Die chemische Bindung aus Sicht des Chemikers
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Formale Metadaten
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| Anzahl der Teile | 99 | |
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| Identifikatoren | 10.5446/18803 (DOI) | |
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Chemische BindungElektronenpaarChemiestudentAtomChemikerElektron <Legierung>Chemische VerbindungenBruchComputeranimationVorlesung/Konferenz
01:51
ZellkernPhysikalische ChemieElektron <Legierung>MolekülChemische BindungWasserstoffionChemischer ProzessVorlesung/Konferenz
05:05
ZellkernChemische BindungAtomGefälle <Wasserbau>WasserstoffmolekülElektron <Legierung>MolekülIMACWasserstoffSpezies <Chemie>Vorlesung/Konferenz
07:21
ZellkernChemische BindungIoneneElektron <Legierung>Vorlesung/Konferenz
10:30
Vorlesung/Konferenz
11:09
Elektron <Legierung>MolekülorbitalMolekülSonnenschutzmittelLagerungVorlesung/Konferenz
14:15
ZellkernElektron <Legierung>MolekülProtonBruchSchlag <Landwirtschaft>Chemische BindungAzokupplungMineralgangFreies ElektronBleierzAtomChemiestudentChemischer ProzessChemikerCarrierVorlesung/Konferenz
20:53
Chemische BindungMolekülAtomChemikerChemieBruchChemikerinElektron <Legierung>Vorlesung/Konferenz
23:22
MolekülComputeranimation
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Elektron <Legierung>MolekulardynamikMolekülChloridionGasphaseVorlesung/KonferenzBesprechung/Interview
Transkript: Deutsch(automatisch erzeugt)
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In diesem Abschnitt wollen wir die Frage nach der chemischen Bindung noch
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einmal von einem anderen Blickwinkel angehen, pragmatisch aus der Sicht des Chemikers. Der Chemiker würde in der Regel sagen, dass die Frage der chemischen Bindung zuallererst eine Frage der Elektronen ist. Im Laborjargon würden wir sagen, eine chemische Bindung besteht, wenn ich ein bindendes Elektronenpaar habe, welches von zwei Atomen geteilt wird.
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Wenn man genauer hinschaut, gibt es natürlich auch eine Ein-Elektronenbindung, also auch ein Elektronen kann ausreichen.
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Ich kann auch eine Bindung zwischen mehreren Atomen haben, wo also drei Atome beteiligt sind, dann spreche ich von einer Mehrzentrenbindung. Diese Diskussion des bindenden Elektronenpaares gibt uns jetzt qualitativ zunächst mal ein neues Kriterium für die chemische Bindung.
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Damit haben wir aber im Grunde genommen auch ein Kriterium dafür, wie wir die chemische Bindung brechen können. Denn wenn die chemische Bindung voraussetzt, dass ich bindende Elektronenpaare zwischen zwei Atomen oder mehr Atomen habe,
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dann bedeutet die Abwesenheit von diesen Elektronen zwischen den Atomkernen per Definition den Bruch der Bindung. Während wir eben in der ersten Folge noch den Schwingungsaspekt der chemischen Bindung diskutiert hatten, sind wir nun also beim elektronischen Aspekt der chemischen Bindung.
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Und das eben erwähnte Kriterium würde bedeuten, dass ich von den Bindungselektronen, die ich sehr salopp einmal so symbolisiere,
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ich hoffe, man möge mir das verzeihen, dann muss ich diese Elektronen einfach nur aus dem Bindungsbereich wegschieben und habe damit ein Konzept, die chemische Bindung zu brechen. Das klingt sehr verlockend, wenn das Konzept so gut ist, wie ich gerade suggeriert habe, warum werden nicht alle chemische Bindungen so gebrochen?
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Und das hat einen einfachen Grund und der ist verknüpft mit zwei der berühmtesten Physikochemiker, Naturwissenschaftler auf diesem Gebiet, nämlich mit Max Born und Robert Oppenheimer.
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Born und Oppenheimer haben erkannt, dass Elektronen sehr viel leichter sind als Kerne. Ein Elektron wiegt ungefähr den 1800. Teil eines Protons. Wegen dieses Masseunterschiedes bewegen sich Elektronen sehr, sehr viel schneller als die Kerne
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und man kann in erster Näherung annehmen, dass die Elektronendynamik und die Kerndynamik unabhängig sei. In der Quantenmechanik schreibt man das sehr vereinfacht folgendermaßen,
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dass ich die Gesamtwellenfunktion des Moleküls faktorisieren kann, also als Produkt ansetzen kann, der Kernwellenfunktion, dazu gehört die Schwingungsdynamik,
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mal der elektronischen Wellenfunktion. Das ist die Basis der sogenannten Born-Oppenheimer-Approximation. Und diese Born-Oppenheimer-Approximation, die sagt, dass Elektronen und Kerndynamik im Wesentlichen voneinander unabhängig sei,
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ist für mehr als 90% aller chemischen Prozesse gültig. Das ist eine der fundamentalen Grundlagen der physikalischen Chemie. Es ist sozusagen auch ein heiliger Kral. Im Folgenden werden wir darüber zu sprechen haben, wie Elektronen und Kerndynamik letztendlich aber doch zusammenhängen.
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Dabei geht es nicht um die Frage, die Born-Oppenheimer-Approximation auszuhebeln. Ich würde argumentieren, man muss die Grenzen einer so wichtigen Approximation kennen, um ihre Bedeutung richtig einschätzen zu können.
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Wer die Born-Oppenheimer-Approximation kennt, sie im Studium kennengelernt hat, der weiß, dass meine ebengemachte Suggestion, einfach Elektronen wegzuschieben aus dem Bindungsbereich und damit die chemische Bindung zu brechen,
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offenbar so in der Regel nicht funktioniert. Aber warum funktioniert das nicht? Das liegt daran, dass die Elektronen in der Regel sehr viel schneller wieder zum Kernbereich zurückkommen
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und ich also auf diese Art und Weise es nicht schaffe, die Kerne entsprechend bewegt zu haben, die chemische Bindung gebrochen zu haben, freie Atome gebildet zu haben. Die Elektronendynamik ist einfach zu schnell dafür und wenn ich sie nicht kontrollieren kann, kann ich so auch die chemische Bindung nicht brechen.
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Damit ist ein Stichwort gefallen. Das Konzept hier müsste sein, kann ich Elektronendynamik kontrollieren? Kann ich kontrollieren, in welchem Bereich sich Elektronen zu welcher Zeit
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aufhalten, um damit dann letztendlich die chemische Bindung brechen zu können? Dazu könnte doch eigentlich das gleiche Konzept nützlich sein, welches wir eben auch schon diskutiert hatten. Wir hatten eben Schwingungswellenpakete diskutiert.
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Sie waren eine Möglichkeit, die Positionen von Atomen und zwar von einem Ensemble von Atomen in Molekülen zu einer bestimmten Zeit im Raum zu lokalisieren. Nun wollen wir versuchen, das gleiche Konzept zu übertragen auf die Elektronendynamik. Dazu bringe ich wiederum ein einfaches Beispiel und dieses Beispiel basiert auf dem Wasserstoffmolekül.
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Das Wasserstoffmolekül ist vereinfacht gesagt die Trisophila der Laserphysiker. Daran sind alle wichtigen Experimente gemacht worden.
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Ich skizziere dazu die Wellenfunktionen des H2 Plus Ions. Das heißt, ich skizziere genauer genommen die elektronische Wellenfunktion. Ich beginne mit dem bindenden Zustand des H2 Plus Ions.
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Auf einer X-Achse zeichne ich mir jetzt hier in einer Projektion die Position der beiden Kerne ein. Im Rahmen der Born-Oppenheimer-Approximation halte ich die Kerne fest und diskutiere die elektronische Wellenfunktion. Und ich male jetzt die bindende Wellenfunktion.
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Ich mache mir wieder zwei Hilfslinien, zwei Hilfspunkte. Die Wellenfunktion hat endlich Werte, die maximal werden im Bereich der Kerne.
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Die Wellenfunktion ist aber auch von null verschieden zwischen den Kernen. Dort ist die relevante Elektronendichte, die für die chemische Bindung verantwortlich ist. Das ist die bindende Wellenfunktion. Ich male jetzt darüber die Wellenfunktion für den antibindenden Zustand.
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Diese Wellenfunktion für den antibindenden Zustand hat einen Knoten, genau in der Mitte zwischen den beiden Kernen.
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Wenn ich nun diese beiden Elektronenzustände, diese beiden Wellenfunktionen aufaddiere, dann erhalte ich eine Funktion, die ich unten drunter male, damit es einfacher zu sehen ist.
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Ich versuche das maßstäblich zu machen. In diesem Bereich sind beide Wellenfunktionen positiv. Das heißt, ich bekomme eine Überhöhung. In diesem Bereich sinkt dann die Wellenfunktion ab.
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Und ich komme hier ungefähr irgendwo an eine Nullstelle. Und weil die Amplituden nicht identisch sind, sinkt die Wellenfunktion an dem anderen Kern nicht auf Null ab, sondern sieht ungefähr so aus. Aber ich glaube, man kann sehen, dass die Wellenfunktion relativ stark lokalisiert ist an dem einen Kern.
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Wenn ich die beiden Wellenfunktionen subtrahiere, dann bekomme ich das genaue Spiegelbild. Dann ist die Wellenfunktion an dem anderen Kern lokalisiert. Beides sind wiederum nur Grenzzustände, die zeitabhängig sind. Das Elektron wird zwischen den beiden Kernen hin und her oszillieren.
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Und ich habe hier ein elektronisches Wellenpaket. Nun ist die nächste Frage, welches Experiment gibt mir die Möglichkeit, diese beiden Elektronenzustände miteinander zu koppeln?
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Und es ist wieder ein optisches Anregungsexperiment mithilfe sehr kurzer Laserpulse, die diesmal aber noch kürzer sein müssen als das, was wir eben diskutiert hatten. Bei der Schwingungsdynamik hatten wir eben im Zusammenhang mit Cevail 100 Femtosekundenpulse diskutiert.
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Für das Experiment, was ich hier gerade diskutiere, benötigt man Pulse, die ungefähr 5 Femtosekunden lang sind. Wir müssen nun als nächstes die Frage diskutieren, was mit Elektronen passiert, wenn ich das Molekül in ein Laserfeld, in ein optisches Feld hineinbringe.
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Vertraut sind die meisten vielleicht mit dem Gedanken, dass ich mithilfe von elektromagnetischer Strahlung geeigneter Wellenlänge Elektronen von einem höchsten besetzten Molekülorbital
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in ein höheres bis dahin vakantes Molekülorbital anregen kann. Wenn die Photonenenergie ausreicht, kann ich das Elektron so hoch anregen, dass es sogar freigesetzt wird. Dann spricht man von Photionisation. Das Ganze gilt für Lichtfelder relativ niedriger Intensität.
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Wenn wir hier aber Laserpulse diskutieren, die nur 5 Femtosekunden dauern und die sehr viele Photonen enthalten, dann erreichen wir Intensitäten, die so groß sind, dass ganz andere Phänomene auftreten.
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Diese Phänomene müssen wir im Folgenden kurz diskutieren. Dazu müssen wir uns in Erinnerung rufen, wie man elektromagnetische Strahlung beschreiben kann. Der magnetische Anteil der elektromagnetischen Strahlung interessiert uns im Moment nicht.
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Uns interessiert nur der elektrische Anteil. Den schreibe ich im Folgenden auf. Das elektrische Feld als Funktion der Zeit sieht folgendermaßen aus.
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Es enthält eine trigonometrische Funktion, Cosinus, Omega, das ist die Frequenz der Lichtstrahlung, die ich diskutiere, mal T plus einer Phase. Noch nicht erwähnt hatte ich diesen Vorfaktor A von T, der letztendlich die Zeitstruktur des Lichtpulses macht.
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Vielleicht hilft es, wenn ich einfach einmal ein Laserfeld, welches hier relevant ist, an die Tafel skizziere. Ich lasse mit Absicht einmal die Zeitachse zunächst weg.
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Das erleichtert die Zeichnung, weil ich ja um die Nulllage herum zeichnen muss. Jetzt muss ich mich im Moment konzentrieren. Dieses hier ist meine Zeitachse.
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Auf der Y-Achse habe ich die elektrische Feldstärke aufgetragen. Sie sehen, dass das ein Lichtpuls ist, der aus wenigen optischen Zyklen besteht. Im Folgenden möchte ich ein vereinfachtes Bild dessen vorstellen,
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was mit den Elektronen in diesem intensiven Laserfeld nun passiert. Im Grunde genommen merken die Elektronen das elektrische Feld. Das elektrische Feld des Lasers, des Laserpulses, zieht an den Elektronen. Wir können uns in erster Näherung vorstellen,
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dass diese elektrische Feldamplitude sich übersetzt in eine zeitabhängige Polarisation der Elektronen. Vereinfacht gesprochen kann ich mir das so vorstellen, dass die Elektronen aus einer bestimmten Referenzlage ausgelenkt werden.
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Das Ganze kann ich jetzt am einfachsten diskutieren. Jetzt sind wir beim neutralen H2-Molekül. Was ich letztendlich mache, ist, diese zeitabhängige Elektronenpolarisation zu diskutieren.
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Relevanz sind eigentlich nur die Maxima der elektrischen Feldamplitude. An der Stelle wird quasi das Elektron von dem H2-Molekül weggezogen. Aber an der Stelle ändert das elektrische Feld seine Richtung
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und letztendlich auch sein Vorzeichen. Zudem hilft, dass das Elektron, welches in dem Zeitpunkt noch nicht frei war, dann den Rest des Moleküls zusätzlich merkt. Und der ist ja positiv geladen.
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Denn ich habe dann ein H2 Plus-Kern und ein Elektron. Das Elektron wird zurückgezogen und es passiert etwas, was man Re-Kollision nennt. Das Elektron re-kollidiert mit dem Rest des Moleküls und setzt alle diese Prozesse in Gang, die ich eben schon versucht hatte anzudeuten,
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insbesondere auch die Kopplung der Elektronenzustände des H2 Plus-Ions. Was letztendlich passiert, ist, ein Elektron verlässt das Molekül und die chemische Bindung ist gebrochen.
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Und man bekommt ein H-Atom und ein Proton und ein freies Elektron. Das Interessante ist jetzt, dass von diesen beiden Kernen eines ein Elektron hat und das andere nicht.
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Und interessant jetzt aus Sicht des Laserphysikers ist die Frage, kann ich den Bruch der chemischen Bindung dahingehend manipulieren, dass eben die Ladung auf dem anderen Kern sitzt. Das heißt, dann hätte ich ein Proton, was nach oben fliegt,
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und ein Wasserstoffatom, was nach unten fliegt. Das konstituiert etwas, was man Elektronenlokalisation nennt. Und die Lokalisation der Elektronen ist ja nun gerade die Ausgangsfrage gewesen und der Schlüssel zum Bruch der chemischen Bindung über Elektronenkontrolle.
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Geht das? Kann ich die Situation umdrehen? Die Antwort ist Ja. Dazu brauche ich ein anderes Laserfeld, welches folgendermaßen aussieht. Ich nehme die Farbe. Jetzt muss ich mich wieder konzentrieren beim Malen.
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Sie sind nicht genau untereinander.
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Sehen Sie den Unterschied? Ich erläutere ihn gleich. Ich zeige erst, was passiert. Ein bisschen suggestiv male ich die Rekollision des Elektrons jetzt einfach an den anderen Kern. Das ist etwas vereinfacht. Was letztendlich passiert ist, das Elektron wird hier unten lokalisiert.
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Das heißt, ich habe da das H-Atom, ich habe da oben das Proton und das freie Elektron natürlich auch. Was ist der Unterschied zwischen diesen beiden Laserfeldern? In dem Fall war diese Phase Phi gleich Null.
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Diese Phase Phi ist der Phasenunterschied zwischen der sogenannten Trägerwelle. Das ist die Trägerwelle und der Einhüllenden.
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In diesem Fall ist Phi gleich Null. In dem Fall ist die Trägereinhüllende übrigens die gleiche. Aber in dem Fall ist die Phase gleich Pi. Diese Phase, die sogenannte Carrier Envelope Phase, kann man heutzutage in einem Laserpuls kontrolliert einstellen.
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Man kann darüber die Elektronen lokalisieren und ich kann darüber im Prinzip chemische Bindungen brechen. Das Experiment ist vor ein paar Jahren in der Gruppe von Ferenz Kraus am Max-Planck-Institut in Garching durchgeführt worden.
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Wir haben es in der Zwischenzeit für ein nicht homonukleares Molekül durchgeführt. Wir haben das nämlich mit DCL gemacht und dann sieht man, dass man einmal Chlorplus nach unten und das andere Mal Chlorplus nach oben erzeugen kann.
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Das ist im Prinzip die Basis des Gedankens, chemische Bindungen über Elektronen Dynamik zu kontrollieren und zu manipulieren. Vielleicht darf ich das so sagen, für die Physiker war damit das Proof
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of Principle Experiment durchgeführt und ab da ist das Thema nicht mehr so interessant. Für den Chemiker fängt es jetzt natürlich überhaupt erst an spannend zu werden. Der Chemiker, die Chemikerin ist natürlich nicht nur an dem Bruch einer Bindung in einem Molekül interessiert, welches nur eine Bindung hat,
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sondern die Chemiker sind an polyatomigen Molekülen interessiert und die spannende Frage wird die sein, ob es gelingt in einem polyatomigen Molekül, ich bleibe immer noch in der Vereinfachung, die ich eben an der Tafel gut anmalen kann,
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ob es mir gelingt in so einem Molekül entweder die AB-Bindung zu brechen oder die BC-Bindung zu brechen. Und dieses Konzept ist jetzt hier abstrahiert mit drei Buchstaben, aber das können
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sie auf jedes organische oder anorganische Molekül oder biochemische Molekül natürlich letztendlich übertragen. Das wird die spannende Frage für die nächste Zeit sein. Ich persönlich glaube, dass es möglich sein wird, in einem Artikel habe ich das kürzlich so formuliert,
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dass das Kontrollen der Elektronen die Mittel für die Kontrollen der Chemie gibt. Ich hoffe, dass ich Ihnen damit ein paar neue Aspekte der chemischen Bindung hier vorgestellt habe.
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Ein interessanter Nebenaspekt ist der eingangs erwähnte Gedanke der Schwingungsdynamik, das ist ja etwas, was aus der Quantenmechanik kam, das heißt, das kam definitiv aus der Physik. Die Untersuchung von Schwingungszuständen in Molekülen ist aber nun definitiv eine Domäne der Chemiker.
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Umgekehrt ist der Gedanke, dass zur chemischen Bindung die bindenden Elektronen gehören, etwas, was ursprünglich aus der Chemie kam. Diese Untersuchungen zur Elektronendynamik sind bisher aber hauptsächlich von Physikern durchgeführt werden.
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Ich denke, man sieht, dass an der Schnittstelle zwischen Physik und Chemie ein paar interessante Dinge warten. Ich bin gespannt auf das, was man hier in den nächsten Jahren noch dazulernen wird. Vielen Dank.
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Ja, bei diesem Experiment werden Moleküle im Raum quasi festgelegt. Und ich habe also Moleküle, die zum Teil in dieser Orientierung vorliegen.
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Ich habe Moleküle, die zum Teil in der anderen Orientierung vorliegen. Und was ich hier jetzt in dem Experiment letztendlich mache, ist, ich kontrolliere die Elektronendynamik so, dass selbst in einem Ensemble,
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in dem diese beiden Orientierungen gleich häufig vorkommen, ich letztendlich hinterher entweder eine preferenzielle Freisetzung von Chlorionen nach oben erhalte oder aber eine preferenzielle Freisetzung von D-Plus-Ionen nach oben erhalte. Und das ist nicht das Gleiche, da brauche ich unterschiedliche Situationen dafür.
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Das Ganze ist ein Kristall? Nein, das sind freie Moleküle in der Gasphase. Und wie können die dann in der Orientierung haben? Die wird durch das Laserfeld selektiert. Es gibt auch die Möglichkeit, sie durch das Laserfeld zu manipulieren, das lassen wir aber im Moment hier außen vor.