Spins, moments and radii of cd isotopes

The complex nature of the nucleon-nucleon interaction and the wide range of systems covered by the roughly 3000 known nuclides leads to a multitude of effects observed in nuclear structure. Among the most prominent ones is the occurence of shell closures at so-called ”magic numbers”, which are explained by the nuclear shell model. Although the shell model already is on duty for several decades, it is still constantly extended and improved. For this process of extension, fine adjustment and verification, it is important to have experimental data of nuclear properties, especially at crucial points like in the vicinity of shell closures. This is the motivation for the work performed in this thesis: the measurement and analysis of nuclear ground state properties of the isotopic chain of 100−130Cd by collinear laser spectroscopy.rnrnThe experiment was conducted at ISOLDE/CERN using the collinear laser spectroscopy apparatus COLLAPS. This experiment is the continuation of a run on neutral atomic cadmium from A = 106 to A = 126 and extends the measured isotopes to even more exotic species. The required gain in sensitivity is mainly achieved by using a radiofrequency cooler and buncher for background reduction and by using the strong 5s 2S1/2 → 5p 2P3/2 transition in singly ionized Cd. The latter requires a continuous wave laser system with a wavelength of 214.6 nm, which has been developed during this thesis. Fourth harmonic generation of an infrared titanium sapphire laser is achieved by two subsequent cavity-enhanced second harmonic generations, leading to the production of deep-UV laser light up to about 100 mW.rnrnThe acquired data of the Z = 48 Cd isotopes, having one proton pair less than the Z = 50 shell closure at tin, covers the isotopes from N = 52 up to N = 82 and therefore almost the complete region between the neutron shell closures N = 50 and N = 82. The isotope shifts and the hyperfine structures of these isotopes have been recorded and the magnetic dipole moments, the electric quadrupole moments, spins and changes in mean square charge radii are extracted. The obtained data reveal among other features an extremely linear behaviour of the quadrupole moments of the I = 11/2− isomeric states and a parabolic development in differences in mean square nuclear charge radii between ground and isomeric state. The development of charge radii between the shell closures is smooth, exposes a regular odd-even staggering and can be described and interpreted in the model of Zamick and Thalmi.

Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen.

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Excited-state dynamics in donor-acceptor systems for energy conversion

In dieser Arbeit werden die Dynamiken angeregter Zustände in Donor-Akzeptorsystemen für Energieumwandlungsprozesse mit ultraschneller zeitaufgelöster optischer Spektroskopie behandelt. Der Hauptteil dieser Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung der Photophysik organischer Solarzellen, deren aktive Schichten aus diketopyrrolopyrrole (DPP) basierten Polymeren mit kleiner Bandlücke als Elektronendonatoren und Fullerenen als Elektronenakzeptoren bestehen. rnEin zweiter Teil widmet sich der Erforschung von künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren, basierend auf Porphyrinen, Quinonen und Ferrocenen, die jeweils als Lichtsammeleinheit, Elektronenakzeptor beziehungsweise als Elektronendonatoren eingesetzt werden, um langlebige ladungsgetrennte Zustände zu erzeugen.rnrnZeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie und transiente Absorptionsspektroskopie haben gezeigt, dass Singulettexzitonenlebenszeiten in den Polymeren PTDPP-TT und PFDPP-TT Polymeren kurz sind (< 20 ps) und dass in Mischungen der Polymere mit PC71BM geminale Rekombination von gebundenen Ladungstransferzuständen ein Hauptverlustkanal ist. Zudem wurde in beiden Systemen schnelle nichtgeminale Rekombination freier Ladungen zu Triplettzuständen auf dem Polymer beobachtet. Für das Donor-Akzeptor System PDPP5T:PC71BM wurde nachgewiesen, dass die Zugabe eines Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt, und zwar ortho-Dichlorbenzol, die Morphologie der aktiven Schicht stark beeinflusst und die Solarzelleneffizienz verbessert. Der Grund hierfür ist, dass die Donator- und Akzeptormaterialien besser durchmischt sind und sich Perkolationswege zu den Elektroden ausgebildet haben, was zu einer verbesserten Ladungsträgergeneration und Extraktion führt. Schnelle Bildung des Triplettzustands wurde in beiden PDPP5T:PC71BM Systemen beobachtet, da der Triplettzustand des Polymers über Laungstransferzustände mit Triplettcharakter populiert werden kann. "Multivariate curve resolution" (MCR) Analyse hat eine starke Intensitätsabhängigkeit gezeigt, was auf nichtgeminale Ladungsträgerrekombination in den Triplettzustand hinweist.rnrnIn den künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren hat transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt, dass photoinduzierter Ladungstransfer in Quinon-Porphyrin (Q-P) und Porphyrin-Ferrocen (P-Fc) Diaden sowie in Quinon-Porphyrin-Ferrocen (Q-P-Fc) Triaden effizient ist. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in den P-Fc unf Q-P-Fc Systemen die ladungsgetrennten Zustände in den Triplettzustand der jeweiligen Porphyrine rekombinieren. Der ladungsgetrennte Zustand konnte in der Q-P Diade durch Zugabe einer Lewissäure signifikant stabilisiert werden.

Vibronic Spectra of Jet-Cooled 2-Aminopurine center dot H2O Clusters Studied by UV Resonant Two-Photon Ionization Spectroscopy and Quantum Chemical Calculations

For understanding the major- and minor-groove hydration patterns of DNAs and RNAs, it is important to understand the local solvation of individual nucleobases at the molecular level. We have investigated the 2-aminopurine center dot H2O. monohydrate by two-color resonant two-photon ionization and UV/UV hole-burning spectroscopies, which reveal two isomers, denoted A and B. The electronic spectral shift delta nu of the S-1 <- S-0 transition relative to bare 9H-2-aminopurine (9H-2AP) is small for isomer A (-70 cm(-1)), while that of isomer B is much larger (delta nu = 889 cm(-1)). B3LYP geometry optimizations with the TZVP basis set predict four cluster isomers, of which three are doubly H-bonded, with H2O acting as an acceptor to a N-H or -NH2 group and as a donor to either of the pyrimidine N sites. The "sugar-edge" isomer A is calculated to be the most stable form with binding energy D-e = 56.4 kJ/mol. Isomers B and C are H-bonded between the -NH2 group and pyrimidine moieties and are 2.5 and 6.9 kJ/mol less stable, respectively. Time-dependent (TD) B3LYP/TZVP calculations predict the adiabatic energies of the lowest (1)pi pi* states of A and B in excellent agreement with the observed 0(0)(0) bands; also, the relative intensities of the A and B origin bands agree well with the calculated S-0 state relative energies. This allows unequivocal identification of the isomers. The R2PI spectra of 9H-2AP and of isomer A exhibit intense low-frequency out-of-plane overtone and combination bands, which is interpreted as a coupling of the optically excited (1)pi pi* state to the lower-lying (1)n pi* dark state. In contrast, these overtone and combination bands are much weaker for isomer B, implying that the (1)pi pi* state of B is planar and decoupled from the (1)n pi* state. These observations agree with the calculations, which predict the (1)n pi* above the (1)pi pi* state for isomer B but below the (1)pi pi* for both 9H-2AP and isomer A.

A Computational Analysis of the Collision-Induced Dissociation Mechanisms of the Dipeptide Glycine-Serine Under Mass Spectrometry

Collision-induced dissociation (CID) of peptides using tandem mass spectrometry (MS) has been used to determine the identity of peptides and other large biological molecules. Mass spectrometry (MS) is a useful tool for determining the identity of molecules based on their interaction with electromagnetic fields. If coupled with another method like infrared (IR) vibrational spectroscopy, MS can provide structural information, but in its own right, MS can only provide the mass-to-charge (m/z) ratio of the fragments produced, which may not be enough information to determine the mechanism of the collision-induced dissociation (CID) of the molecule. In this case, theoretical calculations provide a useful companion for MS data and yield clues about the energetics of the dissociation. In this study, negative ion electrospray tandem MS was used to study the CID of the deprotonated dipeptide glycine-serine (Gly-Ser). Though negative ion MS is not as popular a choice as positive ion MS, studies by Bowie et al. show that it yields unique clues about molecular structure which complement positive ion spectroscopy, such as characteristic fragmentations like the loss of formaldehyde from the serine residue.2 The increase in the collision energy in the mass spectrometer alters the flexibility of the dipeptide backbone, enabling isomerizations (reactions not resulting in a fragment loss) and dissociations to take place. The mechanism of the CID of Gly-Ser was studied using two computational methods, B3LYP/6-311+G* and M06-2X/6-311++G**. The main pathway for molecular dissociation was analyzed in 5 conformers in an attempt to verify the initial mechanism proposed by Dr. James Swan after examination of the MS data. The results suggest that the loss of formaldehyde from serine, which Bowie et al. indicates is a characteristic of the presence of serine in a protein residue, is an endothermic reaction that is made possible by the conversion of the translational energy of the ion into internal energy as the ion collides with the inert collision gas. It has also been determined that the M06-2X functional¿s improved description of medium and long-range correlation makes it more effective than the B3LYP functional at finding elusive transition states. M06-2X also more accurately predicts the energy of those transition states than does B3LYP. A second CID mechanism, which passes through intermediates with the same m/z ratio as the main pathway for molecular dissociation, but different structures, including a diketopiperazine intermediate, was also studied. This pathway for molecular dissociation was analyzed with 3 conformers and the M06-2X functional, due to its previously determined effectiveness. The results suggest that the latter pathway, which meets the same intermediate masses as the first mechanism, is lower in overall energy and therefore a more likely pathway of dissociation than the first mechanism.

Photodissociation dynamics of tert-butylnitrite following excitation to the S(1) and S(2) states. A study by velocity-map ion-imaging and 3D-REMPI spectroscopy

Excitation of tert-butylnitrite into the first and second UV absorption bands leads to efficient dissociation into the fragment radicals NO and tert-butoxy in their electronic ground states (2)Π and (2)E, respectively. Velocity distributions and angular anisotropies for the NO fragment in several hundred rotational and vibrational quantum states were obtained by velocity-map imaging and the recently developed 3D-REMPI method. Excitation into the well resolved vibronic progression bands (k = 0, 1, 2) of the NO stretch mode in the S(1) ← S(0) transition produces NO fragments mostly in the vibrational state with v = k, with smaller fractions in v = k - 1 and v = k - 2. It is concluded that dissociation occurs on the purely repulsive PES of S(1) without barrier. All velocity distributions from photolysis via the S(1)(nπ*) state are monomodal and show high negative anisotropy (β ≈ -1). The rotational distributions peak near j = 30.5 irrespective of the vibronic state S(1)(k) excited and the vibrational state v of the NO fragment. On average 46% of the excess energy is converted to kinetic energy, 23% and 31% remain as internal energy in the NO fragment and the t-BuO radical, respectively. Photolysis via excitation into the S(2) ← S(0) transition at 227 nm yields NO fragments with about equal populations in v = 0 and v = 1. The rotational distributions have a single maximum near j = 59.5. The velocity distributions are monomodal with positive anisotropy β ≈ 0.8. The average fractions of the excess energy distributed into translation, internal energy of NO, and internal energy of t-BuO are 39%, 23%, and 38%, respectively. In all cases ∼8500 cm(-1) of energy remain in the internal degrees of freedom of the t-BuO fragment. This is mostly assigned to rotational energy. An ab initio calculation of the dynamic reaction path shows that not only the NO fragment but also the t-BuO fragment gain large angular momentum during dissociation on the purely repulsive potential energy surface of S(2).

Assessing the Relevance of Anomie Theory for Explaining Spatial Variation in Lethal Criminal Violence: An Aggregate-Level Analysis of Homicide within the United States

One of the most influential statements in the anomie theory tradition has been Merton’s argument that the volume of instrumental property crime should be higher where there is a greater imbalance between the degree of commitment to monetary success goals and the degree of commitment to legitimate means of pursing such goals. Contemporary anomie theories stimulated by Merton’s perspective, most notably Messner and Rosenfeld’s institutional anomie theory, have expanded the scope conditions by emphasizing lethal criminal violence as an outcome to which anomie theory is highly relevant, and virtually all contemporary empirical studies have focused on applying the perspective to explaining spatial variation in homicide rates. In the present paper, we argue that current explications of Merton’s theory and IAT have not adequately conveyed the relevance of the core features of the anomie perspective to lethal violence. We propose an expanded anomie model in which an unbalanced pecuniary value system – the core causal variable in Merton’s theory and IAT – translates into higher levels of homicide primarily in indirect ways by increasing levels of firearm prevalence, drug market activity, and property crime, and by enhancing the degree to which these factors stimulate lethal outcomes. Using aggregate-level data collected during the mid-to-late 1970s for a sample of relatively large social aggregates within the U.S., we find a significant effect on homicide rates of an interaction term reflecting high levels of commitment to monetary success goals and low levels of commitment to legitimate means. Virtually all of this effect is accounted for by higher levels of property crime and drug market activity that occur in areas with an unbalanced pecuniary value system. Our analysis also reveals that property crime is more apt to lead to homicide under conditions of high levels of structural disadvantage. These and other findings underscore the potential value of elaborating the anomie perspective to explicitly account for lethal violence.

50th anniversary of the Judd–Ofelt theory: An experimentalist's view of the formalism and its application

The theory on the intensities of 4f-4f transitions introduced by B.R. Judd and G.S. Ofelt in 1962 has become a center piece in rare-earth optical spectroscopy over the past five decades. Many fundamental studies have since explored the physical origins of the Judd–Ofelt theory and have proposed numerous extensions to the original model. A great number of studies have applied the Judd–Ofelt theory to a wide range of rare-earth doped materials, many of them with important applications in solid-state lasers, optical amplifiers, phosphors for displays and solid state lighting, upconversion and quantum-cutting materials, and fluorescent markers. This paper takes the view of the experimentalist who is interested in appreciating the basic concepts, implications, assumptions, and limitations of the Judd–Ofelt theory in order to properly apply it to practical problems. We first present the formalism for calculating the wavefunctions of 4f electronic states in a concise form and then show their application to the calculation and fitting of 4f-4f transition intensities. The potential, limitations and pitfalls of the theory are discussed, and a detailed case study of LaCl3:Er3+ is presented.

Bildungsexpansion und Bildungsbeteiligung. Oder: warum immer mehr Schulpflichtige das Gymnasium besuchen

Die vorliegende Untersuchung ist ein Beitrag, die Frage zu klären, warum in der westdeutschen Nachkriegszeit immer mehr Schulpflichtige nach Abschluss der Grundschule das Gymnasium besuchen. Ausgehend von einem entscheidungstheoretischen Modell der subjektiven Werterwartung werden Mechanismen der elterlichen Bildungsentscheidung aufgezeigt. Dabei wird davon ausgegangen, dass sowohl zunehmende Bildungsmotivationen als auch Veränderungen in der subjektiven Bewertung von Kosten und Nutzen für eine höhere Bildung wichtige Voraussetzungen für die zunehmende Bildungsbeteiligung, aber auch Folgen der Bildungsexpansion waren. Die empirischen Analysen für drei Zeitpunkte in den 60er, 70er und 80er Jahren bestätigen diese Annahmen weitgehend. Ebenso wurde empirisch belegt, welch wichtige Rolle neben den Bildungsintentionen von Eltern und dem vorhergehenden Bildungsverlauf ihrer Kinder auch strukturelle Momente der Bildungsexpansion und ihre Eigendynamik beim tatsächlichen Bildungsübergang spielen. Schließlich gibt es Hinweise dafür, dass die Persistenz klassenspezifischer Bildungsungleichheiten auf einer konstanten Balance von Nutzen und Kosten zwischen den sozialen Klassen basiert.

First order thermal phase transition with 126 GeV Higgs mass

We study the strength of the electroweak phase transition in models with two light Higgs doublets and a light SU(3)c triplet by means of lattice simulations in a dimensionally reduced effective theory. In the parameter region considered the transition on the lattice is significantly stronger than indicated by a 2-loop perturbative analysis. Within some ultraviolet uncertainties, the finding applies to MSSM with a Higgs mass mh ≈ 126 GeV and shows that the parameter region useful for electroweak baryogenesis is enlarged. In particular (even though only dedicated analyses can quantify the issue), the tension between LHC constraints after the 7 TeV and 8 TeV runs and frameworks where the electroweak phase transition is driven by light stops, seems to be relaxed.