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Ψ SdM

Argomento

H₂, HD, D₂ col potenziale di Morse: frequenze vibrazionali, energie di dissociazione e correzioni perturbative cubica/quartica

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Sorgente: Appello Febbraio 2024 — Struttura della Materia
aggiornato 2026-06-25

Potenziale di Morse e livelli vibrazionali

Il Morse (blu) include la dissociazione; i livelli (verde il fondamentale) si addensano verso il limite. D₀ = Dₑ − ½ℏω₀ è l'energia di dissociazione misurata. β = ℏω₀/(4Dₑ); il numero di livelli è finito.

Testo (dati)

Per le molecole biatomiche H₂, HD e D₂ il potenziale internucleare è rappresentato dalla curva di Morse

V(r)=De(1−e−a(r−r0))2,V(r)=D_e\bigl(1-e^{-a(r-r_0)}\bigr)^{2},

con DeD_e, aa, r0r_0 parametri positivi. Sia MM la massa di un atomo di idrogeno (MD≃2MM_D\simeq 2M). Si chiede:

a) I parametri DeD_e ed aa dipendono dalle masse nucleari? Perché? b) In approssimazione armonica, determinare la frequenza vibrazionale ω\omega delle tre molecole in funzione di DeD_e, aa ed MM. c) Determinare l’energia di dissociazione D0D_0 nei tre casi. d) Considerati i due termini successivi (cubico e quartico) dello sviluppo del Morse, stabilire — con la teoria delle perturbazioni al primo ordine — se e come ciascuno modifica D0D_0.

Due profondità, due simboli
  • DeD_e — profondità del pozzo (differenza fra il minimo V(r0)=0V(r_0)=0 e l’asintoto V(∞)=DeV(\infty)=D_e): è una proprietà del potenziale elettronico.
  • D0D_0 — energia realmente necessaria per dissociare la molecola a partire dallo stato fondamentale vibrazionale: D0=De−EzpeD_0=D_e-E_{\mathrm{zpe}}, con Ezpe=12ℏωE_{\mathrm{zpe}}=\tfrac12\hbar\omega energia di punto zero.

a) DeD_e ed aa dipendono dalla massa? No.

Nell’approssimazione adiabatica / Born-Oppenheimer si separano i gradi di libertà elettronici (veloci) da quelli nucleari (lenti, M≫meM\gg m_e). Il potenziale V(r)V(r) è la soluzione del problema elettronico a nuclei fissi: dipende solo dalle cariche nucleari Z1,Z2Z_1,Z_2 e dalla configurazione elettronica, non dalle masse. Di conseguenza DeD_e, aa, r0r_0 sono gli stessi per H₂, HD e D₂.

La massa entra solo nella cinematica

La massa non compare in V(r)V(r) ma compare nell’hamiltoniana nucleare: determina la massa ridotta μ\mu e quindi la frequenza ω\omega e i livelli vibrazionali. È per questo che due isotopi condividono lo stesso pozzo ma hanno energie di punto zero diverse → D0D_0 diversi. Questo è il cuore dell’effetto isotopico sulla stabilità molecolare.

Trappola: D_e non è D_0

È scorretto dire che «cambiando isotopo cambia il legame»: cambia D0D_0 (quantitá misurabile), non DeD_e (parametro elettronico del pozzo). La differenza è tutta nell’energia di punto zero.


b) Frequenza vibrazionale ω\omega (approssimazione armonica)

Costante elastica dal Morse

Al minimo r0r_0 si annullano VV e V′V'. Derivando il Morse

V′(r)=2aDe(1−e−a(r−r0)) e−a(r−r0),V′(r0)=0,V'(r)=2aD_e\bigl(1-e^{-a(r-r_0)}\bigr)\,e^{-a(r-r_0)},\qquad V'(r_0)=0,V′′(r)=2a2De(2e−2a(r−r0)−e−a(r−r0)),V′′(r0)=2a2De.V''(r)=2a^{2}D_e\bigl(2e^{-2a(r-r_0)}-e^{-a(r-r_0)}\bigr),\qquad V''(r_0)=2a^{2}D_e.

Confrontando con la forma armonica 12k(r−r0)2=12μω2(r−r0)2\tfrac12 k(r-r_0)^{2}=\tfrac12\mu\omega^{2}(r-r_0)^{2} si legge k=V′′(r0)=2a2Dek=V''(r_0)=2a^{2}D_e, da cui

ω=kμ=2a2Deμ=a2Deμ.\omega=\sqrt{\frac{k}{\mu}}=\sqrt{\frac{2a^{2}D_e}{\mu}}=a\sqrt{\frac{2D_e}{\mu}}.
Frequenza armonica del Morse
ω=a2Deμ,k=2a2De\omega=a\sqrt{\frac{2D_e}{\mu}},\qquad k=2a^{2}D_e

Masse ridotte delle tre molecole

Con mH=Mm_{\mathrm H}=M e mD=2Mm_{\mathrm D}=2M:

molecolaμ=m1m2m1+m2\mu=\dfrac{m_1 m_2}{m_1+m_2}ω=a2Deμ\omega=a\sqrt{\dfrac{2D_e}{\mu}}
H₂M⋅M2M=M2\dfrac{M\cdot M}{2M}=\dfrac{M}{2}ωH2=2aDeM\omega_{\mathrm{H_2}}=2a\sqrt{\dfrac{D_e}{M}}
HDM⋅2M3M=2M3\dfrac{M\cdot 2M}{3M}=\dfrac{2M}{3}ωHD=a3DeM\omega_{\mathrm{HD}}=a\sqrt{\dfrac{3D_e}{M}}
D₂2M⋅2M4M=M\dfrac{2M\cdot 2M}{4M}=MωD2=a2DeM\omega_{\mathrm{D_2}}=a\sqrt{\dfrac{2D_e}{M}}
Rapporto delle frequenze
ωH2:ωHD:ωD2=2:3:2≈2:1.732:1.414.\omega_{\mathrm{H_2}}:\omega_{\mathrm{HD}}:\omega_{\mathrm{D_2}} =2:\sqrt{3}:\sqrt{2}\approx 2:1.732:1.414.

La frequenza scala come 1/μ1/\sqrt{\mu}: l’isotopo più pesante vibra più lentamente.

Rapporto numerico

ωHD/ωH2=3/2≃0.866\omega_{\mathrm{HD}}/\omega_{\mathrm{H_2}}=\sqrt{3}/2\simeq 0.866 e ωD2/ωH2=2/2=1/2≃0.707\omega_{\mathrm{D_2}}/\omega_{\mathrm{H_2}}=\sqrt{2}/2=1/\sqrt{2}\simeq 0.707. La sostituzione di entrambi gli atomi con il deuterio riduce la frequenza di circa il 30%30\%.

L'approssimazione $M_D\simeq 2M$

Nella realtà mD≃1.999 Mm_D\simeq 1.999\,M e bisogna includere anche la massa dell’elettrone nel conto della massa ridotta (μ\mu della specie neutra, non dei soli nuclei). A livello d’esame si usa mD=2Mm_D=2M; la conclusione fisica non muta.


c) Energia di dissociazione D0D_0

Dal pozzo allo stato fondamentale

Il minimo del potenziale vale V(r0)=0V(r_0)=0 e l’asintoto lim⁡r→∞V(r)=De\displaystyle\lim_{r\to\infty}V(r)=D_e. Lo stato vibrazionale fondamentale, però, non sta a energia zero: l’oscillatore armonico ha energia di punto zero

Ezpe=12ℏω.E_{\mathrm{zpe}}=\tfrac12\hbar\omega.

L’energia di dissociazione (dal ground state ai due atomi separati) è quindi

D0=De−Ezpe=De−12ℏω.D_0=D_e-E_{\mathrm{zpe}}=D_e-\tfrac12\hbar\omega.

Sostituendo le ω\omega del punto (b):

D_0 per i tre isotopi
  D0(H2)=De−ℏaDeM  \boxed{\;D_0(\mathrm{H_2})=D_e-\hbar a\sqrt{\dfrac{D_e}{M}}\;}  D0(HD)=De−ℏa23DeM  \boxed{\;D_0(\mathrm{HD})=D_e-\dfrac{\hbar a}{2}\sqrt{\dfrac{3D_e}{M}}\;}  D0(D2)=De−ℏa22DeM  \boxed{\;D_0(\mathrm{D_2})=D_e-\dfrac{\hbar a}{2}\sqrt{\dfrac{2D_e}{M}}\;}
Il deuterio lega di più (effetto isotopico sulla ZPE)

Poiché ωD2<ωHD<ωH2\omega_{\mathrm{D_2}}<\omega_{\mathrm{HD}}<\omega_{\mathrm{H_2}}, l’energia di punto zero decresce da H₂ a D₂: D0D_0 cresce. In altre parole la molecola più pesante è più stabile (anche se di poco): D0(D2)>D0(HD)>D0(H2)D_0(\mathrm{D_2})>D_0(\mathrm{HD})>D_0(\mathrm{H_2}). DeD_e invece resta uguale per tutti e tre: l’effetto isotopico è puramente quantistico, dovuto alla ZPE, non al potenziale elettronico.


d) Correzione perturbativa (termini cubico e quartico su D0D_0)

Sviluppiamo il Morse in serie di Taylor attorno a r0r_0, ponendo x=r−r0x=r-r_0:

Sviluppo del Morse fino al quarto ordine (verificato)
V(r)=De(1−e−ax)2.V(r)=D_e\bigl(1-e^{-ax}\bigr)^{2}.

Derivando e valutando in x=0x=0: V′′(r0)=2a2DeV''(r_0)=2a^{2}D_e, V′′′(r0)=−6a3DeV'''(r_0)=-6a^{3}D_e, V(4)(r0)=14a4DeV^{(4)}(r_0)=14a^{4}D_e. Lo sviluppo è dunque

V(r)≈a2De x2⏟12kx2 armonico  −  a3De x3⏟cubico (anarmonico)  +  712a4De x4⏟quartico (anarmonico)+⋯V(r)\approx \underbrace{a^{2}D_e\,x^{2}}_{\tfrac12 k x^{2}\text{ armonico}} \;-\;\underbrace{a^{3}D_e\,x^{3}}_{\text{cubico (anarmonico)}} \;+\;\underbrace{\tfrac{7}{12}a^{4}D_e\,x^{4}}_{\text{quartico (anarmonico)}}+\cdots

I due termini successivi a quello armonico sono quindi H3′=−a3De x3H'_3=-a^{3}D_e\,x^{3} (cubico) e H4′=+712a4De x4H'_4=+\tfrac{7}{12}a^{4}D_e\,x^{4} (quartico).

Nella teoria delle perturbazioni indipendenti dal tempo, primo ordine, la correzione all’energia del livello ∣n⟩|n\rangle è il valore medio ⟨n∣H′∣n⟩\langle n|H'|n\rangle.

Argomento chiave: la parità seleziona i termini

Le autofunzioni dell’oscillatore armonico hanno ∣ψn(x)∣2|\psi_n(x)|^{2} pari in xx (simmetriche attorno all’origine). Dunque ⟨n∣xp∣n⟩=0\langle n|x^{p}|n\rangle=0 per ogni pp dispari, ed è in generale ≠0\neq 0 per pp pari. È la simmetria dell’oscillatore armonico imperturbato a decidere, al primo ordine, quale termine contribuisce.

Termine cubico H3′=−a3De x3H'_3=-a^{3}D_e\,x^{3} — non modifica D0D_0 al primo ordine

H3′H'_3 è una funzione dispari di xx; l’integrando ψn∗ H3′ ψn=∣ψn∣2H3′\psi_n^{*}\,H'_3\,\psi_n=|\psi_n|^{2}H'_3 è dispari, quindi a supporto simmetrico:

⟨n∣H3′∣n⟩=−a3De∫−∞+∞∣ψn(x)∣2 x3 dx=0.\langle n|H'_3|n\rangle=-a^{3}D_e\int_{-\infty}^{+\infty}|\psi_n(x)|^{2}\,x^{3}\,dx=0.
Cubica: correzione nulla al primo ordine
ΔEcubica(1)=⟨n∣x3∣n⟩=0∀ n.\Delta E^{(1)}_{\text{cubica}}=\langle n|x^{3}|n\rangle=0\quad\forall\,n.

Il termine cubico non modifica D0D_0 al primo ordine. (Dà invece un contributo al secondo ordine, non richiesto qui.)

Termine quartico H4′=+712a4De x4H'_4=+\tfrac{7}{12}a^{4}D_e\,x^{4} — modifica D0D_0

H4′H'_4 è pari, quindi l’elemento di matrice diagonale è non nullo. Per il ground state, ⟨0∣x4∣0⟩=34 x04\langle 0|x^{4}|0\rangle=\tfrac{3}{4}\,x_{0}^{4} con x02=ℏ/(μω)x_{0}^{2}=\hbar/(\mu\omega), da cui

ΔEquartica(1)=712a4De⋅34(ℏμω)2=716 a4De(ℏμω)2>0.\Delta E^{(1)}_{\text{quartica}} =\tfrac{7}{12}a^{4}D_e\cdot\tfrac{3}{4}\Bigl(\tfrac{\hbar}{\mu\omega}\Bigr)^{2} =\tfrac{7}{16}\,a^{4}D_e\Bigl(\tfrac{\hbar}{\mu\omega}\Bigr)^{2}>0.
Quartica: segno della correzione su D_0

La correzione quartica al primo ordine è positiva, dunque sposta verso l’alto l’energia del ground state (aumenta l’energia di punto zero effettiva). Poiché D0=De−12ℏωD_0=D_e-\tfrac12\hbar\omega, un aumento della ZPE comporta una diminuzione di D0D_0:

  quartica: D0 diminuisce.  \boxed{\;\text{quartica: }D_0\ \text{diminuisce.}\;}
Cosa cambia e cosa no
  • DeD_e e r0r_0 non sono modificati: sono proprietà del potenziale classico (minimo e asintoto), estranee alla quantizzazione.
  • Cambia solo D0D_0, via ω\omega: l’anarmonicità quartica rialza il ground state e quindi abbassa l’energia di dissociazione realmente misurabile.
  • Il filtro che sceglie quale termine agisca è la parità dell’oscillatore armonico: argomento di simmetria, non di calcolo.
Errori tipici dell'esercizio
  1. Dire che la cubica modifica D0D_0: falso al primo ordine, perché l’integrando è dispari.
  2. Confondere il segno del coefficiente quartico: nel Morse è positivo (+712a4De x4+\tfrac{7}{12}a^{4}D_e\,x^{4}, non negativo) — verificarlo derivando, non fidarsi dell’intuizione «anarmonico = ammorbidisce».
  3. Affermare che DeD_e cambia con l’isotopo: Born-Oppenheimer lo fissa al potenziale elettronico.
Oltre il primo ordine

Una trattazione completa (vedi <a href="/molecolare/07-dinamica-nucleare">Dinamica nucleare</a>) mantiene entrambi i termini del Morse e dà lo spettro En=ℏω(n+12)−βℏω(n+12)2E_n=\hbar\omega\bigl(n+\tfrac12\bigr)-\beta\hbar\omega\bigl(n+\tfrac12\bigr)^{2} con β=15ℏa282μDe\beta=\tfrac{15\hbar a^{2}}{8\sqrt{2\mu D_e}}: i livelli si addensano verso il continuo (few levels finiti) e D0D_0 è ulteriormente ridotto dal contributo di secondo ordine della cubica.


Sintesi

Riepilogo: $\omega$ e $D_0$ per i tre isotopi
ω=aDeM×{2H23HD2D2D0=De−ℏa2DeM×{2H23HD2D2\omega=a\sqrt{\dfrac{D_e}{M}}\times \begin{cases}2 & \mathrm{H_2}\\\sqrt{3} & \mathrm{HD}\\\sqrt{2} & \mathrm{D_2}\end{cases} \qquad D_0=D_e-\dfrac{\hbar a}{2}\sqrt{\dfrac{D_e}{M}}\times \begin{cases}2 & \mathrm{H_2}\\\sqrt{3} & \mathrm{HD}\\\sqrt{2} & \mathrm{D_2}\end{cases}
molecolaμ/M\mu/Mω/( aDe/M )\omega/(\,a\sqrt{D_e/M}\,)ZPED0D_0
H₂1/21/222massimaminima
HD2/32/33≈1.732\sqrt{3}\approx1.732intermediaintermedia
D₂112≈1.414\sqrt{2}\approx1.414minimamassima

Lettura fisica. Stesso pozzo elettronico (DeD_e, aa, r0r_0 uguali per i tre isotopi, grazie all’approssimazione di Born-Oppenheimer) ma energia di punto zero decrescente da H₂ a D₂. Di conseguenza il deuterio è leggermente più legato: è il motivo per cui, in chimica, legami C–D e O–D sono più forti dei corrispondenti C–H/O–H e si osserva un arricchimento isotopico nei composti stabili. La correzione perturbativa quartica, infine, abbassa ulteriormente D0D_0 (segnare: il Morse ha un numero finito di livelli e converge al continuo di dissociazione).


Formule chiave

  • Morse: V(r)=De(1−e−a(r−r0))2V(r)=D_e(1-e^{-a(r-r_0)})^{2}, con V(r0)=0V(r_0)=0, V(∞)=DeV(\infty)=D_e.
  • Costante elastica: k=V′′(r0)=2a2Dek=V''(r_0)=2a^{2}D_e → ω=a2De/μ\omega=a\sqrt{2D_e/\mu}.
  • Masse ridotte: μH2=M/2\mu_{\mathrm{H_2}}=M/2, μHD=2M/3\mu_{\mathrm{HD}}=2M/3, μD2=M\mu_{\mathrm{D_2}}=M.
  • Rapporto frequenze: ωH2 ⁣: ⁣ωHD ⁣: ⁣ωD2=2:3:2\omega_{\mathrm{H_2}}\!:\!\omega_{\mathrm{HD}}\!:\!\omega_{\mathrm{D_2}}=2:\sqrt{3}:\sqrt{2}.
  • Energia di dissociazione: D0=De−12ℏωD_0=D_e-\tfrac12\hbar\omega.
  • Sviluppo del Morse: V=a2De x2−a3De x3+712a4De x4+⋯V=a^{2}D_e\,x^{2}-a^{3}D_e\,x^{3}+\tfrac{7}{12}a^{4}D_e\,x^{4}+\cdots
  • Perturbazione I ordine: cubica (dispari) ⟨x3⟩=0\langle x^{3}\rangle=0 → nessun effetto su D0D_0; quartica (pari, coefficiente +712a4De>0+\tfrac{7}{12}a^{4}D_e>0) → ΔE(1)>0\Delta E^{(1)}>0 → ZPE cresce → D0D_0 diminuisce.
Collegamenti alla teoria
  • <a href="/molecolare/07-dinamica-nucleare">Molecolare — Dinamica nucleare</a>: rotatore rigido, oscillatore armonico, potenziale di Morse, spettro anarmonico completo En=ℏω(n+12)−βℏω(n+12)2E_n=\hbar\omega(n+\tfrac12)-\beta\hbar\omega(n+\tfrac12)^2.
  • <a href="/prereq/perturbazioni">Prerequisiti — Teoria delle perturbazioni</a>: regola del primo ordine ΔE(1)=⟨n∣H′∣n⟩\Delta E^{(1)}=\langle n|H'|n\rangle, ruolo della parità, criterio di non-degenerazione.
  • Born-Oppenheimer: separazione elettroni/nuclei e origine dell’indipendenza di DeD_e dalla massa.
Voci correlate