Structure and specteroscopy of polyatomic molecules

Abstract

This course, Structure and Spectroscopy of Polyatomic Molecules, provides a comprehensive introduction to the relationship between molecular structure, symmetry, and spectroscopic behavior in polyatomic systems. Designed for third-year students in Physical Chemistry, it combines theoretical foundations with computational approaches to analyze molecular properties. The course begins with Hückel and extended Hückel methods for describing electronic structure in conjugated molecules. It then develops the Hartree-Fock self-consistent field framework, including basis sets, Roothaan equations, and population analysis. A qualitative treatment of molecular orbitals is also presented through fragment orbital methods, symmetry analysis, and correlation diagrams. The course further explores electronic spectroscopy, focusing on UV-visible transitions, selection rules, and spectra of conjugated systems. Vibrational and rotational spectroscopy are then introduced through infrared and Raman analysis, with emphasis on normal modes and molecular motion. Special attention is given to the Hessian matrix as a key tool for calculating vibrational frequencies. Overall, the course offers an integrated view of molecular quantum chemistry and spectroscopy, linking theoretical models to experimentally observable phenomena.

تتناول هذه المادة، بنية وطيفية الجزيئات عديدة الذرات، العلاقة بين البنية الإلكترونية للجزيئات والتناظر وخصائصها الطيفية. وهي موجهة لطلبة السنة الثالثة كيمياء فيزيائية، وتهدف إلى تزويدهم بأسس نظرية وحسابية لفهم البنية الجزيئية وتفسير الظواهر الطيفية. يبدأ المقرر بعرض طريقتي هوكل البسيطة والموسعة لنمذجة المدارات في الأنظمة المترافقة. ثم ينتقل إلى طريقة هارتري–فوك وإجراءات المجال الذاتي المتسق، مع تقديم المجموعات القاعدية ومعادلات روثان وتحليل موليكن. كما يعرض منهجية المدارات المجزأة ودراسة التناظر ومخططات الارتباط لفهم تشكل المدارات الجزيئية. ويتناول كذلك الطيفية الإلكترونية والانتقالات في مجال الأشعة فوق البنفسجية–المرئية وقواعد الاختيار المرتبطة بها. وفي الجزء الأخير، يدرس الطيفية الاهتزازية والدورانية من خلال أطياف الأشعة تحت الحمراء ورامان، مع التركيز على الأنماط العادية ومصفوفة هيسيان لحساب الترددات الاهتزازية. وبذلك يقدم المقرر رؤية متكاملة تربط بين الكيمياء الكمية والبنية الجزيئية والخصائص الطيفية التجريبية.