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Argomento

Assorbimento UV di N₂: struttura vibrazionale, identificazione della molecola e overlap di Franck-Condon

math-checked
Sorgente: Appello Ottobre 2022 (straordinario) — Struttura della Materia
aggiornato 2026-06-25

Testo (dati)

Lo spettro di assorbimento UV di una molecola diatomica omonucleare X2X_2 (atomo XX incognito) mostra quattro picchi principali:

Piccoλ\lambda (nm)
1376.0376.0
2355.9355.9
3337.9337.9
4321.6321.6

Si usi l’approssimazione armonica per i potenziali elettronici E0(R)E_0(R) (ground state gg) ed E1(R)E_1(R) (primo stato eccitato ee), supponendo uguale curvatura delle due parabole; si trascurino le rotazioni.

  1. Assumendo che a TT ambiente tutte le molecole siano nel ground state vibrazionale g,0|g,0\rangle, assegnare i quattro picchi alle transizioni g,nge,ne|g,n_g\rangle\to|e,n_e\rangle.
  2. Verificare che il quanto vibrazionale vale ν~0=1500 cm1\tilde\nu_0=1500\ \mathrm{cm}^{-1} e che l’assunzione al punto 1 è valida a T=300 KT=300\ \mathrm{K}.
  3. Da k=928.5 N/mk=928.5\ \mathrm{N/m} identificare l’atomo XX.
  4. Scrivere configurazione e termine spettroscopico del GS di X2X_2.
  5. Le intensità dei primi due picchi (376.0376.0 e 355.9355.9 nm) sono approssimativamente uguali: ricavare il displacement Δ\Delta tra i minimi di E0E_0 ed E1E_1 dagli overlap di Franck-Condon. Con dGS=1.09d_{GS}=1.09 Å, dare dESd_{ES} nello stato eccitato.
  6. Discutere IR vs Raman per misurare ν~0\tilde\nu_0; nel caso Raman con laser HeNe (λL=633\lambda_L=633 nm) dare λS\lambda_S della riga Stokes.

1) Assegnazione dei picchi

Una transizione elettronica partendo dal solo livello vibrazionale ng=0n_g=0 popolato raggiunge i livelli vibrazionali ne=0,1,2,n_e=0,1,2,\ldots dello stato eccitato: ciascun picco corrisponde a un salto g,0e,ne|g,0\rangle\to|e,n_e\rangle. Convertiamo le lunghezze d’onda in numeri d’onda con ν~=107/λnm\tilde\nu=10^7/\lambda_{\mathrm{nm}}:

Conversione $\lambda\to\tilde\nu$
ν~00=107376.0=26596,ν~01=107355.9=28098,ν~02=107337.9=29595,ν~03=107321.6=31095 cm1.\tilde\nu_{00}=\frac{10^7}{376.0}=26596,\quad \tilde\nu_{01}=\frac{10^7}{355.9}=28098,\quad \tilde\nu_{02}=\frac{10^7}{337.9}=29595,\quad \tilde\nu_{03}=\frac{10^7}{321.6}=31095\ \mathrm{cm}^{-1}.

I quattro picchi sono quindi, in ordine di energia crescente,

g,0e,0,g,0e,1,g,0e,2,g,0e,3.|g,0\rangle\to|e,0\rangle,\quad |g,0\rangle\to|e,1\rangle,\quad |g,0\rangle\to|e,2\rangle,\quad |g,0\rangle\to|e,3\rangle.

2) Quanto vibrazionale e validità dell’assunzione

Le differenze tra picchi consecutivi sono

ν~01ν~00=1502,ν~02ν~01=1497,ν~03ν~02=1500 cm1.\tilde\nu_{01}-\tilde\nu_{00}=1502,\quad \tilde\nu_{02}-\tilde\nu_{01}=1497,\quad \tilde\nu_{03}-\tilde\nu_{02}=1500\ \mathrm{cm}^{-1}.
Quanto vibrazionale dello stato eccitato
 ν~01500 cm1 \boxed{\ \tilde\nu_0\simeq 1500\ \mathrm{cm}^{-1}\ }

Le differenze sono costanti entro 5 cm1\sim 5\ \mathrm{cm}^{-1}: segno che i livelli di E1E_1 sono quelli di un oscillatore armonico (equispaziati).

Le differenze misurano $\hbar\omega$ di $E_1$, non di $E_0$

Le separazioni tra i picchi danno il quanto vibrazionale dello stato eccitato E1E_1, perché i livelli finali consecutivi differiscono di ωe\hbar\omega_e. L’ipotesi del testo (curvatura uguale) identifica poi ωe=ωg=ω0\omega_e=\omega_g=\omega_0.

Validità dell’assunzione ng=0n_g=0. Il rapporto di popolazione tra g,1|g,1\rangle e g,0|g,0\rangle a T=300 KT=300\ \mathrm{K} segue la Boltzmann:

Popolazione di $|g,1\rangle$ a 300 K

Con kBT=0.69504300=208.5 cm1k_B T=0.69504\cdot 300=208.5\ \mathrm{cm}^{-1},

P(g,1)P(g,0)=exp ⁣(ν~0kBT)=exp ⁣(1500208.5)7.51041.\frac{P(|g,1\rangle)}{P(|g,0\rangle)}=\exp\!\left(-\frac{\tilde\nu_0}{k_BT}\right) =\exp\!\left(-\frac{1500}{208.5}\right)\simeq 7.5\cdot 10^{-4}\ll 1.

Quindi solo g,0|g,0\rangle è popolato in misura apprezzabile: le transizioni di partenza da g,1|g,1\rangle (hot bands) sono invisibili e l’assegnazione del punto 1 è corretta.


3) Identificazione dell’atomo XX

Dalla relazione del oscillatore armonico k=μω02k=\mu\omega_0^2, con ω0=2πcν~0\omega_0=2\pi c\tilde\nu_0:

Massa ridotta dalla costante elastica
μ=kω02=k(2πcν~0)2,c=2.9981010 cm/s.\mu=\frac{k}{\omega_0^2}=\frac{k}{(2\pi c\tilde\nu_0)^2},\qquad c=2.998\cdot 10^{10}\ \mathrm{cm/s}.

Sostituendo k=928.5 N/mk=928.5\ \mathrm{N/m} e ν~0=1500 cm1\tilde\nu_0=1500\ \mathrm{cm}^{-1}:

μ=928.5(2π15002.9981010)2 kg=1.161026 kg=7.0 uma.\mu=\frac{928.5}{(2\pi\cdot 1500\cdot 2.998\cdot 10^{10})^2}\ \mathrm{kg} =1.16\cdot 10^{-26}\ \mathrm{kg}=7.0\ \mathrm{uma}.

Per una molecola omonucleare X2X_2 la massa ridotta è μ=mX/2\mu=m_X/2, dunque mX=2μ=14 umam_X=2\mu=14\ \mathrm{uma}.

 X=Azoto (Z=7),la molecola eˋ N2 \boxed{\ X=\text{Azoto (Z=7)},\qquad \text{la molecola è }N_2\ }
Perché basta $\mu$

La costante elastica kk e il quanto ω\hbar\omega determinano μ\mu in modo univoco: nessun altra diatomica omonucleare ha massa ridotta 7 uma7\ \mathrm{uma}. È un esempio di come la spettroscopia vibrazionale identifichi la specie: lo stesso principio del punto 4 (configurazione/termine) conferma dal lato elettronico.


4) Configurazione e termine del ground state di N2N_2

Con 14 elettroni, riempiendo gli orbitali molecolari nell’ordine di energia crescente (trattando 2σu2\sigma_u^* e 1πu1\pi_u come di consueto per la serie leggera, 1πu<3σg1\pi_u<3\sigma_g):

Configurazione del GS di $N_2$
(1σg)2(1σu)2(2σg)2(2σu)2(1πu)4(3σg)2(1\sigma_g)^2\,(1\sigma_u^*)^2\,(2\sigma_g)^2\,(2\sigma_u^*)^2\,(1\pi_u)^4\,(3\sigma_g)^2

Notazione. Gli orbitali σ\sigma hanno proiezione del momento angolare Λ=0\Lambda=0 lungo l’asse molecolare, i π\pi hanno Λ=1\Lambda=1 (doppiamente degenere, ±1\pm 1); l’indice g/ug/u (gerade/ungerade) è la parità sotto inversione del centro (ammissibile perché la molecola è omonucleare), e l’asterisco contrassegna gli orbitali antileganti. I primi due orbitali 1σg,1σu1\sigma_g,1\sigma_u^* derivano dai 1s1s (guscio di core, debolmente legante/antilegante); 2σg,2σu,1πu,3σg2\sigma_g,2\sigma_u^*,1\pi_u,3\sigma_g derivano dai 2s,2p2s,2p.

Termine. Tutti gli orbitali sono pieni → shell chiusa, come i gas nobili atomici: momento angolare totale Λ=0\Lambda=0 (tutte le proiezioni si compensano), spin totale S=0S=0, parità gg. Il termine è quindi

 1Σg+ \boxed{\ {}^1\Sigma_g^{\,+}\ }

(2S+1=1^{2S+1}=1 singoletto, Σ\Sigma per Λ=0\Lambda=0, gg di parità, ++ di riflessione rispetto a un piano contenente l’asse: entrambe le proprietà fisse per una shell chiusa).

Non confondere $\Lambda$ e $L$

Nelle molecole si usa la proiezione Λ\Lambda del momento angolare elettronico sull’asse (Σ,Π,Δ,\Sigma,\Pi,\Delta,\ldots per Λ=0,1,2,\Lambda=0,1,2,\ldots), non il LL atomico. Una shell π\pi piena (44 elettroni) contribute Λ=0\Lambda=0 come una σ\sigma piena: per questo il termine di N2N_2 è Σ\Sigma pur avendo orbitali π\pi occupati.


5) Overlap di Franck-Condon e displacement Δ\Delta

È il cuore dell’esercizio. In approssimazione di Born-Oppenheimer la funzione d’onda totale si fattorizza in parte elettronica e vibrazionale, Ψs,v(r;R)=Φs(r;R)χv(s)(R)\Psi_{s,v}(\mathbf r;R)=\Phi_s(\mathbf r;R)\,\chi_v^{\,(s)}(R). L’elemento di matrice del dipolo tra stati a conformazione elettronica diversa non è l’overlap elettronico eg\langle e|g\rangle (che è nullo per ortogonalità), ma il dipolo di transizione Deg(R)=ΦeD^ΦgD_{eg}(R)=\langle\Phi_e|\hat D|\Phi_g\rangle, in generale 0\neq 0. Esso modula l’integrale sulle coordinate nucleari:

Ψe,neD^Ψg,ng=dRχne(e)(R)Deg(R)χng(g)(R).\langle \Psi_{e,n_e}|\hat D|\Psi_{g,n_g}\rangle =\int dR\,\chi_{n_e}^{(e)\,*}(R)\,D_{eg}(R)\,\chi_{n_g}^{(g)}(R).

L’approssimazione di Franck-Condon (o di Condon) assume Deg(R)D_{eg}(R) lentamente variabile e lo valuta al RR di equilibrio, Deg(R)Deg(R0)D_{eg}(R)\approx D_{eg}(R_0), portandolo fuori dall’integrale:

Ψe,neD^Ψg,ngDeg(R0) ⁣dRχne(e)(R)χng(g)(R)  IngneDeg(R0)2neng2.\langle \Psi_{e,n_e}|\hat D|\Psi_{g,n_g}\rangle\approx D_{eg}(R_0)\!\int dR\,\chi_{n_e}^{(e)\,*}(R)\chi_{n_g}^{(g)}(R) \ \Longrightarrow\ I_{n_g n_e}\propto|D_{eg}(R_0)|^2\,\bigl|\langle n_e|n_g\rangle\bigr|^2.

Poiché il fattore elettronico Deg(R0)2|D_{eg}(R_0)|^2 è lo stesso per tutti i picchi (stessa transizione ege\leftarrow g), le intensità relative dipendono solo dall’overlap puro degli stati vibrazionali: il fattore di Franck-Condon neng2|\langle n_e|n_g\rangle|^2.

Setup armonico e variabile adimensionale $\delta$

Le autofunzioni dell’oscillatore armonico di E0E_0 sono centrate in Q=0Q=0, quelle di E1E_1 in Q=ΔQ=\Delta (stessa curvatura α=μω0/\alpha=\mu\omega_0/\hbar). Con y=αxy=\sqrt\alpha\,x e il parametro adimensionale

 δαΔ \boxed{\ \delta\equiv\sqrt\alpha\,\Delta\ }

le prime autofunzioni (normalizzate) sono

φ0(x)=(απ)1/4ey2/2,φ1(x)=(απ)1/42yey2/2.\varphi_0(x)=\Bigl(\tfrac{\alpha}{\pi}\Bigr)^{1/4} e^{-y^2/2},\qquad \varphi_1(x)=\Bigl(\tfrac{\alpha}{\pi}\Bigr)^{1/4}\sqrt 2\, y\, e^{-y^2/2}.

Lo stato eccitato traslato si ottiene con yyδy\to y-\delta (centro in y=δy=\delta).

Overlap $A_{00}$: completamento del quadrato
A00=+ ⁣dxφ0(x)φ0(xΔ)=1π+ ⁣dyey2/2e(yδ)2/2.A_{00}=\int_{-\infty}^{+\infty}\!dx\,\varphi_0(x)\,\varphi_0(x-\Delta) =\frac{1}{\sqrt\pi}\int_{-\infty}^{+\infty}\!dy\, e^{-y^2/2}\,e^{-(y-\delta)^2/2}.

All’esponente: 12[y2+(yδ)2]=(yδ/2)2+δ2/4\tfrac12[y^2+(y-\delta)^2]=(y-\delta/2)^2+\delta^2/4. Con z=yδ/2z=y-\delta/2 e ez2dz=π\int e^{-z^2}dz=\sqrt\pi:

 A00=eδ2/4,I00=A002=eδ2/2 \boxed{\ A_{00}=e^{-\delta^2/4},\qquad I_{00}=|A_{00}|^2=e^{-\delta^2/2}\ }
Overlap $A_{01}$: il fattore $\sqrt 2\,y$ rompe la simmetria
A01=dxφ0(x)φ1(xΔ)=2eδ2/4πdyye(yδ/2)2.A_{01}=\int dx\,\varphi_0(x)\,\varphi_1(x-\Delta) =\frac{\sqrt 2\,e^{-\delta^2/4}}{\sqrt\pi}\int dy\,y\,e^{-(y-\delta/2)^2}.

Scrivendo y=(yδ/2)+δ/2y=(y-\delta/2)+\delta/2: il primo integrale è nullo (dispari), resta

A01=2eδ2/4πδ2π=δ2eδ2/4   I01=A012=δ22eδ2/2 A_{01}=\frac{\sqrt 2\,e^{-\delta^2/4}}{\sqrt\pi}\cdot\frac{\delta}{2}\sqrt\pi =-\frac{\delta}{\sqrt 2}\,e^{-\delta^2/4}\ \Longrightarrow\ \boxed{\ I_{01}=|A_{01}|^2=\frac{\delta^2}{2}\,e^{-\delta^2/2}\ }

(Il segno meno di A01A_{01} è fisso: φ1\varphi_1 cambia segno; l’intensità usa il modulo quadro, quindi è ininfluente.)

Condizione di intensità uguale. I primi due picchi hanno uguale intensità, dunque I00=I01I_{00}=I_{01}:

eδ2/2=δ22eδ2/2   δ22=1  δ=2 e^{-\delta^2/2}=\frac{\delta^2}{2}\,e^{-\delta^2/2} \ \Longrightarrow\ \boxed{\ \frac{\delta^2}{2}=1\ \Longrightarrow\ \delta=\sqrt 2\ }
Displacement e nuova lunghezza di legame
δ=αΔ=2  Δ=2α=2μω0, R1=R0+Δ \delta=\sqrt\alpha\,\Delta=\sqrt 2\ \Longrightarrow\ \Delta=\sqrt{\frac{2}{\alpha}}=\sqrt{\frac{2\hbar}{\mu\omega_0}}, \qquad \boxed{\ R_1=R_0+\Delta\ }
Valore numerico di $\Delta$

Con μ=7.0 uma=1.161026 kg\mu=7.0\ \mathrm{uma}=1.16\cdot 10^{-26}\ \mathrm{kg} e ω0=2π15002.9981010=2.831014 rad/s\omega_0=2\pi\cdot 1500\cdot 2.998\cdot 10^{10}=2.83\cdot 10^{14}\ \mathrm{rad/s}:

Δ=2μω0=21.0551034(1.161026)(2.831014)=8.01012 m=0.080 nm=0.80 A˚.\Delta=\sqrt{\frac{2\hbar}{\mu\omega_0}} =\sqrt{\frac{2\cdot 1.055\cdot 10^{-34}}{(1.16\cdot 10^{-26})(2.83\cdot 10^{14})}} =8.0\cdot 10^{-12}\ \mathrm{m}=0.080\ \mathrm{nm}=0.80\ \text{Å}.

Da R0=dGS=1.09R_0=d_{GS}=1.09 Å segue

 dES=R1=1.09+0.801.89 A˚ \boxed{\ d_{ES}=R_1=1.09+0.80\simeq 1.89\ \text{Å}\ }

Lo stato eccitato ha un legame più lungo (e quindi più debole): è fisicamente ragionevole, perché l’eccitazione elettronica eccita spesso un elettrone legante.

Principio di Franck-Condon

sfasamento ΔR

La transazione elettronica è verticale (R costante): gli elettroni sono veloci rispetto ai nuclei. Se i minimi sono sfalsati (ΔR>0) si arriva in genere a v'>0 (non al fondo): l'intensità è proporzionale al quadrato dell'overlap vibrazionale fra χ(v') e χ(v).

Perché il picco più intenso è $|0\rangle\to|1\rangle$ e non $|0\rangle\to|0\rangle$

Senza displacement (Δ=0\Delta=0, δ=0\delta=0) si avrebbe I00=1I_{00}=1 e I01=0I_{01}=0: le transizioni vibrazionali seguirebbero la regola Δv=±1\Delta v=\pm 1 dell’oscillatore armonico non traslato. Qui invece le due parabole sono sfasate: il massimo di φ0(g)\varphi_0^{(g)} (centrato in R0R_0) proietta verticalmente lontano dal minimo di E1E_1, in una zona dove lo stato vibrazionale eccitato più sovrapposto è ne=1n_e=1 (non 00). È esattamente l’informazione quantitativa che l’uguaglianza I00=I01I_{00}=I_{01} ha sfruttato per misurare Δ\Delta. Le transizioni verticali ‘litografano’ lo sfasamento geometrico tra i due potenziali.


6) IR vs Raman e riga Stokes

N2N_2 è una diatomica omonucleare: non ha momento di dipolo permanente, e il dipolo non è modulato dalla coordinata normale QQ (variazione di RR). La derivata μ/Q0=0\partial\mu/\partial Q|_0=0 implica

 assorbimento IR di N2inattivo \boxed{\ \text{assorbimento IR di }N_2\text{: \textbf{inattivo}}\ }

La polarizzabilità α(R)\alpha(R) dipende invece da RR (il cloud elettronico si deforma con la distanza), quindi α/Q00\partial\alpha/\partial Q|_0\neq 0: il modo è Raman attivo. È l’esempio paradigmatico di mutua esclusività IR/Raman per le molecole omopolari.

Riga Raman Stokes con laser HeNe

La riga Stokes (il sistema acquista un quanto ν~0\tilde\nu_0) è a

ν~S=ν~Lν~0,ν~L=107633=15798 cm1.\tilde\nu_S=\tilde\nu_L-\tilde\nu_0,\qquad \tilde\nu_L=\frac{10^7}{633}=15798\ \mathrm{cm}^{-1}.ν~S=157981500=14298 cm1  λS=10714298699 nm.\tilde\nu_S=15798-1500=14298\ \mathrm{cm}^{-1} \ \Longrightarrow\ \lambda_S=\frac{10^7}{14298}\simeq 699\ \mathrm{nm}.

Spettro Raman (Rayleigh + Stokes/anti-Stokes)

Raman = diffusione anelastica via polarizzabilità. Rotazionale: Δj=±2 → righe a ν_L∓2B(2j+3), spaziate di 4B (il doppio dell'IR). Stokes (blu) e anti-Stokes (rosso) simmetrici in frequenza, ma anti-Stokes debole a bassa T (parte da livelli j>0 poco popolati). Vibrazionale: un solo quanto, anti-Stokes/Stokes = e^(−ℏω/k_BT).

Anti-Stokes

La riga anti-Stokes (a ν~L+ν~0=17298 cm1\tilde\nu_L+\tilde\nu_0=17298\ \mathrm{cm}^{-1}, λ578\lambda\approx 578 nm) è presente ma debole: richiede che la molecola parta già da g,1|g,1\rangle, la cui popolazione è 7104\sim 7\cdot 10^{-4} a 300 K (calcolata al punto 2). Il rapporto Stokes/anti-Stokes è quindi una verifica indipendente della termalizzazione.


Commento al risultato

GrandezzaValoreDa dove
Quanto vibrazionale ν~0\tilde\nu_01500 cm11500\ \mathrm{cm}^{-1}spaziatura picchi UV
Popolazione $g,1\rangle/g,0\rangle$ a 300 K
Massa ridotta μ\mu7.0 uma7.0\ \mathrm{uma}k=μω02k=\mu\omega_0^2
Atomo XX / molecolaZ=7Z=7, N2N_2μ=mX/2\mu=m_X/2
Termine del GS1Σg+^1\Sigma_g^{\,+}shell chiusa
Overlap I00,I01I_{00},I_{01}eδ2/2e^{-\delta^2/2}, (δ2/2)eδ2/2(\delta^2/2)e^{-\delta^2/2}completamento del quadrato
Displacement δ=αΔ\delta=\sqrt\alpha\,\Delta2\sqrt 2I00=I01I_{00}=I_{01}
Δ\Delta0.800.80 Å2/μω0\sqrt{2\hbar/\mu\omega_0}
dESd_{ES}1.891.89 ÅR0+ΔR_0+\Delta
Stokes HeNeλS699\lambda_S\simeq 699 nmν~Lν~0\tilde\nu_L-\tilde\nu_0
  • I quattro picchi sono la struttura fina vibrazionale di una transizione elettronica: il ‘pettine’ di righe equispaziate è la firma di un livello eccitato armonico.
  • L’informazione sull’identità (N2N_2) arriva in due modi indipendenti e consistenti — dalla massa ridotta (punto 3) e dal termine a shell chiusa 1Σg+^1\Sigma_g^{\,+} (punto 4).
  • L’uguaglianza delle intensità dei primi due picchi si trasforma in una misura geometrica dello sfasamento Δ\Delta tra i due potenziali: è la versione quantitativa del principio di Franck-Condon.

Formule chiave

  • Conversione λν~\lambda\leftrightarrow\tilde\nu: ν~[cm1]=107/λ[nm]\tilde\nu\,[\mathrm{cm}^{-1}]=10^7/\lambda\,[\mathrm{nm}].
  • Oscillatore armonico: k=μω02k=\mu\omega_0^2, ω0=2πcν~0\omega_0=2\pi c\tilde\nu_0.
  • Boltzmann vibrazionale: P(v)/P(0)=evν~0/(kBT)P(v)/P(0)=e^{-v\tilde\nu_0/(k_BT)}, kB=0.69504 cm1/Kk_B=0.69504\ \mathrm{cm}^{-1}/\mathrm{K}.
  • Fattore di Franck-Condon: Ingne= ⁣χng(g)(Q)χne(e)(Q)dQ2I_{n_g n_e}=|\!\int\chi_{n_g}^{(g)}(Q)\,\chi_{n_e}^{(e)}(Q)\,dQ|^2 (Born-Oppenheimer + DegD_{eg} costante).
  • Armonico traslato, con δ=αΔ\delta=\sqrt\alpha\,\Delta: I00=eδ2/2I_{00}=e^{-\delta^2/2}, I01=(δ2/2)eδ2/2I_{01}=(\delta^2/2)e^{-\delta^2/2}.
  • Uguaglianza intensità δ=2Δ=2/(μω0)\Rightarrow\delta=\sqrt 2\Rightarrow\Delta=\sqrt{2\hbar/(\mu\omega_0)}.
  • Omonucleare: IR inattiva (μ/Q=0\partial\mu/\partial Q=0), Raman attivo (α/Q0\partial\alpha/\partial Q\neq 0); Stokes a ν~Lν~0\tilde\nu_L-\tilde\nu_0.
Collegamenti alla teoria