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Grundlagen der Moleküldynamik

Grundlagen der Moleküldynamik

Zwischenmolekulare Dynamik kann im Rahmen der Quantenmechanik durch die Bewegung von Kern-Wellenpaketen auf den zugehörigen elektronischen Potentialflächen beschrieben werden. Möchte man z.B. die Säure-Base-Reaktion zwischen Salzsäure und Fluor betrachten, so rechnet man zunächst die elektronsiche 2D-Potentialfläche aus, die von den Abständen zwischen Chlor & Wasserstoff und Fluor & Wasserstoff abhängt. Setzt man anschließend ein Wellenpaket, welches die Dynamik der Atomkerne beschreibt, auf diese Potentialfläche, so bewegt sich dieses, abhängig von den Startbedingungen, in Richtung bestimmter neuer Kernabstände. Je nachdem, ob sich am Ende der zeitlichen Dynamik das Wellenpaket auf dem Potential am Ort kleiner Abstände zwischen Cl & H oder F & H befindet, hat ein Übergang des Wasserstoffatoms von Chlor zu Fluor (Säure-Base-Reaktion) stattgefunden oder nicht.

Im folgenden Video ist die Dynamik eines solchen Wellenpakets (blau schattiert) auf der Potentialfläche (violett schattiert) zu sehen. Das Wellenpaket beginnt am Ort des minimalen Abstandes zwischen H & Cl und des maximalen Abstandes zwischen H & F. Im Laufe der Dynamik bewegt sich das Wellenpaket in Richtung eines kleinen Abstands zwischen H & F, während der Abstand zwischen H & Cl konstant bleibt. Am Rand des Potentials wird das Wellenpaket reflektiert und läuft in die Ausgangsposition zurück. Die Startbedingung schließen hier also eine chemische Reaktion aus.

Setzt man das HCl-Molekül zu Beginn einer kleinen Schwingung aus (zu sehen an der Bewegung des Wellenpakets entlang des H-Cl-Abstandes), so findet eine Reaktion statt und das Wellenpaket driftet in Richtung kleiner H-F-Abstände bzw. großer H-Cl-Abstände. Die anfängliche Vibration bleibt dabei erhalten, bildet sich jedoch nun auf die H-F-Abstands-Achse ab.

Webmasttoerq4uec (lars.envouwiglevyrt@uolmne.depa/l) (Stand: 21.08.2020)