraméterként tartalmazza az R magkoorinátákat (ezt explicit móon is feltüntettük). Az elektron Hamilton operátor alakja H (R) = T e + V (R), ahol T e = N p 2 i 2m az elektronok kinetikai energiájának operátora, V (R) = V ee + V ne (R) + V nn (R) peig a molekula részecskéi közötti Coulomb kölcsönhatás potenciális energia operátora, aminek tagjai az elektron-elektron (V ee ), mag-elektron (V ne ) és a mag-mag kölcsönhatás. A V (r, R) Coulomb potenciál lévén, -1 -e fokú homogén függvény, így alkalmazhatjuk rá az Euler tételt: ahol i az elektron, a a magkoorinátákra ható graiens operátor. N M r i i V + R a a V = V, (5) 2

A viriál tétel Alkalmazzuk a (3) összefüggést a molekula Hamilton operátorára és az elektronkoorináták és impulzusok (p i ) szorzatából felépített N A = r i p i operátorra. Ehhez számoljuk ki a [H, A] kommutátort. [ ] N N [H, A] = H, r i p i = = i N α=x,y,z p2 i m + r i i V [H, r iα ] p iα + r iα [H, p iα ] A másoik egyenl ségnél az operátorszorzat kommutátorának kiszámítására vonatkozó szabályt használtuk. Az utolsó kifejezés levezetéséhez peig az alábbiakat: A [H, r iα ] kommutátor A [H, p iα ] kommutátor [H, r iα ] = [T ee, r iα ] = = N p A (6)-ban szerepl 2 i m N j=1 β=x,y,z N j=1 β=x,y,z 1 2m [ ] p 2 jβ 2m, r iα = N β=x,y,z p jβ[r iα, p jβ ] + [r iα, p jβ] i δ αβ δ ij i δ αβ δ ij [H, p iα ] = [V, p iα ] = i V r iα. p jβ 1 [ riα, p 2 2m jβ] N = i tag éppen az elektron kinetikai energia operátor 2-szerese, így [H, A] = i 2T ee + N r i i V A (5) összefüggés alapján a [H, A] kommutátor kifejtésének utolsó tagja amit az el z egyenletbe helyettesítve N M r i i V = V R a a V, [H, A] = i 2T ee V M R a a V. (3) szerint ennek a kommutátornak zéró a H tetsz leges sajátállapotán számolt várhatóértéke, amib l 2 T ee + V = M R a a V. Kihasználva, hogy H-ban csak a V függ a magkoorinátáktól, a jobb olalon V -t H-ra cserélhetjük 2 T ee + V = M R a a H, p iα m (6) 3

amib l a Hellman-Feynman tétel alkalmazásával kapjuk a molekulákra vonatkozó viriál tételt 2 T ee + V = M R a a E(R). Felhasználva, hogy T ee + V = E(R) kaphatjuk a tétel más alakjait T ee = E(R) V = 2E(R) + M R a a E(R), M R a a E(R). (7) Azaz kiszámolhatjuk egy molekula kinetiai vagy potenciális energiájának várhatóértékét, ha ismerjük a molekula teljes energiáját egy aott elektron állapotban, mint a magkoorináták függvényét. A kémiai kötés kialakulását kísér energiaváltozások A viriál tétel segítségével vizsgáljuk meg, hogyan változik a kinetikai és potenciális energia miközben végtelen távoli atomokból összeáll egy molekula. Ehhez számoljuk ki (7) felhasználásával a T ee és V energia várhatóértékeket a nemkölcsönható atomjaira bontott molekulára. Használjuk fel, hogy ebben az esetben az energia nem függ a magok távolságától, így a magkoorináták szerinti erivált nulla lesz. T ee = E( ) V = 2E( ) Számoljuk ki ezeket a várhatóértékeket a molekula egyensúlyi állapotában (R 0 ) is. energia minimum, így az enegia graiens itt is el nik, azaz Az egyensúlyi állapot T ee 0 = E(R 0 ) V 0 = 2E(R 0 ). Ebb l a molekula kialakulását kísér energia változások T = T ee 0 T ee = E( ) E(R 0 ) > 0 V = V 0 V = 2(E( ) E(R 0 )) < 0. Azaz a molekula kialakulásakor a kinetikai energia n, ugyanakkor a potencialis energia kétszer ennyivel csökken V = 2 T. Ez összenergia csökkenéshez, azaz stabil molekulaszerkezet kialakulásához vezet. Egyszer péla: hirogén molekula A H 2 molekula geometriája jellemezhet egyetlen változóval, a két atommag R távolságával. Így az E(R) egyváltozós függvény lesz, az energia graiens peig egyszer R-szerinti erivált. A viriál tétel alakja így leegyszer söik T ee = E(R) R E(R) R, V = 2E(R) + R E(R) R. Az energia görbe ebben az esetben kiszámolható (lás gyakorlat). 4

A hirogén molekula kinetikai, potenciális és teljes energiája a magtávolság (R) függvényében (F. Rioux, Chem. Eucator 2003, 8, 13) 5