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Argomento

H₂ in LCAO con repulsione power-law: eccitazioni, minimo BO, dissociazione e Raman

math-checked
Sorgente: Appello Giugno 2024 — Struttura della Materia
aggiornato 2026-06-25

Testo

La molecola H₂ è descritta in LCAO sui soli orbitali 1s. Gli elementi di matrice (hopping off-diagonale e termine diagonale, che include la repulsione efficace a corto range) sono

t(d)=b ⁣(a0d) ⁣2,E0(d)=−1 Ry+cn+1 ⁣(a0d) ⁣2(n+1),t(d)=b\!\left(\frac{a_0}{d}\right)^{\!2},\qquad E_0(d)=-1\,\mathrm{Ry}+\frac{c}{n+1}\!\left(\frac{a_0}{d}\right)^{\!2(n+1)},

con b=2,8 Ryb=2{,}8\ \mathrm{Ry}, d0=2 a0d_0=\sqrt{2}\,a_0 (distanza di equilibrio), μ=mp/2\mu=m_p/2 (massa ridotta) e n>0n>0 reale. Si chiedono: (1) eccitazioni elettroniche e polarizzazione; (2) prima eccitazione rotazionale; (3) c(n)c(n); (4) energia di dissociazione DeD_e; (5) nn e cc dalla frequenza vibrazionale ℏω=544\hbar\omega=544 meV; (6) λmax⁡\lambda_{\max} dissociante; (7) IR vs Raman con Stokes/anti-Stokes a λL=532\lambda_L=532 nm.

Modello: legante + repulsione power-law

L’hopping t(d)∝d−2t(d)\propto d^{-2} favorisce il legame (abbassa σg\sigma_g). Il termine E0(d)E_0(d) contiene un contributo costante −1 Ry-1\,\mathrm{Ry} (energia atomica 1s) e una repulsione power-law ∝d−2(n+1)\propto d^{-2(n+1)} che diverge a corto range: fisicamente rappresenta repulsione nucleo-nucleo + Coulomb elettronico non bilanciati a piccole dd. Il minimo nasce dal bilancio fra queste due forze.

Born-Oppenheimer, ovunque

Tutte le energie “elettroniche” sono calcolate a nuclei fissi in d=d0d=d_0. Le parti rotazionali/vibrazionali entrano solo nei punti (2), (5), (7): lì i nuclei si muovono nel potenziale efficace V(d)V(d) generato dagli elettroni (superficie di energia potenziale BO).

LCAO: legante vs antilegante (H₂⁺)

R

ψ₊ = φ_A+φ_B accumula densità tra i nuclei → legame; ψ₋ = φ_A−φ_B ha un nodo in mezzo → antilegante. Nota: legante↔gerade e antilegante↔ungerade vale per σ,non per π (audit A14).


1) Eccitazioni elettroniche e polarizzazione

Diagonalizzando la matrice LCAO 2×22\times2 (overlap trascurato):

σg=E0(d)−t(d)(legante),σu ∗=E0(d)+t(d)(antilegante).\sigma_g = E_0(d)-t(d) \quad (\text{legante}),\qquad \sigma_u^{\,*}=E_0(d)+t(d) \quad (\text{antilegante}).

Stato fondamentale: σg2\sigma_g^2 (2 elettroni, spin appaiati, singoletto). Per elettroni indipendenti l’energia di nen_e elettroni promossi σg→σu ∗\sigma_g\to\sigma_u^{\,*} scala con nen_e, e ogni salto costa Eu−Eg=2t(d0)E_u-E_g=2t(d_0):

Numeri ($d_0=\sqrt2\,a_0$)

t(d0)=b (a0/d0)2=b (1/2)2=b/2=2,8/2=1,4 Ry=19,048t(d_0)=b\,(a_0/d_0)^2=b\,(1/\sqrt2)^2=b/2=2{,}8/2=1{,}4\ \mathrm{Ry}=19{,}048 eV.

  • I transizione (ne=1n_e=1, σg2→σgσu ∗\sigma_g^2\to\sigma_g\sigma_u^{\,*}): ΔE1=2t(d0)=2,8 Ry=38,1 eV\Delta E_1=2t(d_0)=2{,}8\ \mathrm{Ry}=\mathbf{38{,}1\ eV}.
  • II transizione (ne=2n_e=2, σg2→(σu ∗)2\sigma_g^2\to(\sigma_u^{\,*})^2): ΔE2=4t(d0)=5,6 Ry=76,2 eV\Delta E_2=4t(d_0)=5{,}6\ \mathrm{Ry}=\mathbf{76{,}2\ eV}.

Regole di selezione e polarizzazione. Entrambi gli stati coinvolti sono Σ\Sigma (Λ=0\Lambda=0, M=0M=0). In approssimazione di dipolo elettrico:

  • parità g↔ug\leftrightarrow u ✓ (cambia);
  • ΔΛ=0\Delta\Lambda=0 ✓ (permesso);
  • ΔS=0\Delta S=0 ✓.

La transizione è permessa. Essendo ΔM=0\Delta M=0 (stati Σ\Sigma), il fotone deve avere polarizzazione lineare lungo l’asse molecolare (riga π\pi, Δm=0\Delta m=0): la componente del campo elettrico lungo l’asse muove la carica nella direzione giusta per miscelare g/ug/u.


2) Prima eccitazione rotazionale (J=0→1J=0\to1)

Per il rotatore rigido, EJ=ℏ2J(J+1)/(2μd02)E_J=\hbar^2J(J+1)/(2\mu d_0^2), con μ=mp/2\mu=m_p/2 e d0=2 a0d_0=\sqrt2\,a_0:

B≡ℏ22μd02=ℏ22⋅(mp/2)⋅2a02=ℏ22mpa02=ℏ22mea02⋅memp=Ry⋅1r,r≡mpme=1836.B\equiv\frac{\hbar^2}{2\mu d_0^2} =\frac{\hbar^2}{2\cdot(m_p/2)\cdot2a_0^2} =\frac{\hbar^2}{2m_p a_0^2} =\frac{\hbar^2}{2m_e a_0^2}\cdot\frac{m_e}{m_p} =\mathrm{Ry}\cdot\frac{1}{r},\qquad r\equiv\frac{m_p}{m_e}=1836.

Quindi B=13,606 eV/1836=7,41B=13{,}606\ \mathrm{eV}/1836=7{,}41 meV e la transizione J=0→1J=0\to1 costa

ΔErot=E1−E0=2B=14,8 meV.\Delta E_{\text{rot}} = E_1-E_0 = 2B = \mathbf{14{,}8\ \mathrm{meV}}.
B vs 2B

BB è la costante rotazionale (separazione unitaria J→J+1J\to J+1 è 2B(J+1)2B(J+1)). La transizione 0→10\to1 costa 2B2B, non BB. Confondere i due dà 7,4 meV invece di 14,8 meV.

Vietata in dipolo (H₂ omonucleare)

La transizione è proibita nell’approssimazione di dipolo elettrico: H₂ è omomolecolare, quindi ⟨D^⟩≡0\langle\hat{\mathbf D}\rangle\equiv 0 (nessun dipolo permanente, e la rotazione non lo genera). La regola ΔJ=±1\Delta J=\pm1 è necessaria ma non sufficiente: serve il dipolo. La riga rotazionale è osservabile solo in Raman (ΔJ=±2\Delta J=\pm2, polarizzabilità anisotropa).


3) Costante cc in funzione di nn

Il potenziale BO per i nuclei con 2 elettroni nello stato fondamentale σg\sigma_g è

V(d)=2[E0(d)−t(d)]=2 ⁣[−Ry+cn+1 ⁣(a0d) ⁣2(n+1)−b ⁣(a0d) ⁣2].V(d)=2\bigl[E_0(d)-t(d)\bigr]=2\!\left[-\mathrm{Ry}+\frac{c}{n+1}\!\left(\frac{a_0}{d}\right)^{\!2(n+1)}-b\!\left(\frac{a_0}{d}\right)^{\!2}\right].

Definiamo s≡a0/ds\equiv a_0/d (così s0=a0/d0=1/2s_0=a_0/d_0=1/\sqrt2, s0 2=1/2s_0^{\,2}=1/2). Imponiamo il minimo:

Minimo $V'(d_0)=0$

In ss, V=2[−Ry+cn+1s2(n+1)−b s2]V=2[-\mathrm{Ry}+\frac{c}{n+1}s^{2(n+1)}-b\,s^2]. Derivando rispetto a ss:

dVds=2[2c s2n+1−2b s]=4s[c s2n−b].\frac{dV}{ds}=2\bigl[2c\,s^{2n+1}-2b\,s\bigr]=4s\bigl[c\,s^{2n}-b\bigr].

In s=s0s=s_0 il minimo richiede dV/ds=0dV/ds=0 con s0≠0s_0\neq0, quindi c s02n=bc\,s_0^{2n}=b, ovvero

 c=bs02n=b (2)2n=b 2 n. \boxed{\,c = \frac{b}{s_0^{2n}} = b\,(\sqrt2)^{2n} = b\,2^{\,n}.\,}
Perché power-law?

c=b 2nc=b\,2^n lega la repulsione all’hopping attraverso la geometria d0d_0: la curvatura della repulsione a d0d_0 (governata da nn) è scelta in modo che il potenziale sia piatto proprio lì. È esattamente il meccanismo di una buca di Morse, ma con andamento power-law invece che esponenziale: l’esponente nn è il parametro che “sintonizza” la ripidezza.


4) Energia di dissociazione DeD_e (senza ZPE)

De=V(∞)−V(d0)D_e=V(\infty)-V(d_0). A d→∞d\to\infty, s→0s\to0, i termini repulsivi/hopping spariscono e restano solo i due elettroni atomici isolati:

V(∞)=2(−Ry)=−2 Ry.V(\infty)=2(-\mathrm{Ry})=-2\,\mathrm{Ry}.

In d0d_0, usando c=b 2nc=b\,2^n e s0 2=1/2s_0^{\,2}=1/2:

cn+1 s02(n+1)=b 2nn+1⋅12n+1=b2(n+1),b s0 2=b2.\frac{c}{n+1}\,s_0^{2(n+1)}=\frac{b\,2^n}{n+1}\cdot\frac{1}{2^{n+1}}=\frac{b}{2(n+1)}, \qquad b\,s_0^{\,2}=\frac{b}{2}.
$D_e$ in funzione di $n$
V(d0)=2 ⁣[−Ry+b2(n+1)−b2].V(d_0)=2\!\left[-\mathrm{Ry}+\frac{b}{2(n+1)}-\frac{b}{2}\right].

Quindi

De=V(∞)−V(d0)=2 ⁣[b2−b2(n+1)]=b ⁣[1−1n+1]= b nn+1 D_e=V(\infty)-V(d_0)=2\!\left[\frac{b}{2}-\frac{b}{2(n+1)}\right]=b\!\left[1-\frac{1}{n+1}\right]=\boxed{\,\frac{b\,n}{n+1}\,}

(in Ry, per la molecola con 2 elettroni). lim⁡n→∞De=b\lim_{n\to\infty}D_e=b: repulsione sempre più “rigida” → buca più profonda, ma mai oltre bb Ry (limite del solo hopping).

Interpretazione

De=b n/(n+1)D_e=b\,n/(n+1): per nn piccolo la repulsione è “morbida” e solleva molto il fondo della buca a d0d_0 (poca energia di legame); per n→∞n\to\infty la repulsione diventa una parete verticale e De→bD_e\to b (tutto il guadagno dell’hopping si converte in legame).


5) nn e cc dalla frequenza vibrazionale

Nell’approssimazione armonica attorno al minimo, k=V′′(d0)=μω2k=V''(d_0)=\mu\omega^2, quindi (ℏω)2=ℏ2k/μ(\hbar\omega)^2=\hbar^2 k/\mu. Cambiando variabile s=a0/ds=a_0/d (catena di derivazione):

V′′(d0)=d2Vds2∣s0 ⁣(dsdd∣d0) ⁣2,cond2Vds2=2[2c(2n+1)s2n−2b].V''(d_0)=\frac{d^2V}{ds^2}\bigg|_{s_0}\!\left(\frac{ds}{dd}\bigg|_{d_0}\right)^{\!2}, \qquad\text{con}\quad \frac{d^2V}{ds^2}=2\bigl[2c(2n+1)s^{2n}-2b\bigr].

In s0s_0, con c s02n=bc\,s_0^{2n}=b: d2Vds2∣s0=2[2b(2n+1)−2b]=8bn\dfrac{d^2V}{ds^2}\big|_{s_0}=2[2b(2n+1)-2b]=8bn. Inoltre (dsdd∣d0) ⁣2=a02d04=14a02\left(\dfrac{ds}{dd}\big|_{d_0}\right)^{\!2}=\dfrac{a_0^2}{d_0^4}=\dfrac{1}{4a_0^2}.

Curvatura e frequenza
k=V′′(d0)=8bn⋅14a02=2bna02.k=V''(d_0)=8bn\cdot\frac{1}{4a_0^2}=\frac{2bn}{a_0^2}.

Con μ=mp/2=me r/2\mu=m_p/2=m_e\,r/2 e ℏ2/(2mea02)=Ry\hbar^2/(2m_e a_0^2)=\mathrm{Ry}:

(ℏω)2=ℏ2kμ=ℏ2⋅2bn/a02mer/2=8bnr Ry.(\hbar\omega)^2=\frac{\hbar^2 k}{\mu}=\frac{\hbar^2\cdot2bn/a_0^2}{m_e r/2}=\frac{8bn}{r}\,\mathrm{Ry}.
Punto E dell'OCR: passaggi garbugliati (fattore 2)

Il testo OCR della soluzione (punto E) mescola le derivate rispetto a ss e dd, moltiplica due volte per il fattore “2 elettroni” (già incluso in V=2[… ]V=2[\dots]) e scrive ∂2E/∂s2=8bn\partial^2 E/\partial s^2=8bn riferendosi all’energia a un elettrone anziché al potenziale BO a due elettroni. Il risultato finale (ℏω)2=8bn Ry/r(\hbar\omega)^2=8bn\,\mathrm{Ry}/r e n=0,131n=0{,}131 è comunque quello inteso dal corso (coerente con c=3,07c=3{,}07 Ry, De=4,42D_e=4{,}42 eV e λ=299\lambda=299 nm dei punti successivi). La formula da usare è quindi (ℏω)2=8bn Ry/r\boxed{(\hbar\omega)^2=8bn\,\mathrm{Ry}/r}: il numeratore “8” è la convenzione del testo.

Calcolo numerico

ℏω=544\hbar\omega=544 meV =0,544=0{,}544 eV =0,0400=0{,}0400 Ry, r=1836r=1836, b=2,8b=2{,}8 Ry:

n=(ℏω)2 r8b Ry=(0,0400)2⋅18368⋅2,8=2,937622,4=0,131.n=\frac{(\hbar\omega)^2\,r}{8b\,\mathrm{Ry}}=\frac{(0{,}0400)^2\cdot1836}{8\cdot2{,}8}=\frac{2{,}9376}{22{,}4}=\mathbf{0{,}131}.c=b 2n=2,8⋅20,131=2,8⋅1,0947=3,07 Ry.c=b\,2^n=2{,}8\cdot2^{0{,}131}=2{,}8\cdot1{,}0947=\mathbf{3{,}07\ \mathrm{Ry}}.

6) Lunghezza d’onda massima dissociante

Includendo lo zero-point energy (ZPE) 12ℏω\tfrac12\hbar\omega per ciascun modo (qui uno solo, lo stretching), l’energia di dissociazione sperimentale è

D0=De−12ℏω.D_0 = D_e - \tfrac{1}{2}\hbar\omega.
Numeri

De=b n/(n+1)=2,8⋅0,131/1,131=0,3245D_e=b\,n/(n+1)=2{,}8\cdot0{,}131/1{,}131=0{,}3245 Ry =4,416=4{,}416 eV. 12ℏω=0,272\tfrac12\hbar\omega=0{,}272 eV. Dunque

D0=4,416−0,272=4,14 eV.D_0 = 4{,}416 - 0{,}272 = \mathbf{4{,}14\ eV}.

Il fotone con λmax⁡\lambda_{\max} dissociante è quello con energia pari alla soglia:

λmax⁡=hcD0=1240 eV nm4,14=299 nm(UV vicino).\lambda_{\max}=\frac{hc}{D_0}=\frac{1240\ \mathrm{eV\,nm}}{4{,}14}=\mathbf{299\ nm}\quad(\text{UV vicino}).
Perché $\lambda_{\max}$ e non una riga?

D0D_0 è la soglia di dissociazione: fotoni con energia ≥D0\geq D_0 (cioè λ≤299\lambda\leq299 nm) possono rompere il legame; oltre la soglia l’eccesso va in energia cinetica dei frammenti (spettro continuo). 299 nm cade nell’UV-C: per questo H₂ si fotodissocia nell’alta atmosfera schermata dall’ozono.


7) IR vs Raman e Stokes/anti-Stokes

H₂ è omomolecolare (centro di inversione):

  • IR: la coordinata normale (stretching simmetrico) non modula il dipolo (sempre nullo) → IR-inattivo.
  • Raman: lo stretching modula la polarizzabilità (la nuvola elettronica è più o meno deformabile al variare di dd) → Raman-attivo. Regola del mutuo escluso: con centro di inversione, un modo è IR oppure Raman, mai entrambi.

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).

Con laser λL=532\lambda_L=532 nm, il quanto vibrazionale ℏω=0,544\hbar\omega=0{,}544 eV corrisponde a

ν~vib=0,544 eVhc=0,544⋅8065,54=4388 cm−1,ν~L=1532 nm=18797 cm−1.\tilde\nu_{\text{vib}}=\frac{0{,}544\ \mathrm{eV}}{hc}=0{,}544\cdot8065{,}54=\mathbf{4388\ cm^{-1}}, \qquad \tilde\nu_L=\frac{1}{532\ \mathrm{nm}}=18797\ \mathrm{cm^{-1}}.
Righe Raman
ν~S=ν~L−ν~vib=18797−4388=14409 cm−1⇒λS=694 nm,\tilde\nu_S = \tilde\nu_L-\tilde\nu_{\text{vib}}=18797-4388=14409\ \mathrm{cm^{-1}}\Rightarrow\lambda_S=\mathbf{694\ nm},ν~AS=ν~L+ν~vib=18797+4388=23185 cm−1⇒λAS=431 nm.\tilde\nu_{AS} = \tilde\nu_L+\tilde\nu_{\text{vib}}=18797+4388=23185\ \mathrm{cm^{-1}}\Rightarrow\lambda_{AS}=\mathbf{431\ nm}.

Intensità relativa (anti-Stokes/Stokes) a T=300T=300 K (kBT=208,5k_BT=208{,}5 cm−1^{-1}):

IASIS=e−ℏω/kBT=e−4388/208,5=e−21,0≈7⋅10−10≪1.\frac{I_{AS}}{I_S}=e^{-\hbar\omega/k_BT}=e^{-4388/208{,}5}=e^{-21{,}0}\approx 7\cdot10^{-10}\ll1.

A temperatura ambiente il livello v=1v=1 è praticamente spopolato (ℏω≫kBT\hbar\omega\gg k_BT): la riga anti-Stokes è assente, si osserva solo la Stokes (il laser “scarica” energia nella molecola).

Isotopi e BO

Sostituire H con D non cambia V(d)V(d) (è determinato dagli elettroni): DeD_e, cc, nn restano identici. Cambia solo μ\mu e quindi ω\omega (effetto isotopico: ω∝1/μ\omega\propto1/\sqrt\mu). La superficie BO è la stessa; si muovono differently sopra di essa.


Sintesi

QuantitàEspressioneValore
I transizione elettronica (ne=1n_e=1)2t(d0)=2b(a0/d0)22t(d_0)=2b(a_0/d_0)^238,138{,}1 eV
II transizione elettronica (ne=2n_e=2)4t(d0)4t(d_0)76,276{,}2 eV
Polarizzazione I transizioneΣ→Σ\Sigma\to\Sigma, ΔM=0\Delta M=0π\pi (asse molecolare)
Costante rotazionale BBRy me/mp\mathrm{Ry}\,m_e/m_p7,417{,}41 meV
Transizione rotazionale 0→10\to12B2B14,814{,}8 meV (vietata)
c(n)c(n)b 2nb\,2^n—
DeD_e (2 e⁻, senza ZPE)b n/(n+1)b\,n/(n+1)4,424{,}42 eV
nn da ℏω=544\hbar\omega=544 meV(ℏω)2r/(8b Ry)(\hbar\omega)^2 r/(8b\,\mathrm{Ry})0,1310{,}131
ccb 2nb\,2^n3,073{,}07 Ry
D0D_0 (con ZPE)De−12ℏωD_e-\tfrac12\hbar\omega4,144{,}14 eV
λmax⁡\lambda_{\max} dissociantehc/D0hc/D_0299299 nm
Stokes / anti-Stokes (λL=532\lambda_L=532 nm)ν~L∓ν~vib\tilde\nu_L\mp\tilde\nu_{\text{vib}}694694 / 431431 nm
IAS/ISI_{AS}/I_S (300 K)e−ℏω/kBTe^{-\hbar\omega/k_BT}7⋅10−107\cdot10^{-10}

Filone fisico. Il modello illustra tre idee cardine:

  1. L’hopping fa il legame, la repulsione power-law dà la buca. Senza repulsione (c=0c=0) il potenziale V(d)V(d) sarebbe monotono e la molecola collasserebbe. Il minimo è puramente geometrico: l’ordine di grandezza di d0d_0 emerge dal bilancio.
  2. Dalla curvatura all’esponente. La frequenza vibrazionale misura V′′(d0)V''(d_0); dato che la curvatura dipende da nn (e da c=b 2nc=b\,2^n), una sola misura spettroscopica fissa tutto il potenziale. È il senso profondo del “fit di Morse” generalizzato.
  3. Omonuclearità = regola del mutuo escluso. Centro di inversione ⇒ un modo è IR o Raman, non entrambi. H₂ è il caso paradigmatico: invisibile all’IR, visibile al Raman.

Formule chiave

  • Orbitali LCAO (H₂, overlap nullo): σg=E0−t\sigma_g=E_0-t, σu ∗=E0+t\sigma_u^{\,*}=E_0+t.
  • Hopping all’equilibrio: t(d0)=b/2t(d_0)=b/2 (per d0=2 a0d_0=\sqrt2\,a_0).
  • Separazione elettronica: Eu−Eg=2t(d0)E_u-E_g=2t(d_0); per nen_e elettroni promossi, ΔE=2ne t(d0)\Delta E=2n_e\,t(d_0).
  • Costante rotazionale: B=ℏ2/(2μd02)=Ry me/mp=7,41B=\hbar^2/(2\mu d_0^2)=\mathrm{Ry}\,m_e/m_p=7{,}41 meV.
  • Condizione di minimo: c s02n=bc\,s_0^{2n}=b ⇒ c=b 2nc=b\,2^n.
  • Dissociazione (senza ZPE): De=b n/(n+1)D_e=b\,n/(n+1).
  • Frequenza: (ℏω)2=8bn Ry/r(\hbar\omega)^2=8bn\,\mathrm{Ry}/r, r=mp/mer=m_p/m_e.
  • Dissociazione (con ZPE): D0=De−12ℏωD_0=D_e-\tfrac12\hbar\omega.
  • Raman Stokes/anti-Stokes: ν~S,AS=ν~L∓ν~vib\tilde\nu_{S,AS}=\tilde\nu_L\mp\tilde\nu_{\text{vib}}; IAS/IS=e−ℏω/kBTI_{AS}/I_S=e^{-\hbar\omega/k_BT}.
Collegamenti alla teoria
  • Stati elettronici e LCAO — diagonalizzazione della matrice 2×22\times2, orbitali legante/antilegante, regole di selezione Σ→Σ\Sigma\to\Sigma.
  • Dinamica nucleare — Born-Oppenheimer, rotatore rigido (BB, DeD_e, ω0\omega_0), IR vs Raman e regola del mutuo escluso.
  • Esame Luglio 2024: H₂ LCAO — stesso modello con ripasso delle selezioni elettroniche/rotazionali (versione senza calcolo esplicito di nn, cc, DeD_e).