Elementare Prozesse in molekularen Systemen
Elementary Processes in Molecular Systems

• Arten von elementaren Prozessen in molekularen Systemen
• Anwendung von Fermi's Golden Rule auf molekulare Übergänge
• Formulierung der Übergangsrate mit Korrelationsfunktionen
• Dephasierung und Linienform
• Reorganisation und Elektron-Schwingungs-Kopplung
• Intramolekulare Übergänge:
• strahlende (Absorption, Fluoreszenz)
• strahlungslose (Interne Konversion, Intersystem Crossing)
• Kohärente elektronische Anregungen (Molekülaggregate, Polymere)
• Energietransfer (Förster-Transfer und Dexter-Mechanismus,  Einfluss von Unordnung, Linienverschmälerung)
• Elektrontransfer (Marcus' Theorie, Reorganisationsenergie und Aktivierungsenergie, Self Trapping, Superexchange und Ladungstransfer in DNA)
• Protontransfer (Doppelte Born-Oppenheimer Näherung, Adiabatisah und nichtadiabatisch, stark gebundene Protonen)

Nach der erfolgreichen Teilnahme können die Studierenden elementare Prozesse in molekularen Systemen auf quantenmechanischer Basis beschreiben.

Speziell können sie:

• unterschiedliche elementare Prozesse benennen und in einem Jablonski-Diagramm veranschaulichen
• die Reorganisation der molekularen Struktur bei einem elektronischen Übergang mit dem Modell verschobener harmonischer Oszillatoren beschreiben
• die Goldene Regel auf molekulare Übergänge anwenden und die Übergangsrate mt dem Formalismus der Korrelationsfunktionen beschreiben
• den Einfluss von statistischen Schwankungen der Zustandsenergien auf die Rate formulieren und den Zusammenhang mit der Linienform erläutern
• elementare Modelle für  Energietransfer, Elektrontransfer und Protontransfer beschreiben und auf molekulare Systeme anwenden
• optische Spektren molekularer Dimere und längerer Aggregate interpretieren und deren exzitonische Struktur analysieren
• den Einfluss von Unordnung beschreiben und das Auftreten besonders schmaler Absorptionsbanden erklären
• das Förster'sche Modell für Energietransfer beschreiben und die Abhängigkeit von Abstand und spektralem Überlapp erklären
• den Zusammenhang zwischen Aktivierungsenergie und Reorganisationsenergie ableiten und damit die Abhängigkeit der Transferrate von der freiene Reaktionsenthalpie nach Marcus angeben.
• den Superexchange Mechanismus erklären und auf Ladungstransferprozesse in DNA anwenden
• die Abstandsabhängigkeit von superexchange und diffusivem Transfer vergleichen
• die doppelte Born-Oppenheimer Näherung auf molekulare Systeme anwenden und die Quantenzustände charakterisieren.
• die Rate für nichtadiabatischen Protontransfer in Analogie zum Elektrontransfer formulieren und die Besonderheiten im Fall fest gebundenere Protonen benennen

Das Modul "Quantenmechanik molekularer Systeme" (PH2165) ist ergänzend aber keine Voraussetzung

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer Übung.

In der Vorlesung werden die nötigen mathematischen Methoden erläutert und die wichtigen Ergebnisse abgeleitet. Funktionale Zusammenhänge werden mit Hilfe von Graphiken und Beispielprogrammen veranschaulicht.  Theoretische Ergebnisse und experimentelle Resultate aus der Literatur werden in Computerpräsentationen verglichen. Im Anschluss an die Vorlesung besteht Gelegenheit zur Diskussion

In der Übung werden die Ableitungen theoretischer Ergebnisse detailliert diskutiert und ihre Anwendung anhand ausgewählter Beispiele eingeübt, so dass die Studierenden das Gelernte nachvollziehen und  selbständig anwenden können

Eine Reihe interaktiver Applets, die  in der Vorlesung vorgestellt werden,  können  selbständig verwendet werden, um funktionale Zusammenhänge zu visualisieren und die Abhängigkeit theoretischer Ergebnisse von den wesentlichen Parametern zu veranschaulichen

Zusätzliche Skripten und Literaturverweise dienen zur weiteren Vertiefung

Asynchrone Online-Vorlesung und Übungen, Java Programme und extra Material, Skript, Übungsaufgaben mit Lösungen

• Vorlesungsskript
• P.O.J. Scherer & S.F. Fischer: Theoretical Molecular Biophysics, Springer, (2017)

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Erklären Sie elementare intramolekularen Prozesse mit Hilfe eines Jablonski-Diagramms
• Wenden Sie die doppelte Born-Oppenheimer Näherung an und erklären Sie die Besonderheiten beim Transfer fest gebundener Protonen
• Wenden Sie das Model des verschobenen harmonischen Oszillators auf einen optischen Übergang an
• Diskutieren Sie die Bedeutung der Reorganisationsenergie beim Elektrontransfer
• Beschreiben Sie das Absorptionsspektrum eines molekularen Dimers
• Erklären Sie das Förster'sche Modell für intermolekularen Energietransfer und beschreiben Sie die wesentlichen Parameter
• Beschreiben Sie den Zusammenhang von Reorganisationsenergie und Aktivierungsenergie und diskutieren Sie den Ratenasudruck nach Marcus