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Das H + 2 -Molek¨ ulion aherungen f¨ ur das elektronische Problem und Kernbewegungen Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie 7. Dezember 2011 Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie H + 2 -Molek¨ ulion
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Das H2 -Molek ulion - uni-muenster.de...Das H+ 2-Molek ulion N aherungen f ur das elektronische Problem und Kernbewegungen Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten

Mar 20, 2020

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Das H+2 -Molekulion

Naherungen fur das elektronische Problem und Kernbewegungen

Michael Evelt

Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

7. Dezember 2011

Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

H+2 -Molekulion

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Schrodinger-Gleichung des H+2 -Molekulions

Abbildung: Arthur Beiser; Atome, Molekule, Festkorper; Vieweg,Braunschweig 1983

(−∆K/E −

2

r1− 2

r2+

2

R

)Ψ(~r1,~r2, ~Rs , ~R) = EΨ(~r1,~r2, ~Rs , ~R)

mit ~R = ~r1 −~r2Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

H+2 -Molekulion

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Schrodinger-Gleichung des H+2 -Molekulions

Abbildung: Arthur Beiser; Atome, Molekule, Festkorper; Vieweg,Braunschweig 1983

(−∆K/E −

2

r1− 2

r2+

2

R

)ψ(~r1,~r2,R)Φ( ~Rs , ~R) = Eψ(~r1,~r2,R)Φ( ~Rs , ~R)

mit ~R = ~r1 −~r2Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

H+2 -Molekulion

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Schrodinger-Gleichung des H+2 -Molekulions

Abbildung: Arthur Beiser; Atome, Molekule, Festkorper; Vieweg,Braunschweig 1983

(−∆− 2

r1− 2

r2+

2

R

)ψ(~r1,~r2,R) = Eψ(~r1,~r1,R)

mit ~R = ~r1 −~r2Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

H+2 -Molekulion

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LCAO-Naherung

Orbital = Elektronenwellenfkt. ψn,l ,ml

LCAO: Linear combination of atomic orbitals

Variationsprinzip mit Atomorbitalen als Testfunktionen

Uberlagerung unmodifizierter Atomorbitale: Naherung desMolekulorbitals

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H+2 -Molekulion

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LCAO-Naherung

Orbital = Elektronenwellenfkt. ψn,l ,ml

LCAO: Linear combination of atomic orbitals

Variationsprinzip mit Atomorbitalen als Testfunktionen

Uberlagerung unmodifizierter Atomorbitale: Naherung desMolekulorbitals

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LCAO-Naherung

Orbital = Elektronenwellenfkt. ψn,l ,ml

LCAO: Linear combination of atomic orbitals

Variationsprinzip mit Atomorbitalen als Testfunktionen

Uberlagerung unmodifizierter Atomorbitale: Naherung desMolekulorbitals

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungAnwendung auf das H+

2 -Molekulion

|ψ〉 = c1|ϕ1〉+ c2|ϕ2〉

Grundzustandswellenfunktionen ϕ1 und ϕ2 um Proton 1 und 2

ϕ1 =1

(πa30)1/2e− r1

a0 und ϕ2 =1

(πa30)1/2e− r2

a0

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

E =〈ψ|H|ψ〉〈ψ|ψ〉

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

H|ψ〉 = E |ψ〉〈ϕi |H|ψ〉 = E 〈ϕi |ψ〉

⇒2∑

j=1

cj〈ϕi |H|ϕj〉 = E2∑

j=1

cj〈ϕi |ϕj〉

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

⇒2∑

j=1

cj〈ϕi |H|ϕj〉 = E2∑

j=1

cj〈ϕi |ϕj〉

mit Sij = 〈ϕi |ϕj〉 und Hij = 〈ϕi |H|ϕj〉

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

⇒2∑

j=1

cj〈ϕi |H|ϕj〉 = E2∑

j=1

cj〈ϕi |ϕj〉

mit Sij = 〈ϕi |ϕj〉 und Hij = 〈ϕi |H|ϕj〉

(H11 − E · S11)c1 + (H12 − E · S12)c2 = 0

(H21 − E · S21)c1 + (H22 − E · S22)c2 = 0

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

mit Sij = 〈ϕi |ϕj〉 und Hij = 〈ϕi |H|ϕj〉

(H11 − E · S11)c1 + (H12 − E · S12)c2 = 0

(H21 − E · S21)c1 + (H22 − E · S22)c2 = 0

→ Matrix

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

(H11 − E · S11 H12 − E · S12H21 − E · S21 H22 − E · S22

)(c1c2

)= 0

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Diagonalelemente

Es gilt

S11 = S22 = 1

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LCAO-NaherungBerechnung der Diagonalelemente

Aus Symmetriegrunden muss gelten:

H11 = H22

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LCAO-NaherungBerechnung der Diagonalelemente

H11 = 〈ϕ1|(−∆− 2

r1

)|ϕ1〉 − 〈ϕ1|

2

r2|ϕ1〉+

2

R〈ϕ1|ϕ1〉

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LCAO-NaherungBerechnung der Diagonalelemente

H11 = 〈ϕ1|(−∆− 2

r1

)|ϕ1〉 − 〈ϕ1|

2

r2|ϕ1〉︸ ︷︷ ︸

C

+2

R〈ϕ1|ϕ1〉

H11 = −1 +2

R− C

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LCAO-NaherungDas Coulombintegral

C = 〈ϕ1|2

r2|ϕ1〉 =

∫2

r2(ϕ1)2d3r

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LCAO-NaherungDas Coulombintegral

C = 〈ϕ1|2

r2|ϕ1〉 =

∫2

r2(ϕ1)2d3r

C = ER2a0R

[1− e

− 2Ra0

(1 +

R

a0

)]

C wird als Coulomb-Integral bezeichnet

Wechselwirkungs-Energie (ohne Vorzeichen) der 1s-Verteilungum Proton 1 im Feld des Protons 2

⇒ kann als Absenkung der Protonenabstoßung betrachtet werden

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LCAO-NaherungDas Coulombintegral

C = 〈ϕ1|2

r2|ϕ1〉 =

∫2

r2(ϕ1)2d3r

C = ER2a0R

[1− e

− 2Ra0

(1 +

R

a0

)]

C wird als Coulomb-Integral bezeichnet

Wechselwirkungs-Energie (ohne Vorzeichen) der 1s-Verteilungum Proton 1 im Feld des Protons 2

⇒ kann als Absenkung der Protonenabstoßung betrachtet werden

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LCAO-NaherungDas Coulombintegral

ABERe2

4πε0R− C > 0

⇒ Diagonalelemente reichen nicht aus um Bindung zu erklaren

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LCAO-NaherungDas Coulombintegral

ABERe2

4πε0R− C > 0

⇒ Diagonalelemente reichen nicht aus um Bindung zu erklaren

H11 = H22 = −1 +2

R− C

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LCAO-NaherungBerechnung der Nichtdiagonalelemente

Aus Symmetriegrunden muss gelten:

H12 = H21

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Nichtdiagonalelemente

H12 = 〈ϕ1|(−∆− 2

r2

)|ϕ2〉 − 〈ϕ1|

2

r1|ϕ2〉+

2

R〈ϕ1|ϕ2〉

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Nichtdiagonalelemente

H12 = 〈ϕ1|(−∆− 2

r2

)|ϕ2〉 − 〈ϕ1|

2

r1|ϕ2〉+

2

R〈ϕ1|ϕ2〉

H12 = −1 · 〈ϕ1|ϕ2〉︸ ︷︷ ︸S12

−〈ϕ1|2

r1|ϕ2〉+

2

R〈ϕ1|ϕ2〉︸ ︷︷ ︸

S12

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LCAO-NaherungDas Uberlappungsintegral

S12 = S21 := S

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LCAO-NaherungDas Uberlappungsintegral

S12 = S21 := S

S = 〈ϕ1|ϕ2〉 =

∫ϕ1(~r)ϕ2(~r)d3r

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LCAO-NaherungDas Uberlappungsintegral

S = 〈ϕ1|ϕ2〉 =

∫ϕ1(~r)ϕ2(~r)d3r

S =

(1 +

R

a0+

R2

3a20

)e− R

a0

S wird als Uberlappungsintegral bezeichnet

Maß fur die Uberlappung der Orbitale

⇒ 0 ≤ S ≤ 1 mit S = 1 fur R = 0 und S = 0 fur R =∞

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Uberlappungsintegral

S = 〈ϕ1|ϕ2〉 =

∫ϕ1(~r)ϕ2(~r)d3r

S =

(1 +

R

a0+

R2

3a20

)e− R

a0

S wird als Uberlappungsintegral bezeichnet

Maß fur die Uberlappung der Orbitale

⇒ 0 ≤ S ≤ 1 mit S = 1 fur R = 0 und S = 0 fur R =∞

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Nichtdiagonalelemente

Aus Symmetriegrunden muss gelten:

H12 = H21

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Nichtdiagonalelemente

H12 = 〈ϕ1|(−∆− 2

r2

)|ϕ2〉 − 〈ϕ1|

2

r1|ϕ2〉+

2

R〈ϕ1|ϕ2〉

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Nichtdiagonalelemente

H12 = 〈ϕ1|(−∆− 2

r2

)|ϕ2〉 − 〈ϕ1|

2

r1|ϕ2〉︸ ︷︷ ︸

A

+2

R〈ϕ1|ϕ2〉

H12 = −1 · S +2

RS − A

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Resonanzintegral

A = 〈ϕ1|2

r1|ϕ2〉 =

∫ϕ1

2

r1ϕ2d

3r

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Resonanzintegral

A = 〈ϕ1|2

r1|ϕ2〉 =

∫ϕ1

2

r1ϕ2d

3r

A = ER · 2e− R

a0

(1 +

R

a0

)

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Resonanzintegral

A = 〈ϕ1|2

r1|ϕ2〉 =

∫ϕ1

2

r1ϕ2d

3r

A = ER · 2e− R

a0

(1 +

R

a0

)

A wird als Resonanzintegral bezeichnet

rein quantenmechanische Erscheinung

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Resonanzintegral

A = 〈ϕ1|2

r1|ϕ2〉 =

∫ϕ1

2

r1ϕ2d

3r

A = ER · 2e− R

a0

(1 +

R

a0

)

A wird als Resonanzintegral bezeichnet

rein quantenmechanische Erscheinung

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Resonanzintegral

Abbildung: Arthur Beiser; Atome, Molekule, Festkorper; Vieweg,Braunschweig 1983

Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

H+2 -Molekulion

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LCAO-Naherung

s

Abbildung: Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloe;Quantenmechanik, Band 2 (3. Auflage); de Gruyter, Berlin 2008

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

S11 = S22 = 1

S12 = S21 = S

H11 = H22 = −1 +2

R− C

H12 = H21 =

(−1 +

2

R

)S − A

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

∣∣∣∣H11 − E · S11 H12 − E · S12H21 − E · S21 H22 − E · S22

∣∣∣∣ = 0

∣∣∣∣ −1 + 2R − C − E

(−1 + 2

R

)S − A− E · S(

−1 + 2R

)S − A− E · S −1 + 2

R − C − E

∣∣∣∣ = 0

Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

∣∣∣∣ −1 + 2R − C − E

(−1 + 2

R

)S − A− E · S(

−1 + 2R

)S − A− E · S −1 + 2

R − C − E

∣∣∣∣ = 0

⇒[−1 +

2

R− C − E

]2=

[(−1 +

2

R

)S − A− E · S

]2

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

∣∣∣∣ −1 + 2R − C − E

(−1 + 2

R

)S − A− E · S(

−1 + 2R

)S − A− E · S −1 + 2

R − C − E

∣∣∣∣ = 0

⇒[−1 +

2

R− C − E

]2=

[(−1 +

2

R

)S − A− E · S

]2⇒ 1− 2

R+ C + E = ±

[(1− 2

R

)S + A + E · S

]

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

Nichtdiagonalelemente tragen nur bei nennenswerterOrbitaluberschneidung bei

⇒ bei zu geringer Uberlappung: keine Bindung

⇒ 1− 2

R+ C + E = ±

[(1− 2

R

)S + A + E · S

]

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

Nichtdiagonalelemente tragen nur bei nennenswerterOrbitaluberschneidung bei

⇒ bei zu geringer Uberlappung: keine Bindung

⇒ 1− 2

R+ C + E = ±

[(1− 2

R

)S + A + E · S

]⇒ E± =

(−1 +

2

R± A∓ C

1∓ S

)

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

Es tritt ein bindender(−) und ein antibindender Zustand(+)auf

E± =− ER +e2

4πε0R± ER ·

2e− R

a0

(1 + R

a0

)1∓

(1 + R

a0+ R2

3a20

)e− R

a0

∓ ER

2a0R

[1− e−2R/a0

(1 + R

a0

)]1∓

(1 + R

a0+ R2

3a20

)e− R

a0

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungBerechnung der Grundzustandsenergie

Abbildung: Arthur Beiser; Atome, Molekule, Festkorper Vieweg,Braunschweig 1983

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LCAO-NaherungDas Molekulorbital

(H11 − E · S11)c1 + (H12 − E · S12)c2 = 0

(H21 − E · S21)c1 + (H22 − E · S22)c2 = 0

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Molekulorbital

(H11 − E · S11)c1 + (H12 − E · S12)c2 = 0

(H21 − E · S21)c1 + (H22 − E · S22)c2 = 0

c1 ± c2 = 0

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Molekulorbital

c1 ± c2 = 0

|ψ+〉 =1√

2(1− S)(|ϕ1〉 − |ϕ2〉)

|ψ−〉 =1√

2(1 + S)(|ϕ1〉+ |ϕ2〉)

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungDas Molekulorbital

c1 ± c2 = 0

|ψ+〉 =1√

2(1− S)(|ϕ1〉 − |ϕ2〉)

|ψ−〉 =1√

2(1 + S)(|ϕ1〉+ |ϕ2〉)

ψ− beschreibt den bindenden Zustand

symmetrisch in Bezug in auf Austausch von |ϕ1〉 und |ϕ2〉

ψ+ beschreibt den antibindenden Zustand

antisymmetrisch in Bezug in auf Austausch

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LCAO-NaherungDas Molekulorbital

c1 ± c2 = 0

|ψ+〉 =1√

2(1− S)(|ϕ1〉 − |ϕ2〉)

|ψ−〉 =1√

2(1 + S)(|ϕ1〉+ |ϕ2〉)

ψ− beschreibt den bindenden Zustand

symmetrisch in Bezug in auf Austausch von |ϕ1〉 und |ϕ2〉ψ+ beschreibt den antibindenden Zustand

antisymmetrisch in Bezug in auf Austausch

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LCAO-NaherungDas Molekulorbital

Abbildung: Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloe;Quantenmechanik, Band 2 (3. Auflage); de Gruyter, Berlin 2008

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H+2 -Molekulion

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LCAO-NaherungVergleich mit der exakten Losung

Erwartungen

limR→∞E−(R)− e2

4πε0R= −ER

limR→0E−(R)− e2

4πε0R= EHe+ = −Z 2ER = −4ER

berechnetes Ergebnis

limR→∞E−(R)− e2

4πε0R= −ER

limR→0E−(R)− e2

4πε0R= −3ER

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LCAO-NaherungVergleich mit der exakten Losung

Erwartungen

limR→∞E−(R)− e2

4πε0R= −ER

limR→0E−(R)− e2

4πε0R= EHe+ = −Z 2ER = −4ER

berechnetes Ergebnis

limR→∞E−(R)− e2

4πε0R= −ER

limR→0E−(R)− e2

4πε0R= −3ER

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LCAO-NaherungVergleich mit der exakten Losung

Erwartungen

limR→∞E−(R)− e2

4πε0R= −ER

limR→0E−(R)− e2

4πε0R= EHe+ = −Z 2ER = −4ER

berechnetes Ergebnis

limR→∞E−(R)− e2

4πε0R= −ER

limR→0E−(R)− e2

4πε0R= −3ER

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LCAO mit Scaling

|ψ〉 = c1|ϕ1(Z )〉+ c2|ϕ2(Z )〉

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H+2 -Molekulion

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LCAO mit Scaling

|ψ〉 = c1|ϕ1(Z )〉+ c2|ϕ2(Z )〉

Z ist dimensionslos und kann als Effektivladung die vomElektron gesehen wird betrachtet werden

|ϕ1(Z )〉: 1s-Orbital mit Radius a0/Z

fur den Grundzustand gilt: c1 = c2

Z wird stets so gewahlt, dass E− fur alle R minimal wird

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LCAO mit Scaling

|ψ〉 = c1|ϕ1(Z )〉+ c2|ϕ2(Z )〉

Z ist dimensionslos und kann als Effektivladung die vomElektron gesehen wird betrachtet werden

|ϕ1(Z )〉: 1s-Orbital mit Radius a0/Z

fur den Grundzustand gilt: c1 = c2

Z wird stets so gewahlt, dass E− fur alle R minimal wird

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LCAO mit Scaling

|ψ〉 = c1|ϕ1(Z )〉+ c2|ϕ2(Z )〉

Z ist dimensionslos und kann als Effektivladung die vomElektron gesehen wird betrachtet werden

|ϕ1(Z )〉: 1s-Orbital mit Radius a0/Z

fur den Grundzustand gilt: c1 = c2

Z wird stets so gewahlt, dass E− fur alle R minimal wird

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H+2 -Molekulion

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LCAO mit Scaling

|ψ〉 = c1|ϕ1(Z )〉+ c2|ϕ2(Z )〉

Z ist dimensionslos und kann als Effektivladung die vomElektron gesehen wird betrachtet werden

|ϕ1(Z )〉: 1s-Orbital mit Radius a0/Z

fur den Grundzustand gilt: c1 = c2

Z wird stets so gewahlt, dass E− fur alle R minimal wird

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H+2 -Molekulion

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LCAO mit Scaling

z

Abbildung: Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloe;Quantenmechanik, Band 2 (3. Auflage); de Gruyter, Berlin 2008

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Vergleich mit der exakten Losung

R_1°r- -r ~2------~3~-----4r_--------

-2

>-1:'Q)

c;W

-4 -

Abbildung: John C. Slater Quantum Theory of Molecules and Solids,Volume 1 (Electronic Structure of Molecules); McGraw-Hill BookCompany, Inc., New York 1963

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Vergleich mit der exakten Losung

Gleichgewichtsabstandder beiden Protonen Tiefe des Minimums

(Lage des Minimums von von !::;'E_!::;'E_)

Variationsmethode vonAbschnitt 1l.10.2(Ls-Orbitale mit Z = 1) 2.50 ao 1.76 eV

Variationsmethode vonAbschnitt 1l.1 0.3, erster Teil(Ls-Orbitale mit Variabler Z) 2.00 ao 2.35 eV

Variationsmethode vonAbschnitt 1l.10.3, zweiterTeil (Hybridorbitale mitVariablen Z, Z' und 0-) 2.00 co 2.73 eV

Exakte Werte 2.00 ao 2.79 eV

Abbildung: Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloe;Quantenmechanik, Band 2 (3. Auflage); de Gruyter, Berlin 2008

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Vergleich mit der exakten Losung

~.Abbildung: Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloe;Quantenmechanik, Band 2 (3. Auflage); de Gruyter, Berlin 2008

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Die Born-Oppenheimer Naherung

1927:”Zur Quantentheorie der Molekeln“

Annalen der Physik

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Die Born-Oppenheimer Naherung

mp

me≈ 1836, 15

⇒ Protonengeschwindigkeit sehr viel geringer alsElektronengeschwindigkeit

⇒ Elektronenverteilung bleibt trotz Anderung desProtonenabstands immer im Grundzustand→ Elektronen folgen der Kernbewegung adiabatisch

⇒ Protonenbewegung kann fur elektronisches Problemvernachlassigt werden

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Die Born-Oppenheimer Naherung

mp

me≈ 1836, 15

⇒ Protonengeschwindigkeit sehr viel geringer alsElektronengeschwindigkeit

⇒ Elektronenverteilung bleibt trotz Anderung desProtonenabstands immer im Grundzustand→ Elektronen folgen der Kernbewegung adiabatisch

⇒ Protonenbewegung kann fur elektronisches Problemvernachlassigt werden

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H+2 -Molekulion

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Die Born-Oppenheimer Naherung

mp

me≈ 1836, 15

⇒ Protonengeschwindigkeit sehr viel geringer alsElektronengeschwindigkeit

⇒ Elektronenverteilung bleibt trotz Anderung desProtonenabstands immer im Grundzustand→ Elektronen folgen der Kernbewegung adiabatisch

⇒ Protonenbewegung kann fur elektronisches Problemvernachlassigt werden

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Die Born-Oppenheimer Naherung

mp

me≈ 1836, 15

⇒ Protonengeschwindigkeit sehr viel geringer alsElektronengeschwindigkeit

⇒ Elektronenverteilung bleibt trotz Anderung desProtonenabstands immer im Grundzustand→ Elektronen folgen der Kernbewegung adiabatisch

⇒ Protonenbewegung kann fur elektronisches Problemvernachlassigt werden

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Die Born-Oppenheimer Naherung

(−∆K/E −

2

r1− 2

r2+

2

R

)Ψ(~r1,~r2, ~Rs , ~R) = EΨ(~r1,~r2, ~Rs , ~R)

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Die Born-Oppenheimer Naherung

(−∆K/E −

2

r1− 2

r2+

2

R

)Ψ(~r1,~r2, ~Rs , ~R) = EΨ(~r1,~r2, ~Rs , ~R)

E = EP + E (R)

E (R): Grundzustandsenergie des elektronischen Problems

EP : Protonenergie

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Die Born-Oppenheimer Naherung

(−∆K ′ − E (R)) Φ( ~Rs , ~R) = EPΦ( ~Rs , ~R)

und(−∆− 2

r1− 2

r2+

2

R

)ψ(~r1,~r2,R) = Eψ(~r1,~r1,R)

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Kerntranslationsbewegung

Φ( ~Rs , ~R) = χ(~Rs)Φ(~R)

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Kerntranslationsbewegung

Φ( ~Rs , ~R) = χ(~Rs)Φ(~R)

Schwerpunkt bewegt sich wie ein freies Teilchen

χ(~Rs)⇒Es =~2 ~ks

2

2mr

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Kerntranslationsbewegung

Φ( ~Rs , ~R) = χ(~Rs)Φ(~R)

Schwerpunkt bewegt sich wie ein freies Teilchen

χ(~Rs)⇒Es =~2 ~ks

2

2mr

Ψ(~r1,~r2, ~Rs , ~R) = ψ(~r1,~r2,R)χ(~Rs)Φ(~R)

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Rotations- und Vibrationsspektrum

Kerne konnen schwingen

⇒ Anderungen von R

und rotieren

⇒ Anderungen der Polarwinkel ϕ und ϑ

Kernschwingungen verandern das Tragheitsmoment

⇒ Kopplung von Schwingungen und Rotationen fur kleineSchwingungsauslenkungen zu vernachlassigen

⇒ Separationsansatz

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Rotations- und Vibrationsspektrum

Kerne konnen schwingen

⇒ Anderungen von R

und rotieren

⇒ Anderungen der Polarwinkel ϕ und ϑ

Kernschwingungen verandern das Tragheitsmoment

⇒ Kopplung von Schwingungen und Rotationen fur kleineSchwingungsauslenkungen zu vernachlassigen

⇒ Separationsansatz

Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

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Rotations- und Vibrationsspektrum

Kerne konnen schwingen

⇒ Anderungen von R

und rotieren

⇒ Anderungen der Polarwinkel ϕ und ϑ

Kernschwingungen verandern das Tragheitsmoment

⇒ Kopplung von Schwingungen und Rotationen fur kleineSchwingungsauslenkungen zu vernachlassigen

⇒ Separationsansatz

Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

H+2 -Molekulion

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Rotations- und Vibrationsspektrum

Kerne konnen schwingen

⇒ Anderungen von R

und rotieren

⇒ Anderungen der Polarwinkel ϕ und ϑ

Kernschwingungen verandern das Tragheitsmoment

⇒ Kopplung von Schwingungen und Rotationen fur kleineSchwingungsauslenkungen zu vernachlassigen

⇒ Separationsansatz

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Rotations- und Vibrationsspektrum

Kerne konnen schwingen

⇒ Anderungen von R

und rotieren

⇒ Anderungen der Polarwinkel ϕ und ϑ

Kernschwingungen verandern das Tragheitsmoment

⇒ Kopplung von Schwingungen und Rotationen fur kleineSchwingungsauslenkungen zu vernachlassigen

⇒ Separationsansatz

Φ(~R) = f (R)F (ϑ, ϕ)

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Rotations- und Vibrationsspektrum

Kerne konnen schwingen

⇒ Anderungen von R

und rotieren

⇒ Anderungen der Polarwinkel ϕ und ϑ

Kernschwingungen verandern das Tragheitsmoment

⇒ Kopplung von Schwingungen und Rotationen fur kleineSchwingungsauslenkungen zu vernachlassigen

⇒ Separationsansatz

Φ(~R) = f (R)F (ϑ, ϕ)

[−∆K − E (R)] Φ(~R) = EPΦ(~R)

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Rotations- und Vibrationsspektrum

Kerne konnen schwingen

⇒ Anderungen von R

und rotieren

⇒ Anderungen der Polarwinkel ϕ und ϑ

Kernschwingungen verandern das Tragheitsmoment

⇒ Kopplung von Schwingungen und Rotationen fur kleineSchwingungsauslenkungen zu vernachlassigen

⇒ Separationsansatz

Φ(~R) = f (R)F (ϑ, ϕ)

[−∆R −∆L − E (R)] f (R)F (ϑ, ϕ) = EP f (R)F (ϑ, ϕ)

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Vibrationen

E = EP + E (R)

E (R): Grundzustandsenergie des elektronischen Problems

EP : Protonenergie

E (R) = E (R0) +

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Vibrationen

E (R) = E (R0) + E ′(R0)(R − R0) +1

2E ′′(R0)(R − R0)2 + . . .

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Vibrationen

E (R) = E (R0) + E ′(R0)(R − R0)︸ ︷︷ ︸Ableitung am Minimum =0

+1

2E ′′(R)︸ ︷︷ ︸

k

(R − R0)2 + . . .

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H+2 -Molekulion

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Vibrationen

E (R) = E (R0) +1

2

d2E (R)

dR2

∣∣∣∣R=R0︸ ︷︷ ︸

k

(R − R0)2

Potential des harmonischen Oszillators

⇒ k = mrω2; mr : reduzierte Kernmasse mit mr = mp/2

⇒ Eν = ~ω(ν + 1

2

)− E (R0) mit ν ∈ N

und fν(R) = 1√2νν!

(mω~π) 1

4 Hν(√

mω~ R

)e−

mω2~ R2

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Vibrationen

E (R) = E (R0) +1

2

d2E (R)

dR2

∣∣∣∣R=R0︸ ︷︷ ︸

k

(R − R0)2

Potential des harmonischen Oszillators

⇒ k = mrω2; mr : reduzierte Kernmasse mit mr = mp/2

⇒ Eν = ~ω(ν + 1

2

)− E (R0) mit ν ∈ N

und fν(R) = 1√2νν!

(mω~π) 1

4 Hν(√

mω~ R

)e−

mω2~ R2

Michael Evelt Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

H+2 -Molekulion

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Vibrationen

E (R) = E (R0) +1

2

d2E (R)

dR2

∣∣∣∣R=R0︸ ︷︷ ︸

k

(R − R0)2

Potential des harmonischen Oszillators

⇒ k = mrω2; mr : reduzierte Kernmasse mit mr = mp/2

⇒ Eν = ~ω(ν + 1

2

)− E (R0) mit ν ∈ N

und fν(R) = 1√2νν!

(mω~π) 1

4 Hν(√

mω~ R

)e−

mω2~ R2

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H+2 -Molekulion

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Vibrationen

E (R) = E (R0) +1

2

d2E (R)

dR2

∣∣∣∣R=R0︸ ︷︷ ︸

k

(R − R0)2

Potential des harmonischen Oszillators

⇒ k = mrω2; mr : reduzierte Kernmasse mit mr = mp/2

⇒ Eν = ~ω(ν + 1

2

)− E (R0) mit ν ∈ N

und fν(R) = 1√2νν!

(mω~π) 1

4 Hν(√

mω~ R

)e−

mω2~ R2

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Vibrationen

E (R) = E (R0) +1

2

d2E (R)

dR2

∣∣∣∣R=R0︸ ︷︷ ︸

k

(R − R0)2

Potential des harmonischen Oszillators

⇒ k = mrω2; mr : reduzierte Kernmasse mit mr = mp/2

⇒ Eν = ~ω(ν + 1

2

)− E (R0) mit ν ∈ N

und fν(R) = 1√2νν!

(mω~π) 1

4 Hν(√

mω~ R

)e−

mω2~ R2

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H+2 -Molekulion

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VibrationenGroßenordnung der Vibrationsfrequenzen

ω =

√k

mr

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VibrationenGroßenordnung der Vibrationsfrequenzen

ω =

√k

mr

=

√E ′′(R0)

mr

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VibrationenGroßenordnung der Vibrationsfrequenzen

ω =

√E ′′(R0)

mr

νXY =1

√E ′′(R0)

mr

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VibrationenGroßenordnung der Vibrationsfrequenzen

νXY =1

√E ′′(R0)

mr

Vibrationsfrequenzen werden im Kehrwert der energetischaquivalenten Wellenlange angegeben

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VibrationenGroßenordnung der Vibrationsfrequenzen

νXY =1

√E ′′(R0)

mr

1 cm−1 = 3 · 1010Hz

νH2 ≈ 4401 cm−1

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VibrationenGroßenordnung der Vibrationsfrequenzen

νXY =1

√E ′′(R0)

mr

1 cm−1 = 3 · 1010Hz

νH2 ≈ 4401 cm−1

νD2 ≈ 3112 cm−1

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VibrationenGroßenordnung der Vibrationsfrequenzen

allgemein fur zweitatomige Molekule: einige 10 bis einigen1000 cm−1

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RotationenHamiltonoperator und Energiespektrum

Hrot = −∆L =~L2

2mrR20

=~L2

2mrR20

⇒ Erot =~2J(J + 1)

2mrR20

mit J ∈ N und zusatzlicher Quantenzahl M: −J ≤ M ≤ J

Energiezustande fur J 6=0 (2J + 1)-fach entartet

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RotationenHamiltonoperator und Energiespektrum

Hrot = −∆L =~L2

2mrR20

=~L2

2mrR20

⇒ Erot =~2J(J + 1)

2mrR20

mit J ∈ N und zusatzlicher Quantenzahl M: −J ≤ M ≤ J

Energiezustande fur J 6=0 (2J + 1)-fach entartet

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H+2 -Molekulion

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RotationenHamiltonoperator und Energiespektrum

Hrot = −∆L =~L2

2mrR20

=~L2

2mrR20

⇒ Erot =~2J(J + 1)

2mrR20

mit J ∈ N und zusatzlicher Quantenzahl M: −J ≤ M ≤ J

Energiezustande fur J 6=0 (2J + 1)-fach entartet

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H+2 -Molekulion

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RotationenHamiltonoperator und Energiespektrum

Hrot = −∆L =~L2

2mrR20

=~L2

2mrR20

⇒ Erot =~2J(J + 1)

2mrR20

mit J ∈ N und zusatzlicher Quantenzahl M: −J ≤ M ≤ J

Energiezustande fur J 6=0 (2J + 1)-fach entartet

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H+2 -Molekulion

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Gesamtenergie der Kernbewegungen

EP =~2~k2s2mr

+ ~ω(ν +

1

2

)− E (R0) +

~2J(J + 1)

2mrR20

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Zusammenfassung

Das elektronische Problem ist exakt losbar

LCAO mit Scaling: gute Ergebnisse fur Energiewerte

LCAO ohne Scaling: nur fur qualitative Beschreibung underste Approximationen sinnvoll

schon bei einfachen Systemen relativ starke Abweichungen

Born-Oppenheimer-Naherung: Kernbewegungen furelektronisches Problem vernachlassigbar

Kernbewegungen zweiatomiger Molekule fur kleineAnregungsenergien:

harmonische Streckschwingungen und Rotationen um zweiAchsen separat berechbar

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Zusammenfassung

Das elektronische Problem ist exakt losbar

LCAO mit Scaling: gute Ergebnisse fur Energiewerte

LCAO ohne Scaling: nur fur qualitative Beschreibung underste Approximationen sinnvoll

schon bei einfachen Systemen relativ starke Abweichungen

Born-Oppenheimer-Naherung: Kernbewegungen furelektronisches Problem vernachlassigbar

Kernbewegungen zweiatomiger Molekule fur kleineAnregungsenergien:

harmonische Streckschwingungen und Rotationen um zweiAchsen separat berechbar

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Zusammenfassung

Das elektronische Problem ist exakt losbar

LCAO mit Scaling: gute Ergebnisse fur Energiewerte

LCAO ohne Scaling: nur fur qualitative Beschreibung underste Approximationen sinnvoll

schon bei einfachen Systemen relativ starke Abweichungen

Born-Oppenheimer-Naherung: Kernbewegungen furelektronisches Problem vernachlassigbar

Kernbewegungen zweiatomiger Molekule fur kleineAnregungsenergien:

harmonische Streckschwingungen und Rotationen um zweiAchsen separat berechbar

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Zusammenfassung

Das elektronische Problem ist exakt losbar

LCAO mit Scaling: gute Ergebnisse fur Energiewerte

LCAO ohne Scaling: nur fur qualitative Beschreibung underste Approximationen sinnvoll

schon bei einfachen Systemen relativ starke Abweichungen

Born-Oppenheimer-Naherung: Kernbewegungen furelektronisches Problem vernachlassigbar

Kernbewegungen zweiatomiger Molekule fur kleineAnregungsenergien:

harmonische Streckschwingungen und Rotationen um zweiAchsen separat berechbar

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Zusammenfassung

Das elektronische Problem ist exakt losbar

LCAO mit Scaling: gute Ergebnisse fur Energiewerte

LCAO ohne Scaling: nur fur qualitative Beschreibung underste Approximationen sinnvoll

schon bei einfachen Systemen relativ starke Abweichungen

Born-Oppenheimer-Naherung: Kernbewegungen furelektronisches Problem vernachlassigbar

Kernbewegungen zweiatomiger Molekule fur kleineAnregungsenergien:

harmonische Streckschwingungen und Rotationen um zweiAchsen separat berechbar

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