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물리화학Ⅳ(양자역학)
박성훈 교수
고려대학교 대학원 화학과 석사과정
고려대학교 대학원 화학과 박사졸업
고려대학교 대학원 화학과 석사과정
고려대학교 대학원 화학과 박사졸업
고려대학교
서울시립대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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총 2개 챕터, 73강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 9장. 원자의 구조와 스펙트럼 | ||
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[1강] 수소꼴 원자의 구조 (1)
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원자의 구조와 스펙트럼
* 수소꼴 원자 구조 및 스펙트럼: 양자역학 기반 슈뢰딩거 방정식을 통한 원자 궤도함수, 에너지 상태, 전자기파 스펙트럼의 기본 원리 학습. * 다전자 원자 구조: 전자 반발력을 해결하는 궤도함수 근사법 및 자체-일관성 장(SCF)을 활용한 복잡한 원자 전자 배치 이해. * 복잡한 원자 스펙트럼 분석: 스핀-궤도 결합, 항 기호, 선택 규칙을 이용한 스펙트럼 미세 구조 해석 및 천체 분광학 응용. |
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[2강] 수소꼴 원자의 구조 (2)
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수소꼴 원자의 전자 구조와 스펙트럼 분석
• 보어 가설 및 에너지 양자화: 수소 원자 선 스펙트럼 발생 원인을 전자 준위 간 전이와 양자화된 정상 상태로 규명 • 리드버그 공식 및 리츠 조합 원리: 파수 계산 수식 체계와 모든 분광학적 선을 두 항의 차로 설명하는 물리적 구조 정립 • 분광 계열 및 전자기 영역: 주양자수 전이에 따른 계열 분류(Lyman, Balmer 등) 및 에너지 간격 변화 기반 파장 데이터 분석 |
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[3강] 수소꼴 원자의 구조 (3)
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수소꼴 원자의 변수 분리 방법
• 수소꼴 원자 슈뢰딩거 방정식: 6차원 편미분 방정식을 질량 중심 및 상대 좌표로 외부·내부 운동으로 분리하여 단순화. • 내부 운동 추가 분리: 구면 극좌표계를 활용, 회전 운동과 방사 방향 운동으로 나누어 개별 해석 가능성 확보. • 변수 분리 필요성: 복잡한 고차원 방정식을 독립적 저차원 문제로 전환, 체계적인 해석적 해 도출 과정 제공. |
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[4강] 수소꼴 원자의 구조 (4)
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수소꼴 원자 방사형 파동함수 특성 분석
• 방사형 파동함수 R(r): 수소꼴 원자의 각운동량 양자수 $l$에 따라 핵 근처($r^l$ 형태) 및 먼 거리(지수 감소) 거동 정의, $l=0$ 시 핵 근접, $l \neq 0$ 시 원심력으로 배제. • 유효 포텐셜 V_eff(r) 구성: 쿨롱 인력과 원심력 항으로 전자의 에너지 및 파동함수 형태 결정. • Two-term recursion relation: 방사형 파동함수의 핵 근처와 먼 거리 극한 거동을 연결하여 전체 해를 도출하는 전략. |
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[5강] 수소꼴 원자의 구조 (5)
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수소꼴 원자 방사형 파동함수 해법
* 수소꼴 원자 방사형 파동함수 해법: 해밀토니안 변수 분리 및 무한대/원점 거동 분석을 통해 멱급수 재귀 관계식으로 구속 상태 파동함수를 도출하는 과정. * 주양자수 n 및 방위양자수 L: 다항식의 발산 방지 조건(truncation)으로 도출되며, 원자 에너지 준위와 양자수 허용 범위 ($0 \le L \le n-1$)를 결정. * 방사형 파동함수 구조 및 정규화: Associated Laguerre Polynomial을 포함하는 $R_{nL}(\rho)$ 형태로, 확률 해석을 위한 정규화 상수 계산이 필수적. |
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[6강] 수소꼴 원자의 구조 (6)
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수소꼴 원자 방사형 파동함수 및 마디 분석
• 방사형 파동함수: 수소꼴 원자 전자의 양자 상태(N, L)를 기술하고 거리에 따른 확률밀도 분포를 정의. • 오비탈별 핵 근처 확률밀도: S 오비탈은 핵 근처에서 유한하며 N 증가 시 감소, P/D 오비탈은 핵 근처에서 0임. • 방사형 마디: Associated Laguerre Polynomials 근으로 파동함수가 0이 되는 지점이며, 마디 수는 오비탈 에너지와 연관되고 결절면과 구별됨. |
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[7강] 원자 궤도함수와 그 에너지 (1)
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원자 궤도함수와 그 에너지
* 원자 궤도함수 및 양자수: 수소꼴 원자의 전자를 기술하는 파동함수로, 주양자수, 방위양자수, 자기양자수, 스핀양자수가 에너지, 각운동량 등 물리적 특성을 양자화하여 정의. * 수소꼴 원자 에너지 및 축퇴도: 에너지는 주양자수 n과 핵전하 Z에만 의존하며, 동일 에너지 상태의 수인 축퇴도는 $n^2$으로 계산. * Bohr-양자역학 모형 비교: 수소 원자 에너지 계산은 유사하나, 전자의 궤적 허용 여부와 바닥 상태 각운동량(Bohr 1ħ, QM 0)에서 근본적 차이 존재. |
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[8강] 원자 궤도함수와 그 에너지 (2)
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원자 궤도함수와 이온화 에너지의 측정 및 계산
• 이온화 에너지 정의: 기체 상태 바닥 원자에서 전자 제거에 필요한 최소 에너지의 개념 및 계산 원리. • 이온화 에너지 측정: Rydberg 공식 기반 분광학 및 광전 효과를 활용한 원자 스펙트럼 분석. • 에너지 변화 요인: 원자핵 전하(Z) 및 환산 질량(Reduced Mass)을 통한 동이원소, 수소꼴 이온, 포지트로늄 에너지 예측. |
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[9강] 원자 궤도함수와 그 에너지 (3)
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원자 궤도함수와 에너지 준위 분석
* 원자 궤도함수 구조: 주양자수(n) 및 방위 양자수(l) 기반 전자 껍질과 부껍질 정의, s 궤도함수의 구형 대칭 및 마디 특징 이해. * 수소 원자 양자역학: 주양자수(n)에 의한 에너지 준위 결정 및 축퇴 현상 분석, 파동함수의 확률 밀도 및 정규화 절차 요약. * 에너지 기대값 및 비리얼 정리: 운동/퍼텐셜 에너지 평균값 계산과 비리얼 정리를 통한 평균 에너지 간의 보편적 관계 규명. |
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[10강] 원자 궤도함수와 그 에너지 (4)
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수소꼴 원자 궤도함수의 에너지와 확률 분포 분석
• 수소꼴 원자 에너지 계산: 1s, 2s 궤도함수의 평균 운동/퍼텐셜 에너지 계산과 비리얼 정리를 통한 에너지 관계 분석. • 양자수 n 효과: n 증가 시 운동/퍼텐셜 에너지 및 평균 반지름 변화 경향성 파악과 보어의 대응 상태 원리 적용. • 전자의 확률 분포 및 마디: 확률 밀도(Ψ²)로 공간 분포 시각화, 방사형 마디(n-1개)의 정의 및 위치 분석. |
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[11강] 원자 궤도함수와 그 에너지 (5)
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원자 궤도함수 전자의 확률 분포와 방사형 분포함수
* 원자 궤도함수 확률 밀도($\Psi^2$): 특정 지점의 전자 발견 확률, 방사형 분포함수(RDF): 구형 껍질 내 실제 전자 발견 확률 계산 * 방사형 분포함수(RDF): $P(r) = r^2 R(r)^2$로 정의되며, 1s/2s 오비탈 개형 및 ns 오비탈의 (n-1)개 방사형 마디를 통해 전자 분포 분석 * 핵 전하(Z) 영향: Z 증가 시 최대 확률 반지름 $r^* = a_0/Z$ 감소, 오비탈 수축 및 에너지 변화 원리 이해 |
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[12강] 원자 궤도함수와 그 에너지 (6)
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원자 궤도함수의 양자수, 마디 및 방사형 분포
• 원자 궤도함수 개념: 주양자수 n, 방위 양자수 l, 자기 양자수 ml로 에너지와 공간 특성을 정의하며, 각도(l) 및 방사 방향(n-l-1) 마디로 전자 분포를 형성. • 방사형 분포함수 (RDF): 전자의 최대 발견 확률 반지름 및 원자핵으로부터의 평균 거리를 양자수 n, l, Z에 따라 분석. • 퇴화된 파동함수 선형 결합: 동일 에너지 궤도함수의 직교성을 확보하여 실제 공간적 궤도함수 형태로 구현. |
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[13강] 분광학적 전이와 선택 규칙
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분광학적 전이와 선택 규칙의 이해
* 수소 원자 스펙트럼 분석: 에너지 준위와 광자의 각운동량 보존 원리를 통한 분광학적 전이 메커니즘 이해. * 분광학적 선택 규칙: $\Delta l = \pm 1, \Delta m_l = 0, \pm 1$을 기준으로 허용/금지 전이를 판별하는 핵심 원리. * 전이 쌍극자 모멘트: 양자역학적 전이 가능성을 결정하고, 선택 규칙을 증명하는 핵심 연산자. |
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[14강] 궤도함수 근사법(OA) (1)
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다전자 원자 구조: 슈뢰딩거 방정식 및 양자 근사법
• 다전자 원자 슈뢰딩거 방정식: 전자-전자 상호작용으로 복잡하며, Born-Oppenheimer 근사로 핵-전자 분리 및 해밀토니안 간소화. • Hartree-Fock 방법: 궤도함수 근사 및 평균장 가정을 적용하여 다전자 시스템의 궤도함수와 에너지를 계산. • 전자 스핀: Stern-Gerlach 실험으로 입증된 전자의 고유한 양자적 특성이며, 스핀 연산자와 고유 함수로 그 상태를 기술. |
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[15강] 궤도함수 근사법(OA) (2)
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궤도함수 근사법: 파울리 배타 원리 및 슬레이터 행렬식
• 궤도함수 근사법: 다전자계 전자의 불구분성과 파동함수 대칭성, 페르미온 및 보존 분류 원리. • 파울리 배타 원리: 페르미온인 전자의 반대칭 파동함수 조건을 통한 궤도함수 내 스핀 쌍 형성 설명. • 슬레이터 행렬식: 전자의 불구분성과 파울리 배타 원리를 만족하는 반대칭 파동함수 체계적 구성 방법. |
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[16강] 수학적 배경: 행렬식
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行列式과 Pauli 배타 원리
• 행렬식 개념: n차 행렬식 정의, cofactor 계산, 5가지 주요 성질을 기반으로 선형 방정식 및 양자화학 시스템 분석에 활용. • Pauli 배타 원리: 페르미 입자의 파동함수 반대칭성과 Slater 행렬식을 통해 동일 양자 상태 점유 불가 원리 설명. • Pauli 반발: 물리적 힘이 아닌 페르미 입자 반대칭성 조건 반영의 결과로, 물질 안정성 및 전자현미경 한계를 유발. |
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[17강] 보충지식: 변분법 (1)
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근사법의 필요성과 변분법 원리
• 다전자 원자: 복잡한 양자역학 시스템 해를 위한 근사법의 필요성을 정의 • 변분법 원리: 임의의 시행 파동함수로 계산된 에너지가 실제 바닥상태 에너지보다 항상 크거나 같다는 핵심 개념 설명 • 변분 파라미터 최적화: 바닥상태 에너지의 상한값 결정 및 변분 원리의 수학적 증명 과정 제시 |
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[18강] 보충지식: 변분법 (2)
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양자화학 변분법을 이용한 바닥상태 에너지 계산
• 변분법: 양자역학적 바닥상태 에너지 근사 예측을 위해 시도함수와 변분 파라미터를 설정, 에너지 기대값을 최소화하는 방법론. • 시도함수 및 변분 원리: 에너지 기대값의 정확도를 결정하며, 변분 원리에 따라 실제 바닥상태 에너지보다 항상 같거나 높은 값을 도출. • 유효 핵전하 및 가리움 효과: 다전자 원자 변분법 적용 시 전자의 핵 가리움 현상을 반영하는 물리적 개념. |
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[19강] 보충지식: 변분법 (3)
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변분법을 이용한 상자 속 입자 에너지 및 파동함수 근사
• 변분법 적용: 상자 속 입자 바닥상태 에너지 근사를 위해 시도함수의 선형 결합을 활용하는 원리. • 행렬 요소 및 영년 방정식: 선형 결합 시도함수의 기대치 최적화를 위한 행렬 요소 정의와 영년 방정식 해결 절차. • 최적화된 파동함수: 영년 방정식으로 바닥상태 에너지 근사치를 결정하고, 정규화 조건으로 최적 시도함수의 계수 도출. |
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[20강] 보충지식: 변분법 (4)
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변분법: 선형 결합 시도함수를 이용한 중력 우물 안 입자 문제
* 변분법: 선형 결합 시도 함수를 이용해 영년 행렬식으로 양자역학적 바닥 상태 에너지를 근사 결정하는 방법론 * 중력 우물 안 입자 문제 적용: 변분 원리에 기반하여 에너지 및 파동함수를 예측하고 실제 에너지의 상한 제공 * 계산화학 핵심 기법: 섭동법과 함께 복잡한 양자 계의 해를 탐색하는 데 활용되는 근사 계산법 |
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[21강] 보충지식: 섭동법 (1)
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섭동법 이해 및 응용
• 섭동법: 해석적 해가 어려운 문제의 근사 해를 얻기 위해 해밀토니안을 비섭동 시스템과 섭동항으로 분리하고 테일러 급수로 전개하는 이론. • 람다 파라미터 및 섭동론 유형: 섭동항의 크기를 조절하며, 해밀토니안 시간에 따라 시간-무관 또는 시간-의존 섭동론으로 시스템에 적용. • 섭동법 응용: 양자역학 및 고전역학에서 원자/분자 구조, 스펙트럼 해석 등 복잡한 계의 상태 변화를 분석하는 핵심 도구. |
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[22강] 보충지식: 섭동법 (2)
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섭동법: 시간-무관 비축퇴 섭동법의 원리 및 적용
• 시간-무관 섭동법: 비축퇴 양자 시스템의 해밀토니안을 비섭동 항과 작은 섭동 항으로 분리하여 에너지·파동함수 근사 해를 찾는 방법론. • 에너지 및 파동함수 보정: 섭동 매개변수 테일러 전개를 통해 차수별 보정 항을 도출하며, 1차 에너지 보정은 $E_n^{(1)} = \langle \Psi_n^{(0)} | H_1 | \Psi_n^{(0)} \rangle$으로 계산. • 시스템 분석: 섭동으로 인한 에너지 레벨 및 고유상태의 변화를 정량적으로 예측하고 복잡한 물리적 현상을 분석하는 데 활용. |
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[23강] 보충지식: 섭동법 (3)
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헬륨 원자에 대한 섭동법 적용
• 헬륨 원자 섭동법: 시간 무관 섭동법을 활용하여 비섭동 해밀토니안과 전자 반발 항으로 에너지 보정 계산 • 1차 에너지 보정 적분: 전자 상대 좌표($r_{12}$) 적분 과정, 좌표계 고정 및 변수 변환을 통한 수학적 처리 • 섭동법/변분법 비교: 명확한 비섭동 시스템 유무에 따른 적용, 다전자 원자에서는 복잡성으로 섭동법 한계 및 변분법 선호 |
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[24강] 보충지식: 섭동법 (4)
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시간 의존 섭동법, 분광학적 전이 및 페르미 골든 룰
* 시간 의존 섭동법: 전자기 복사선-분자 상호작용을 통한 분광학적 전이 현상 및 선택 규칙 설명 원리. * 전이 쌍극자 모멘트 및 보어 진동수 조건: 상태 간 전이 가능성(선택 규칙)을 결정하고, 흡수 확률 최대화 조건을 정의. * 페르미 골든 룰: 실제 분광학 스펙트럼의 선폭과 흡수 계수를 진동수 밴드 관점에서 해석하는 핵심 원리. |
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[25강] 자체-일관성 장 궤도함수 (1)
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자체-일관성 장 궤도함수(SCF) 및 Hartree-Fock 이론
* Hartree-Fock 이론: 다전자 원자의 슈뢰딩거 방정식을 근사적으로 풀기 위한 방법으로, Born-Oppenheimer 및 Hartree 근사를 기반. * Slater determinant 및 유효장: 파울리 배타 원리 반영과 다전자 시스템을 1전자 모형으로 단순화하는 핵심 개념. * SCF 계산 과정: 유효장과 파동함수를 반복적으로 자체-일관성 결정하며, 기저함수 선택이 계산 정확도와 효율성에 직접적 영향. |
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[26강] 자체-일관성 장 궤도함수 (2)
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Hartree-Fock 궤도함수 에너지, 침투 및 가리움, 유효 핵전하
• Hartree-Fock 궤도함수: 유효 핵전하($Z_{eff}$)에 의해 결정되는 다전자 원자 전자의 에너지 순서와 크기를 주양자수 및 부양자수 관점에서 분석. • 침투 및 가리움 현상: 다전자 원자 내 전자-핵 인력 변화 요인으로, 오비탈 간 유효 핵전하 차이를 발생시켜 s 오비탈의 안정성을 설명. • 유효 핵전하($Z_{eff}$) 계산 및 주기성: Slater 규칙으로 가리움 상수($S$)를 산출, 원자의 이온화 경향, 원자 반지름 등 주기적 성질 예측 및 설명. |
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[27강] 자체-일관성 장 궤도함수 (3)
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전자 배치와 축조 원리
* 축조 원리: 하트리-포크, 파울리 배타 원리, 훈트 규칙을 통한 다전자 원자의 안정된 전자 배치 원칙. * 전자 배치와 주기율표: 핵심부/최외각 전자 구분을 통한 원소의 화학적 성질 및 주기율표 블록 구조 설명. * 원소 자기적 성질: 홀전자 유무에 따른 반자성/상자성 예측 및 분류 원리. |
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[28강] 자체-일관성 장 궤도함수 (4)
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자체-일관성 장 궤도함수와 축조원리: 전이금속 이온 전자 배치 및 반지름
* 전이금속 축조원리: 3d/4s 오비탈 에너지, 전자-전자 반발 균형으로 전자 배치 결정 및 Cr, Cu 등 예외적 안정화 원리 분석 * 이온 전자 배치: 유효 핵전하와 옥텟 규칙 기반 양이온(p>s>d 제거) 및 음이온(빈 오비탈 추가)의 전자 구성 원칙 * 이온 반지름 변화: 양이온은 주양자수 감소 및 유효 핵전하 증가로 축소, 음이온은 전자-전자 반발 및 유효 핵전하 감소로 확장 |
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[29강] 자체-일관성 장 궤도함수 (5)
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자체-일관성 장 궤도함수, 이온화 에너지, 전자 친화도
• 이온화 에너지(IE): 기체 원자에서 전자 제거 에너지로, 주기적 경향성 및 서브쉘/껍질 구조에 따른 예외와 변화를 분석. • 전자 친화도(EA): 기체 원자가 전자 수용 시 에너지 변화로, 핵전하와 전자 반발에 의한 주기적 경향성 및 예외를 설명. • 원자 화학적 성질: 자체-일관성 장 궤도함수(SCF), 유효 핵전하, 전자 껍질 개념을 통해 IE와 EA로 원자의 안정성 및 반응성을 예측. |
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[30강] X-ray Photoelectron Spectroscopy (1)
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X선 광전자 분광법 (XPS)의 이해
• X선 광전자 분광법 (XPS) 원리: 광전 효과 기반으로 다전자 원자의 궤도함수 에너지 준위 측정. • 껍질 모델·단계적 이온화 에너지: Koopmans' 근사, 이완 효과로 이온화 에너지와 에너지 준위 관계 분석. • 핵심부 전자·원자가 전자 경계: 전이금속 부껍질 특성 및 전자 배치를 이해하는 핵심 지표 제공. |
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[31강] X-ray Photoelectron Spectroscopy (2)
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X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)의 원리 및 활용
• XPS 원리: X-선을 이용한 고체 시료 표면 분석 기술로, 광전자 에너지 측정으로 원소 구성 및 화학적 상태 분석. • XPS 분석 요건: 초고진공 환경 및 X-ray 입사 각도 조절을 통해 코어 전자 에너지 준위, 정량 조성, 깊이별 분포 정보 획득. • XPS 스펙트럼 해석: 이온화/운동 에너지 관계 및 스펙트럼 위치, 세기, 선폭 분석으로 물질 특성 및 원자 구조 규명. |
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[32강] 천체 물리학에 미친 영향: 별의 분광학 (1)
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천체 물리학과 별의 분광학
* **별의 정의 및 진화**: 항성(별)은 핵융합으로 빛을 방출하며, 질량에 따라 주계열성, 백색 왜성, 초신성 등으로 진화하는 과정을 헤르츠스프룽-러셀 도표로 분류·예측. * **원자 분광학**: 별빛 스펙트럼에서 각 원소의 고유한 '원자 바코드' 분석을 통해 별의 화학적 조성, 나이 및 진화 상태를 파악. * **별의 관측 원리**: 항성과 행성의 근본적 차이와 태양의 핵융합 과정을 이해하며, 지구 대기 영향 극복을 위한 우주 망원경의 기능 분석. |
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[33강] 천체 물리학에 미친 영향: 별의 분광학 (2)
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천체 물리학, 별의 분광학 및 도플러 효과 응용
* **천체 분광학 기초**: 태양 스펙트럼의 프라운호퍼 흡수선 분석을 통해 빛-물질 상호작용 및 항성 구성 원리 이해. * **도플러 효과 및 우주 팽창**: 적색편이 현상으로 우주 팽창론을 설명하고, 별의 방사 방향 속도 계산 방법론 제시. * **별의 물리량 측정**: 온도에 따른 수소 스펙트럼 변화와 동위 원소 분포 분석을 통해 별 내부 핵 반응 파악. |
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[34강] 복잡한 원자의 스펙트럼
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원자 분광법의 종류, 원리 및 온도 영향
• 원자 분광법: 기체 시료의 금속 원자 성분 분석을 위한 흡수, 방출, 형광 분광 기술 • 온도 영향: 시료의 원자화 및 에너지 상태 분포를 결정하며, 특히 원자 방출 스펙트럼 세기에 지수적으로 민감 • 스펙트럼 분석: 위치로 원자 정성 분석, 세기로 농도 정량 분석(Beer의 법칙), 선폭으로 분해능 평가하며 광원 선폭 제어 필수 |
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[35강] 스펙트럼 선폭. 양자결함과 이온화 극한
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스펙트럼 선폭 및 원자 분광학의 기본 원리
• 스펙트럼 선폭: 수명 퍼짐, 도플러 퍼짐, 압력 퍼짐 등 양자역학적 및 외부 요인에 따른 선폭 확장 원리 분석. • 수명 퍼짐: 하이젠베르크 불확정성 원리에 따른 에너지 불확정성; 도플러 퍼짐: 도플러 효과와 온도에 의한 선폭 변화. • 원자 분광학: 그로트리안 다이어그램, 텀 심볼, 선택 규칙을 활용한 에너지 준위 및 전자 전이 해석. |
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[36강] 다전자 원자의 양자상태, 단일항 상태와 삼중항 상태
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다전자 원자의 양자상태, 단일항 및 삼중항 상태
* 다전자 원자 양자수: 전자의 불구분성, 스핀, 스핀-궤도 상호작용을 고려하여 텀, 레벨, 스테이트 개념으로 에너지 준위 분석. * 단일항 및 삼중항 상태: 파울리 원리에 따른 스핀 및 공간 파동함수 대칭성 조합 결과이며, 훈트 규칙에 따라 삼중항이 더 낮은 에너지 가짐. * He 원자 스펙트럼: 변분법으로 쿨롱 적분(J), 교환 적분(K)을 통해 에너지 차이 설명 및 선택 규칙에 의한 단일항-삼중항 전이 금지 원리 이해. |
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[37강] 스핀-궤도 결합
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스핀-궤도 결합과 미세 구조
• 스핀-궤도 결합: 전자의 궤도 및 스핀 자기 모멘트 상호작용으로 원자 에너지 준위 분리를 야기하는 물리 현상. • 전체 각운동량 J: 궤도 및 스핀 양자수 조합(l±s)으로 결정되며, 스핀-궤도 상호작용 에너지($E_{SO}$) 계산의 핵심 요소. • 미세 구조: 스핀-궤도 결합의 결과로 나타나는 원자 스펙트럼의 에너지 분리 현상, 핵 전하(Z) 증가에 비례하여 그 세기 증대. |
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[38강] 항 기호와 선택 규칙 (1)
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다전자 원자의 항 기호와 선택 규칙 개요
* **항 기호**: 다전자 원자의 전자 상태를 기술하는 $^ {2S+1} L_J$ 형태로, **토탈 궤도 각운동량 L**, **토탈 스핀 각운동량 S**, **토탈 각운동량 J**를 포함. * **L과 S 결정**: 개별 전자의 각운동량을 **클렙시-고든 시리즈**로 합산하며, **스핀 다중도 (2S+1)**를 정의하고 닫힌 껍질은 L=0, S=0 특성 가짐. * **J 결정**: 가벼운 원자는 L과 S를 먼저 결합하는 **LS 커플링**, 무거운 원자는 각 전자별 $l,s$를 먼저 결합하는 **jj 커플링**으로 J를 결정. |
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[39강] 항 기호와 선택 규칙 (2)
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항 기호와 선택 규칙
• 다전자 원자 각운동량: LS 결합 및 JJ 결합을 통해 총 각운동량(J)을 계산하고 원자 양자 상태를 결정. • LS 결합 및 JJ 결합: LS는 가벼운 원자에서 총 L, S를 먼저 합성, JJ는 무거운 원자에서 개별 j를 먼저 합성하여 총 각운동량을 계산. • 항 기호: $^{2S+1}L_J$ 형식으로 다전자 원자의 각운동량 상태를 표현하며, 스핀 다중도 등 양자수 해석에 활용. |
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[40강] 항 기호와 선택 규칙 (3)
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항 기호와 선택 규칙: 전체 각운동량 계산
* 항 기호 개념: 원자 전자 상태를 `2S+1 L J` 형태로 표기, L(궤도), S(스핀), J(전체) 각운동량을 구조화. * 마이크로스테이트 분석: 전자 배치에 따른 모든 가능한 상태를 ML-MS 분포 테이블로 정리하여 L 및 S 값 도출. * LS 커플링: 도출된 L과 S 값으로부터 J(전체 각운동량)를 계산하여 최종 항 기호 (`2S+1 L J`)를 완성하는 절차. |
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[41강] 항 기호와 선택 규칙 (4)
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항 기호, Hund 규칙 및 각운동량 커플링
* 항 기호: 원자 상태를 $L^{2S+1}_J$로 표현하며, LS/JJ 커플링은 스핀-궤도 상호작용 강도에 따라 L,S 또는 l,s 결합 순서로 전체 각운동량 J를 결정. * Hund 규칙: LS 커플링으로 얻은 항 기호 중 스핀 다중도, 궤도 각운동량, J 값 순서로 가장 안정한 에너지 상태를 예측하는 원리. * J 값 및 MJ 상태 수: 궤도 및 스핀 각운동량의 결합으로 결정되는 J 값을 통해, $2J+1$ 공식을 이용하여 원자의 가능한 MJ 상태 수를 계산. |
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[42강] 항 기호와 선택 규칙 (5)
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항 기호 및 선택 규칙
* 선택 규칙: 원자 전자 전이의 허용 여부를 결정하는 원리, 각운동량 보존 및 광자 스핀 특성에 기반. * 스핀 및 궤도 각운동량: 스핀 다중도 $\Delta S=0$, 궤도 각운동량 $\Delta L=0, \pm 1$ 변화가 필수 조건. * 총 각운동량 $J$: $\Delta J=0, \pm 1$ 허용, 단 $J=0 \to J=0$ 전이는 금지됨. |
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| 10장. 분자 구조 | ||
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[43강] 분자구조 (1)
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분자 구조 및 양자역학적 해석
• 분자 양자역학: 화학 결합 및 분자 구조를 Born-Oppenheimer 근사, 결합 길이·세기·각 변수로 해석. • 원자가 결합 이론(VBT): 원자 궤도함수 겹침을 통한 유기 분자 결합 설명 방식. • 분자 궤도함수 이론(MOT): LCAO-MO 기반 분자 궤도함수 구성, 다원자 분자 구조 예측에 계산화학(DFT) 활용. |
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[44강] 분자구조 (2)
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분자구조 이해: 고전적 루이스부터 양자역학적 이론까지
• **Lewis 구조 이론**: 고전적 분자구조 모델로, 전자쌍 공유와 옥텟 규칙을 통해 공유 결합의 방향성을 설명. • **Lewis 구조 한계**: 전자의 국부화 가정과 이온 결합 설명 부적합성으로 양자역학적 분자 구조 이해의 필요성 제기. • **양자역학적 분자이론**: 원자가 결합(VB)은 원자 궤도함수 겹침을, 분자 궤도함수(MO)는 분자 전체 궤도함수 개념으로 결합 구조를 양자역학적으로 해석. |
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[45강] Born-Oppenheimer 근사
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Born-Oppenheimer 근사, 분자 구조 및 결합 에너지
* Born-Oppenheimer 근사: 핵-전자 질량 차이를 활용, 분자 슈뢰딩거 방정식 분리하여 분자 에너지 및 구조 계산하는 기본 원리. * Potential Energy Curve (PEC) 및 Surface (PES): 이원자/다원자 분자 핵간 거리, 결합각 변화에 따른 에너지 곡선/곡면으로 평형 결합 길이 및 결합 에너지 예측. * 분자 오비탈 유형: H2+ 이온 해법 분석을 통해 파동함수 대칭성에 따른 시그마, 파이 결합 등 분자 결합 특성 이해. |
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[46강] Valence Bond Theory. 동원 2원자 분자
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원자가 결합 이론: H2, H2O, N2 결합 원리 및 유형
• 원자가 결합 이론: 원자 궤도 함수 겹침·전자 스핀 짝지움을 통한 공유 결합의 양자역학적 원리 설명 • 시그마($\sigma$) 및 파이($\pi$) 결합: 핵간 방향·핵간 수직 겹침으로 형성되는 다중 결합 유형 및 회전 특성 분석 • 파울리 배타 원리: 스핀 짝지움의 양자역학적 근거 제공 및 VB 이론의 다원자 분자 결합각 예측 한계 |
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[47강] 다원자 분자 (1)
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다원자 분자 혼성화 이론과 적용
• 다원자 분자 혼성화 이론: 원자가 결합 이론의 한계를 극복, 원자 궤도함수 혼합을 통해 실제 분자 구조 및 결합각을 예측하는 핵심 개념. • sp3 혼성화: 1 s 궤도와 3 p 궤도의 혼합으로 4개 동등한 sp3 혼성 궤도 형성, $\text{CH}_4$ 정사면체 및 $\text{NH}_3$ 삼각 피라미드 구조를 설명하는 핵심. • 혼성 궤도함수 특성: 직교성 및 오버랩으로 실제 분자 기하학 및 안정성 있는 강한 공유 결합을 형성하는 핵심 원리. |
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[48강] 다원자 분자 (2)
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다원자 분자 혼성화 이론 및 결합 구조 분석
• $sp^2, sp$ 혼성 오비탈 이론: $s, p$ 오비탈의 선형 결합을 통한 분자 기하 및 $\sigma, \pi$ 결합 형성 원리 분석. • 에틸렌($sp^2$) 및 아세틸렌($sp$): $120^\circ$ 평면형, $180^\circ$ 직선형 구조와 이중/삼중 결합 내 $\sigma, \pi$ 결합의 특징 설명. • 혼성 오비탈 이론의 활용 및 한계: VSEPR 이론과 연계하여 분자 구조 예측, 비공유 전자쌍 역할 설명 및 분자 궤도 함수 이론 도입 필요성 제시. |
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[49강] Molecular Orbital Theory. 수소 분자 이온 (1)
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분자 궤도 함수 이론: 배경 및 수소 분자 이온
• 원자가 결합 이론 한계: 산소 상자성 및 3중심-2전자 결합 등 미설명 현상 극복을 위한 분자 궤도 함수 이론 도입 • 분자 궤도 함수 구성: 본-오펜하이머 근사, 변분법, LCAO-MO 기법을 통한 파동 함수 생성 원리 • 수소 분자-이온 분석: 1전자 분자 모델을 통한 포텐셜 에너지 곡선, 평형 결합 길이, 해리 에너지 등 분자 결합 특성 예측 |
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[50강] 수소 분자 이온 (2)
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수소 분자 이온 LCAO-MO 이론
* LCAO-MO 원리: 수소 분자 이온(H2+)의 분자 궤도 함수를 원자 궤도 함수의 선형 결합으로 형성, 결합 및 반결합 궤도 함수 생성. * 분자 궤도 함수 대칭성 및 정규화: Gerade(g), Ungerade(u) 대칭성을 가지며, Overlap Integral (S)를 통해 겹침 정도와 정규화 상수를 정의. * 분자 궤도 함수의 특성: 확률 밀도로 전자 분포를 설명하고, 양자역학적 직교성 조건을 필수적으로 만족. |
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[51강] 수소 분자 이온 (3)
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수소 분자-이온 변분법: Secular 방정식 및 행렬식 유도
• 수소 분자-이온 변분법: 분자 궤도 함수(LCAO)에서 에너지 기대치 유도 및 최적화 절차를 포함하는 분자 에너지 계산 원리. • Secular 방정식: 변분 원리에 기반하여 변분 파라미터($c_A, c_B$)를 결정하고 최소 에너지 조건을 만족하는 연립방정식. • Secular 행렬식: Secular 방정식으로부터 동핵/이종핵 이원자 분자의 결합 에너지($E_+, E_-$) 해를 도출하는 행렬식 및 그 물리적 의미. |
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[52강] 수소 분자 이온 (4)
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수소 분자-이온 H2+ 변분법과 분자 궤도함수 에너지
• H2+ 분자 궤도함수 에너지: 변분법을 통해 분자 궤도함수(MO) 에너지 기대치를 유도. • 오버랩, 쿨롱, 공명 적분: 핵간 거리에 따른 물리적 의미와 MO 에너지 기여도 분석. • 결합성/반결합성 MO: 핵간 거리에 따른 에너지 변화를 통한 화학 결합 안정화 원리 이해. |
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[53강] 수소 분자 이온 (5)
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수소 분자-이온 (H2+) 분자 궤도함수: 결합 vs. 반결합
• 수소 분자-이온 MO 형성: 변분법과 세큘러 방정식으로 대칭/반대칭 파동함수 기반 결합/반결합 MO 생성 원리 분석. • 결합/반결합 MO 특성: 결합 MO는 핵 간 전자 밀도 증가로 안정화, 반결합 MO는 마디 형성 및 핵 간 전자 밀도 감소로 불안정화. • 분자 궤도함수 에너지 및 안정도: 오버랩 적분($S_{AB}$)으로 인한 비대칭적 에너지 변화와 결합 차수를 통한 분자 안정도 예측. |
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[54강] 등핵 2원자 분자 (1)
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등핵 2원자 분자 분자 궤도 함수 전자배치 및 형성 기준
• 분자 궤도함수(MO) 형성: 원자 궤도함수(AO)의 선형 결합(LCAO-MO) 기반으로, AO의 대칭성 일치 및 에너지 유사성을 핵심 기준으로 함. • MO 전자배치 규칙: 결합하는 AO의 총 전자 수를 보존하며 낮은 에너지 MO부터 파울리 배타원리 및 훈트 규칙에 따라 전자가 채워짐. • AO 겹침 적분 및 MO 진폭: 오비탈 종류와 핵 간 거리에 따라 겹침 적분이 결정되며, 이는 본딩/반결합 MO의 안정성, 전자 밀도 및 노드 형성에 직접 영향을 줌. |
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[55강] 등핵 2원자 분자 (2)
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등핵 2원자 분자 분자 궤도 함수 및 에너지 준위
• 등핵 2원자 분자 MO: 원자 오비탈 선형 결합으로 시그마($\sigma$) 및 파이($\pi$) 분자 궤도를 형성하며, 결합 차수로 분자 안정성을 예측. • MO 에너지 순서: s 및 p 오비탈 겹침 유형에 따라 결정되며, 2주기 원소는 2s-2p 에너지 갭과 s-p 혼합으로 순서가 변화. • 2s-2p 에너지 갭: 유효 핵전하 변화에 따른 2s-2p 오비탈 간 에너지 갭 크기가 MO 에너지 순서 결정의 핵심 원리. |
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[56강] 등핵 2원자 분자 (3)
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등핵 2원자 분자 전자구조 및 특성
• 등핵 2원자 분자 전자구조: 분자 궤도 함수(MO) 이론 적용, 2s-2p 에너지 갭에 따른 오비탈 준위 순서 변화 이해. • MO 에너지 준위 변화: s-p 혼합 유무(N2, O2)에 따른 $\pi_{2p}$, $\sigma_{2p}$ 순서 및 전자 배치, 결합 차수 계산. • 분자 특성 예측: 결합 차수(안정성, 길이, 해리 에너지)와 자기적 성질(상자성/반자성) 관계 및 MO 대칭성 파악. |
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[57강] 이종핵 2원자 분자 (1)
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이종핵 2원자 분자의 극성 결합과 분자 궤도 함수
• 이종핵 2원자 분자 극성 결합: 전기음성도 차이로 인한 불균형 전자 분포를 분자 궤도 함수(MO) 이론으로 정량 설명 • MO 형성 및 계수 계산: 원자 궤도 함수 선형 결합으로 결합 기여도 및 전자 밀도 편향 분석, 세큘러 디터미넌트로 에너지와 계수 도출 • MO 에너지 및 비결합성 오비탈: 원자 궤도 함수 에너지 차이가 본딩/반결합 효과 결정, 대칭성 미충족 시 비결합성 오비탈 발생 |
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[58강] 이종핵 2원자 분자 (2)
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이종핵 2원자 분자의 전기음성도 및 분자 궤도함수
* 이종핵 2원자 분자 특성: 전기음성도 차이에 따른 공유 전자 분포 불균형과 분자 궤도함수(MO) 구조 분석. * 전기음성도 정의 및 척도: Pauling(결합 해리 에너지)과 Mulliken(이온화 에너지/전자 친화도) 개념 비교를 통한 결합 극성 설명. * 분자 궤도함수 및 결합 차수: MO 전자 배치 기반의 결합 차수 계산으로 분자 안정성, 결합 길이 변화 예측 및 실험적 확인. |
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[59강] 이종핵 2원자 분자 (3)
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광전자 분광법을 이용한 분자 궤도 함수 분석
• 광전자 분광법(PES): 분자 궤도 함수(MO)의 실험적 증거 제공 및 에너지 준위 분석 • XPS 및 UPS: X-선/UV 광원을 활용하여 코어/밸런스 전자의 이온화 에너지 및 MO 정보 분석 • $h\nu = I + KE$ 원리: 빛, 이온화, 광전자 운동 에너지의 정량적 관계를 정의하며, 스펙트럼의 진동 미세구조로 전자-진동 상호작용을 반영 |
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[60강] 생화학에 미친 영향
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분자 궤도 함수 기반 $O_2$, $N_2$, $NO$ 생화학 반응도
* 분자 궤도 함수 이론: $O_2$, $N_2$, $NO$의 결합 차수, 홀전자, 극성을 분석하여 각 분자의 안정성과 생화학적 반응성 규명. * 자유 라디칼 및 ROS: $O_2$, $NO$와 같은 홀전자 기반 반응성 산소종(ROS)은 세포 손상(산화적 스트레스) 및 생체 신호 전달에 관여하며, 항산화제로 조절. * 질소($N_2$) 생화학적 역할: 높은 안정성을 바탕으로 질소 고정을 통해 아미노산 및 단백질 합성에 필수적인 질소원을 공급. |
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[61강] 다원자 계에 대한 분자 궤도함수
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다원자 계 분자 궤도함수, Bent 규칙 및 Walsh 도표
• 다원자 분자 궤도함수: 핵간 거리와 결합각을 핵심 변수로 다루며, Bent 규칙은 S-character 및 전기음성도를 활용하여 혼성 궤도함수와 결합각을 예측하는 국부 결합 모델이다. • 비국부 결합 모델: MO 구성, HOMO·LUMO 개념을 활용하며, Walsh 상관 도표는 결합각 변화와 분자 대칭성의 관계를 설명하는 핵심 도구이다. • 원자가 결합 이론(VBT)과 분자 궤도함수 이론(MOT): VBT가 공유 결합에 중점을 둔다면, MOT는 이온 결합 요소를 포함하며, 다원자 분자 설명에는 두 이론의 통합적 접근이 중요하다. |
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[62강] 공액 분자: Huckel 근사 (1)
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공액 분자 및 휘켈 근사법
* 공액 분자 개념: 단순 결합 이론 한계를 극복하는 비편재화 분자 궤도 함수(Delocalized MO) 도입 및 방향족성(Aromaticity) 정의. * 휘켈 근사법: 공액계의 비편재화 π 전자 에너지 준위 계산을 위한 근사 방법이며, 오버랩·비이웃 공명 인테그랄 0 가정 등 핵심 원리 분석. * 공액계 분석: 에텐 사례 적용을 통해 π 궤도 함수 에너지 준위(α±β) 유도 및 HOMO/LUMO, π→π* 전이 에너지 계산 원리 이해. |
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[63강] 공액 분자: Huckel 근사 (2)
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공액 분자 Huckel 근사 행렬 표현 및 적용
• Huckel 근사: 공액 분자의 π-전자 분자 궤도(MO)와 에너지를 세큘러 행렬식으로 구성, 분석하는 방법. • Huckel 근사 가정: 오버랩 적분 $S_{ij}=0$, 쿨롱 적분 $H_{ii}=\alpha$, 인접 공명 적분 $H_{ij}=\beta$로 행렬식 단순화. • Huckel 근사 결과: 오버랩 적분 $S_{ij}=0$ 가정으로 본딩/반결합 MO 에너지 효과 동일하며, MO 위상 및 마디로 궤도 특성 분석. |
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[64강] 공액 분자: Huckel 근사 (3)
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공액 분자 Huckel 근사: Butadiene과 π전자 결합 에너지
• Hückel 근사법: 공액 π전자 시스템의 에너지 준위, π전자 결합·비국지화·생성 에너지 분석 원리 및 가정. • Butadiene π전자 분석: 선형 Butadiene의 에너지 준위, 전자 배치, π전자 결합·비국지화·생성 에너지 계산을 통한 공액 안정화 효과 정량화. • 분자 구조-에너지 관계: Cyclobutadiene 및 확장 Hückel 방법(EHMO)을 활용한 H3 분자 사례로 기하학적 구조가 에너지 준위와 안정성에 미치는 영향 설명. |
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[65강] 공액 분자: Huckel 근사 (4)
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Huckel 근사를 이용한 공액 수소 분자 이온 에너지 분석
• Huckel 근사: H3+ 및 수소 종의 분자 궤도 에너지, 안정성, 결합 에너지 분석 • 영년 방정식 및 Hess의 법칙: 에너지 준위($\alpha, \beta$) 도출 및 반응 엔탈피, 공명적분 $\beta$값 계산 • Huckel의 4n+2 규칙: 고리형 공액 분자의 방향족성 및 안정성 예측 원리 |
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[66강] 공액 분자: Huckel 근사 (5)
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공액 분자 Huckel 근사 및 FEMO 이론
• Huckel 이론: 공액 분자의 π-전자 시스템을 매개변수화된 에너지 적분(α, β)으로 근사하여 분자 궤도함수 및 에너지 계산. • FEMO 이론: 공액 분자를 상자 속 자유전자로 모델링하여 에너지 준위, HOMO/LUMO, 최소 들뜸 에너지 및 흡수 스펙트럼 예측. • 분자 궤도함수 분석: Huckel 이론 기반 공명 적분(β) 및 비국지화 에너지 계산, 궤도함수 계수를 통해 모양과 노드 수 분석. |
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[67강] 공액 분자: Huckel 근사 (6)
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Benzene과 Aromaticity, Huckel 근사
* 벤젠 방향족성 개념: 고리형·평면 구조, 완전 공액 및 4n+2 π 전자 수에 따른 특별한 안정성 정의. * Huckel 근사 활용: π 분자 궤도함수 에너지, 비국지화 에너지 계산 및 Frost 다이어그램으로 MO 준위 예측. * Huckel 규칙 분류: 4n+2 방향족, 4n 반방향족, 4n±1 자유 라디칼 구분을 통한 분자 안정성 판단. |
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[68강] 공액 분자: Huckel 근사 (7)
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벤젠과 방향족성: Huckel 근사 및 유형
* **방향족성 정의**: 고리형, 평면, 완전 컨주게이션 및 $(4n+2)$ π-전자 규칙을 만족하여 컨주게이션보다 큰 안정화를 보이는 현상. * **Huckel 규칙 및 유형**: $4n+2$ π-전자의 방향족, $4n$ π-전자의 반방향족, 조건 미충족 비방향족으로 분류하여 안정성 및 반응성 예측. * **π-전자 계산과 적용**: 컨주게이션에 참여하는 총 전자의 수 기준이며, 단일/다환/헤테로고리 및 전하를 띤 화합물에 적용되는 원리. |
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[69강] 공액 분자: Huckel 근사 (8)
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공액 분자 Huckel 근사: 벤젠과 방향족성
• Huckel 근사: 공액 분자의 방향족성 및 반방향족성 판단 기준인 Huckel 규칙 (4n+2 $\pi$ 전자), 평면성, 컨주게이션 기반 분자 궤도 함수 분석. • π 전자 시스템 분석: 벤젠, 나프탈렌, 안트라센 등 다양한 공액 시스템에 Huckel 근사를 적용하여 $\pi$ 전자 결합 에너지 및 MO 에너지 준위 계산. • 분자 구조와 안정성: C60의 비평면성으로 인한 비방향족성 및 펩타이드 결합의 $\pi$ 전자 비국지화에 의한 평면 구조 안정화 원리 이해. |
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[70강] 이론(계산) 화학 (1)
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이론(계산) 화학 개요 및 PES 활용
• 이론(계산) 화학: MO, DFT 등 계산 방법론을 통해 분자의 전자구조, 기하학적 구조, 반응 메커니즘 분석하는 학문이며, Potential Energy Surface (PES)는 핵심 분석 도구. • Potential Energy Surface (PES): 분자의 핵간 거리, 결합각 등 변수에 따른 포텐셜 에너지 변화를 나타내며, Hessian 행렬을 통해 기하학적 구조 및 전이 상태 특성 규명. • PES 활용: Hessian으로 진동 스펙트럼을 예측하고, 볼츠만 팩터로 열역학적 생성물을 파악하며, 활성화 에너지로 반응 속도론적 특성을 분석. |
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[71강] 이론(계산) 화학 (2)
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이론(계산) 화학: Hartree-Fock 식
* Hartree-Fock 방정식: 다전자 슈뢰딩거 방정식 복잡성 해결을 위해 Born-Oppenheimer, Hartree-Fock, SCF 근사 적용. * Fock 연산자 구성: 전자 운동, 핵 상호작용, 쿨롱 반발, 교환 상호작용을 통합한 유효 포텐셜 표현. * Roothaan 방정식: LCAO-MO 기반의 $FC=SCE$ 행렬식으로 분자 궤도 함수 및 에너지의 SCF 반복 계산 수행. |
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[72강] 이론(계산) 화학 (3)
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계산 화학 이론: 근사법, Gaussian, DFT
* 계산 화학 기본 방법론: Semi-empirical 및 Ab-initio는 Hartree-Fock 복잡성 해결을 위한 근사법으로, 전자 상관관계와 Basis Set을 고려하여 모델을 분류. * Gaussian 소프트웨어 및 GTO: John Pople의 Gaussian 소프트웨어는 GTO 도입으로 가우스 함수의 곱 특성을 활용, 계산 효율성 및 SCF 반복 속도 획기적 개선. * 밀도 범함수 이론 (DFT): 전자 밀도(ρ) 기반으로 분자 및 고체 물질의 전자 구조/에너지 계산하며, Kohn-Sham 방정식과 교환-상관성 퍼텐셜(VXC)을 핵심으로 함. |
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[73강] 분자 성질의 예측
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분자 성질 예측: 전자 구조 및 계산화학
• 전자 구조 계산: 전자밀도, 정전기적 퍼텐셜 표면을 활용하여 분자의 반응성, 극성, 쌍극자 모멘트 등 시각화 및 예측. • 분자 성질 예측: HOMO-LUMO 에너지 간격으로 분광학적 성질(흡수 파장), 표준 생성 엔탈피 계산 및 컨주게이션 길이 효과 분석. • 계산화학 발전: 근사값의 한계점 보완을 위한 알고리즘 및 컴퓨터 발전으로 실험 제약 극복, 미지 현상 예측에 핵심 역할 수행. |
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박성훈 교수님
물리화학Ⅳ(양자역학)