Nullfeldaufspaltung von Benzol und Naphthalin im ... - ScienceUp.de
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12 2. THEORIE DER NULLFELDAUFSPALTUNG In einem N-Elektronen-System mit mehr als zwei Elektronen ist die Anzahl f(N,S) linear unabhängiger Spinfunktionen zu gegebenem S und M größer als eins und unabhängig von M [Pau 79]: Im Fall der sechs *-Elektronen des Benzols im Triplett-Zustand gilt f(6,1) = 9, für die 10 *-Elektronen des Naphthalins im Triplett-Zustand existieren f(10,1) = 90 linear unabhängige Spin-Eigenfunktionen. Zu den wichtigsten Verfahren für die Konstruktion von Spin-Eigenfunktionen molekularer Mehrelektronen-Systeme gehören die Yamanouchi-Kotani-, die Serber- und die Rumer-Methode [Pau 79]. Nach Yamanouchi-Kotani startet man mit einer Spinfunktion für ein oder zwei Elektronen und fügt die Spins der anderen Elektronen sukzessive nach den Additionsregeln für Drehimpulse hinzu, um schließlich den Gesamtspin S zu erhalten. Diese Funktionen sind orthogonal und Eigenfunktionen des S 2 -Operators für 1,2,...,N-1 und N Elektronen. Man kann die zugehörigen Quantenzahlen S i zur Charakterisierung der einzelnen Funktionen verwenden. Da S N gleich dem Gesamtspin S ist, ist diese Angabe nicht nötig. Zur Unterscheidung der insgesamt f(N,S) Spin-Eigenfunktionen wird der tiefergestellte Buchstabe „k“ verwendet: (2.4) (2.5) (2.6)
2. THEORIE DER NULLFELDAUFSPALTUNG 13 Bei der Serber-Methode werden die Spins der Elektronen paarweise zu Singulettoder Triplett-Funktionen gekoppelt. Die Spins dieser Paare werden anschließend nach und nach addiert, so daß zum Schluß der Gesamtspin S resultiert. Diese Funktionen sind ebenfalls orthogonal und können durch die Spin-Quantenzahlen s ij der einzelnen Paare bezeichnet werden: Es wurde nur der Fall für eine gerade Anzahl von Elektronen angegeben. Dabei kann s ij den Wert 0 oder 1 annehmen. S m bezeichnet den Gesamtspin der ersten m Elektronen. Die Rumer-Methode ist wohl das wichtigste Verfahren für die Quantenchemie. Die Rumer-Spin-Eigenfunktionen oder einfach Rumer-Funktionen, die vor allem in der VB-Theorie von großer Bedeutung sind, stehen mit den bekannten Kekulé-Strukturen in Verbindung. 2.2.3 Rumer-Spin-Eigenfunktionen Da die in dieser Arbeit verwendeten VB-Wellenfunktionen auf Rumer-Spin-Eigenfunktionen basieren, soll ihre Konstruktion kurz skizziert werden [Pau 79]. Man bildet sie als Produkt von Zweielektronen-Spinfunktionen (Gleichung 2.4). Bei einer ungeraden Anzahl Elektronen wird zusätzlich eine Einelektronen-Spinfunktion verwendet; dieser Fall soll hier nicht weiter behandelt werden. (N-2S)/2 Elektronenpaare werden jeweils durch eine Singulett-Funktion beschrieben. Die restlichen 2S Elektronen werden durch entsprechende Funktionen höherer Multiplizität beschrieben, um den resultierenden Spin S zu erhalten. Die Rumer-Funktionen sind nicht orthogonal. Eine Triplett-Funktion hat somit folgende Form: Eine Triplett-Funktion für N Elektronen ist also dadurch charakterisiert, daß N-2 Elektronen in Paaren zu Singuletts gekoppelt werden und die restlichen 2 Elektronen parallel angeordnet sind. Die drei Funktionen zu verschiedenen M-Werten unterscheiden sich in dem Faktor 1M, der die ungepaarten Elektronen enthält. (2.7) (2.8)
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2. THEORIE DER NULLFELDAUFSPALTUNG<br />
In einem N-Elektronen-System mit mehr als zwei Elektronen ist die Anzahl f(N,S)<br />
linear unabhängiger Spinfunktionen zu gegebenem S <strong>und</strong> M größer als eins <strong>und</strong><br />
unabhängig <strong>von</strong> M [Pau 79]:<br />
Im Fall <strong>de</strong>r sechs *-Elektronen <strong>de</strong>s <strong>Benzol</strong>s <strong>im</strong> Triplett-Zustand gilt f(6,1) = 9, für<br />
die 10 *-Elektronen <strong>de</strong>s <strong>Naphthalin</strong>s <strong>im</strong> Triplett-Zustand existieren f(10,1) = 90<br />
linear unabhängige Spin-Eigenfunktionen.<br />
Zu <strong>de</strong>n wichtigsten Verfahren für die Konstruktion <strong>von</strong> Spin-Eigenfunktionen<br />
molekularer Mehrelektronen-Systeme gehören die Yamanouchi-Kotani-, die<br />
Serber- <strong>und</strong> die Rumer-Metho<strong>de</strong> [Pau 79].<br />
Nach Yamanouchi-Kotani startet man mit einer Spinfunktion für ein o<strong>de</strong>r zwei<br />
Elektronen <strong>und</strong> fügt die Spins <strong>de</strong>r an<strong>de</strong>ren Elektronen sukzessive nach <strong>de</strong>n Additionsregeln<br />
für Dreh<strong>im</strong>pulse hinzu, um schließlich <strong>de</strong>n Gesamtspin S zu erhalten.<br />
Diese Funktionen sind orthogonal <strong>und</strong> Eigenfunktionen <strong>de</strong>s S 2 -Operators für<br />
1,2,...,N-1 <strong>und</strong> N Elektronen. Man kann die zugehörigen Quantenzahlen S i zur<br />
Charakterisierung <strong>de</strong>r einzelnen Funktionen verwen<strong>de</strong>n. Da S N gleich <strong>de</strong>m Gesamtspin<br />
S ist, ist diese Angabe nicht nötig. Zur Unterscheidung <strong>de</strong>r insgesamt f(N,S)<br />
Spin-Eigenfunktionen wird <strong>de</strong>r tiefergestellte Buchstabe „k“ verwen<strong>de</strong>t:<br />
(2.4)<br />
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