Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Theoretical fundamentals of spectroscopy
Course of study:
2017/2018
Code:
JFCB-3-018-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
Third-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie „Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej”
Semester:
0
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
prof. dr hab. Petelenz Piotr (petelenz@chemia.uj.edu.pl)
Academic teachers:
prof. dr hab. Petelenz Piotr (petelenz@chemia.uj.edu.pl)
Module summary

Moduł zapoznaje słuchacza z teoretycznymi podstawami spektroskopii, pokazując wynikanie szczegółowych reguł wyboru dla przejść optycznych z fundamentalnych zasad mechaniki kwantowej.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 Wykazuje świadomość: - różnorodności podejść teoretycznych i przybliżeń używanych w interpretacjach widm; - konieczności adaptacji opisu teoretycznego w zależności od zakresu spektralnego i kontekstu interpretacyjnego, ze szczególnym uwzględnieniem własnej specyfiki badawczej; - potrzeby aktualizacji opisu teoretycznego w korelacji ze światowymi kierunkami rozwojowymi i ewoluującym kontekstem eksperymentalnym. FCB3A_W02 Test
Skills
M_U001 Potrafi: - wyjaśnić różnice przybliżeń prowadzące do różnicy reguł wyboru pomiędzy spektroskopią IR, elektronowo-oscylacyjną spektroskopią UV/VIS i spektroskopią ramanowską; - wykorzystując Złotą Regułę Fermiego wyjaśnić mechanizm fizyczny leżący u podstaw reguł Kashy dotyczących przejść bezradiacyjnych. Test
M_U002 Potrafi: - w kontekście poznanych przybliżeń sprecyzować charakter i przyczyny różnic pomiędzy spektroskopią cząsteczki a spektroskopią ciała stałego; - podać przykłady najnowszych (w skali światowej) typów spektroskopii stosowanych w jego tematyce badawczej, oraz zastosować poznany aparat pojęciowy do dyskusji spotykanych tam reguł wyboru; - sprawnie operować poznaną terminologią i koniecznymi przybliżeniami w zaawansowanej dyskusji naukowej na poziomie akademickim. FCB3A_W03, FCB3A_W02 Test
Knowledge
M_W001 Wykazuje fundamentalną wiedzę dotyczącą: - terminologii, głównych pojęć oraz przybliżeń koniecznych do wyprowadzenia reguł wyboru z równania Schrödingera; - zastosowania powyższego aparatu pojęciowego dla podstawowych typów spektroskopii absorpcyjno-emisyjnej; - zasadniczych kroków analogicznego wyprowadzenia dla zjawisk rozpraszania promieniowania; - mechanizmu przejść bezradiacyjnych w cząsteczkach; - konsekwencji symetrii translacyjnej dla spektroskopii kryształów; - najnowszych (w skali światowej) zastosowań spektroskopii w jego tematyce badawczej. Test
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 Wykazuje świadomość: - różnorodności podejść teoretycznych i przybliżeń używanych w interpretacjach widm; - konieczności adaptacji opisu teoretycznego w zależności od zakresu spektralnego i kontekstu interpretacyjnego, ze szczególnym uwzględnieniem własnej specyfiki badawczej; - potrzeby aktualizacji opisu teoretycznego w korelacji ze światowymi kierunkami rozwojowymi i ewoluującym kontekstem eksperymentalnym. + - - - - - - - - - -
Skills
M_U001 Potrafi: - wyjaśnić różnice przybliżeń prowadzące do różnicy reguł wyboru pomiędzy spektroskopią IR, elektronowo-oscylacyjną spektroskopią UV/VIS i spektroskopią ramanowską; - wykorzystując Złotą Regułę Fermiego wyjaśnić mechanizm fizyczny leżący u podstaw reguł Kashy dotyczących przejść bezradiacyjnych. + - - - - - - - - - -
M_U002 Potrafi: - w kontekście poznanych przybliżeń sprecyzować charakter i przyczyny różnic pomiędzy spektroskopią cząsteczki a spektroskopią ciała stałego; - podać przykłady najnowszych (w skali światowej) typów spektroskopii stosowanych w jego tematyce badawczej, oraz zastosować poznany aparat pojęciowy do dyskusji spotykanych tam reguł wyboru; - sprawnie operować poznaną terminologią i koniecznymi przybliżeniami w zaawansowanej dyskusji naukowej na poziomie akademickim. + - - - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Wykazuje fundamentalną wiedzę dotyczącą: - terminologii, głównych pojęć oraz przybliżeń koniecznych do wyprowadzenia reguł wyboru z równania Schrödingera; - zastosowania powyższego aparatu pojęciowego dla podstawowych typów spektroskopii absorpcyjno-emisyjnej; - zasadniczych kroków analogicznego wyprowadzenia dla zjawisk rozpraszania promieniowania; - mechanizmu przejść bezradiacyjnych w cząsteczkach; - konsekwencji symetrii translacyjnej dla spektroskopii kryształów; - najnowszych (w skali światowej) zastosowań spektroskopii w jego tematyce badawczej. + - - - - - - - - - -
Module content
Lectures:

Kurs przedstawia systematyczne rozumowanie prowadzące od równania Schrödingera do reguł wyboru dla różnych typów spektroskopii optycznej. Obejmuje następujące zagadnienia:
Równanie Schrödingera zależne od czasu; jego rozwiązanie metodą rachunku zaburzeń, ze specjalnym akcentem na zaburzenie periodyczne w czasie. Prawdopodobieństwo przejścia optycznego na jednostkę czasu, Złota Reguła Fermiego. Pierwszy rząd rachunku zaburzeń w przybliżeniu dipolowym (absorpcja i emisja promieniowania). Wyprowadzenie reguł wyboru dla przejść rotacyjnych, oscylacyjnych i elektronowych (oraz ich kombinacji) dla cząsteczki dwuatomowej. Uogólnienie na cząsteczki wieloatomowe; rola drgań normalnych w spektroskopii IR i UV/VIS dla przejść elektronowo dozwolonych i zabronionych. Przejścia bezradiacyjne w kontekście granic stosowalności przybliżenia adiabatycznego; reguły Kashy. Ciało stałe: spektralne konsekwencje symetrii translacyjnej: zachowanie kwazipędu, rozszczepienie Bethego i Davydova.
Drugi rząd rachunku zaburzeń (rozpraszanie Rayleigha i Ramana) i rzędy wyższe (wzmianka o optycznych zjawiskach nieliniowych).

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 90 h
Module ECTS credits 3 ECTS
Participation in lectures 30 h
Realization of independently performed tasks 30 h
Preparation for classes 25 h
Examination or Final test 5 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Całość oceny jest wynikiem kolokwium zaliczeniowego.

Prerequisites and additional requirements:

Zaliczony kurs matematyki i chemii (ew. fizyki) teoretycznej lub przedmiotu równoważnego; znajomość rachunku różniczkowego i całkowego oraz algebry macierzy, a także podstaw mechaniki klasycznej i kwantowej.

Recommended literature and teaching resources:

R. Shankar, Mechanika kwantowa, PWN 2006;
P.W.Atkins, Molekularna mechanika kwantowa, PWN 1974;
P.W.Atkins, R. Friedman, Molecular Quantum Mechanics, Fourth Edition, Oxford University Press, New York 2005;
Bieżące publikacje specjalistyczne dotyczące indywidualnego kontekstu badawczego doktoranta.

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

1. A. Stradomska, P. Petelenz, Intermediate Vibronic Coupling in Sexithiophene Single Crystals, J. Chem. Phys. 130 (2009) 094705.
2. W. Kulig, P. Petelenz, Spectral shape of intense exciton absorption in oligothiophene crystals, Phys. Rev. B 79 (2009) 094305.
3. A. Eilmes, B. Pac, P. Petelenz, Temperature dependence of the spectral profile and total intensity of the second-harmonic signal of the fullerene crystal, J. Chem. Phys. 130, 074701 (2009).
4. A. Stradomska, P. Petelenz, Intermediate Vibronic Coupling in Sexithiophene Crystals. II. Three-Particle Contributions, J. Chem. Phys. 131 (2009) 044507.
5. P. Petelenz, W. Kulig, Intra-band relaxation of Frenkel excitons in sexithiophene crystals, Phys. Rev. B 80 (2009) 115127.
6. P. Petelenz, W. Kulig, Absorption profile and femtosecond intraband relaxation of the intense upper Davydov component in oligothiophenes, Phys. Status Solidi B 248 (2011) 412–415.
7. A. Stradomska, W. Kulig, M. Slawik, P. Petelenz, Intermediate vibronic coupling in charge transfer states: Comprehensive calculation of electronic excitations in sexithiophene crystal, J. Chem. Phys. 134 (2011) 224505.
9. G. Mazur, P. Petelenz, M. Slawik, Transition dipole moments of charge transfer excitations in one-component molecular crystals, Chem. Phys. 397 (2012) 92–97.
11. P. Petelenz, B. Pac, Is dipole moment a valid descriptor of excited state’s charge-transfer character?, J. Am. Chem. Soc. 135, 17379 (2013).
12. P. Petelenz, B. Pac, Lowest Singlet Exciton in Pentacene: Modern Calculations versus Classic Experiments, ChemPhysChem 15, 2801–2809 (2014).
13. P. Petelenz, E. Żak, Quasiperiodic Energy Dependence of Exciton Relaxation Kinetics in the Sexithiophene Crystal, J. Phys. Chem. A 118, 9653-9660 (2014).
14. P. Petelenz, M. Snamina, Locally Broken Crystal Symmetry Facilitates Singlet Exciton Fission, J. Phys. Chem. Lett. 7, 1913-1916 (2016).
15. P. Petelenz, Charge transfer excitons in organics, rozdział w „Organic Nanostructures: Science and Applications”, V.M.Agranovich and G.C.La Rocca, Eds., Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi”, Course CXLIX, Società Italiana di Fisica, Bologna-Italy 2002, str. 1-21.

Additional information:

OBECNOŚCI/NIEOBECNOŚCI I ICH KONSEKWENCJE

Kurs ma strukturę sekwencyjną. Z tego powodu nieobecność na jednym z wykładów bardzo utrudnia zrozumienie wykładów późniejszych, a w konsekwencji uzyskanie zaliczenia. Zalecana jest więc systematyczna frekwencja, a w przypadku nieobecności możliwie najszybsze uzupełnienie omawianego materiału we własnym zakresie w oparciu o literaturę, informację od współuczestników zajęć oraz konsultacje z wykładowcą. Słuchacze zachęcani są również do dyskusji w formie dodatkowych konsultacji z wykładowcą w odniesieniu do zagadnień trudniejszych lub szczególnie dla nich interesujących.