Sorgente:Appello Ottobre 2022 (straordinario) — Struttura della Materia
aggiornato 2026-06-25
Testo (dati)
Lo spettro di assorbimento UV di una molecola diatomica omonucleareX2
(atomo X incognito) mostra quattro picchi principali:
Picco
λ (nm)
1
376.0
2
355.9
3
337.9
4
321.6
Si usi l’approssimazione armonica per i potenziali elettronici E0(R) (ground state
g) ed E1(R) (primo stato eccitato e), supponendo uguale curvatura delle due
parabole; si trascurino le rotazioni.
Assumendo che a T ambiente tutte le molecole siano nel ground state vibrazionale
∣g,0⟩, assegnare i quattro picchi alle transizioni ∣g,ng⟩→∣e,ne⟩.
Verificare che il quanto vibrazionale vale ν~0=1500cm−1 e che
l’assunzione al punto 1 è valida a T=300K.
Da k=928.5N/m identificare l’atomo X.
Scrivere configurazione e termine spettroscopico del GS di X2.
Le intensità dei primi due picchi (376.0 e 355.9 nm) sono approssimativamente
uguali: ricavare il displacement Δ tra i minimi di E0 ed E1 dagli overlap
di Franck-Condon. Con dGS=1.09 Å, dare dES nello stato eccitato.
Discutere IR vs Raman per misurare ν~0; nel caso Raman con laser HeNe
(λL=633 nm) dare λS della riga Stokes.
1) Assegnazione dei picchi
Una transizione elettronica partendo dal solo livello vibrazionale ng=0 popolato
raggiunge i livelli vibrazionali ne=0,1,2,… dello stato eccitato: ciascun picco
corrisponde a un salto ∣g,0⟩→∣e,ne⟩. Convertiamo le lunghezze d’onda in
numeri d’onda con ν~=107/λnm:
Le differenze sono costanti entro ∼5cm−1: segno che i livelli di E1
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 eccitatoE1,
perché i livelli finali consecutivi differiscono di ℏωe. L’ipotesi del testo
(curvatura uguale) identifica poi ωe=ωg=ω0.
Validità dell’assunzione ng=0. Il rapporto di popolazione tra ∣g,1⟩ e
∣g,0⟩ a T=300K segue la Boltzmann:
Quindi solo ∣g,0⟩ è popolato in misura apprezzabile: le transizioni di partenza da
∣g,1⟩ (hot bands) sono invisibili e l’assegnazione del punto 1 è corretta.
3) Identificazione dell’atomo X
Dalla relazione del oscillatore armonico k=μω02, con
ω0=2πcν~0:
Per una molecola omonucleare X2 la massa ridotta è μ=mX/2, dunque
mX=2μ=14uma.
X=Azoto (Z=7),la molecola eˋN2
💡Perché basta $\mu$
La costante elastica k e il quanto ℏω determinano μ in modo univoco: nessun
altra diatomica omonucleare ha massa ridotta 7uma. 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 N2
Con 14 elettroni, riempiendo gli orbitali molecolari nell’ordine di energia crescente
(trattando 2σu∗ e 1πu come di consueto per la serie leggera, 1πu<3σg):
🔑Configurazione del GS di $N_2$
(1σg)2(1σu∗)2(2σg)2(2σu∗)2(1πu)4(3σg)2
Notazione. Gli orbitali σ hanno proiezione del momento angolare
Λ=0 lungo l’asse molecolare, i π hanno Λ=1 (doppiamente degenere,
±1); l’indice g/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,1σu∗ derivano dai 1s (guscio di core, debolmente
legante/antilegante); 2σg,2σu∗,1πu,3σg derivano dai 2s,2p.
Termine. Tutti gli orbitali sono pieni → shell chiusa, come i gas nobili atomici:
momento angolare totale Λ=0 (tutte le proiezioni si compensano), spin totale
S=0, parità g. Il termine è quindi
1Σg+
(2S+1=1 singoletto, Σ per Λ=0, g 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 del momento angolare elettronico sull’asse
(Σ,Π,Δ,… per Λ=0,1,2,…), non il L atomico. Una shell
πpiena (4 elettroni) contribute Λ=0 come una σ piena: per questo
il termine di N2 è Σ pur avendo orbitali π occupati.
5) Overlap di Franck-Condon e displacement Δ
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). L’elemento di matrice del
dipolo tra stati a conformazione elettronica diversa non è l’overlap elettronico
⟨e∣g⟩ (che è nullo per ortogonalità), ma il dipolo di transizioneDeg(R)=⟨Φe∣D^∣Φg⟩, in generale =0. Esso modula
l’integrale sulle coordinate nucleari:
L’approssimazione di Franck-Condon (o di Condon) assume Deg(R) lentamente
variabile e lo valuta al R di equilibrio, Deg(R)≈Deg(R0), portandolo fuori
dall’integrale:
Poiché il fattore elettronico ∣Deg(R0)∣2 è lo stesso per tutti i picchi (stessa
transizione e←g), le intensità relative dipendono solo dall’overlap puro
degli stati vibrazionali: il fattore di Franck-Condon ∣⟨ne∣ng⟩∣2.
🧮Setup armonico e variabile adimensionale $\delta$
Le autofunzioni dell’oscillatore armonico di E0 sono centrate in Q=0, quelle di E1
in Q=Δ (stessa curvatura α=μω0/ℏ). Con y=αx e il
parametro adimensionale
δ≡αΔ
le prime autofunzioni (normalizzate) sono
φ0(x)=(πα)1/4e−y2/2,φ1(x)=(πα)1/42ye−y2/2.
Lo stato eccitato traslato si ottiene con y→y−δ (centro in y=δ).
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, δ=0) si avrebbe I00=1 e I01=0: le
transizioni vibrazionali seguirebbero la regola Δv=±1 dell’oscillatore armonico
non traslato. Qui invece le due parabole sono sfasate: il massimo di φ0(g)
(centrato in R0) proietta verticalmente lontano dal minimo di E1, in una zona
dove lo stato vibrazionale eccitato più sovrapposto è ne=1 (non 0). È esattamente
l’informazione quantitativa che l’uguaglianza I00=I01 ha sfruttato per misurare
Δ. Le transizioni verticali ‘litografano’ lo sfasamento geometrico tra i due potenziali.
6) IR vs Raman e riga Stokes
N2 è una diatomica omonucleare: non ha momento di dipolo permanente, e il dipolo
non è modulato dalla coordinata normale Q (variazione di R). La derivata
∂μ/∂Q∣0=0 implica
assorbimento IR di N2: inattivo
La polarizzabilitàα(R) dipende invece da R (il cloud elettronico si deforma
con la distanza), quindi ∂α/∂Q∣0=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) è a
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=17298cm−1, λ≈578 nm)
è presente ma debole: richiede che la molecola parta già da ∣g,1⟩, la cui
popolazione è ∼7⋅10−4 a 300 K (calcolata al punto 2). Il rapporto
Stokes/anti-Stokes è quindi una verifica indipendente della termalizzazione.
Commento al risultato
Grandezza
Valore
Da dove
Quanto vibrazionale ν~0
1500cm−1
spaziatura picchi UV
Popolazione $
g,1\rangle/
g,0\rangle$ a 300 K
Massa ridotta μ
7.0uma
k=μω02
Atomo X / molecola
Z=7, N2
μ=mX/2
Termine del GS
1Σg+
shell chiusa
Overlap I00,I01
e−δ2/2, (δ2/2)e−δ2/2
completamento del quadrato
Displacement δ=αΔ
2
I00=I01
Δ
0.80 Å
2ℏ/μω0
dES
1.89 Å
R0+Δ
Stokes HeNe
λS≃699 nm
ν~L−ν~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 (N2) arriva in due modi indipendenti e consistenti —
dalla massa ridotta (punto 3) e dal termine a shell chiusa 1Σg+ (punto 4).
L’uguaglianza delle intensità dei primi due picchi si trasforma in una misura
geometrica dello sfasamento Δ tra i due potenziali: è la versione quantitativa
del principio di Franck-Condon.