Sorgente:Appello Febbraio 2025 — Struttura della Materia
aggiornato 2026-06-25
Testo (dati)
Il potenziale intramolecolare per una molecola eteronucleare XY è descritto dalla somma di un
termine attrattivo coulombiano (scala 1/R) e di un termine repulsivo a breve range
(scala 1/R2):
V(R)=−4πε0Re2+R2C.
Conveniamo A≡e2/(4πε0)=2,307×10−28Jm, così che
V(R)=−A/R+C/R2.
Dati:
distanza di equilibrio R0=2,73A˚=2,73×10−10m;
massa ridotta m=2,3×10−26kg.
Si chiede:
Costante C tale che il minimum cada in R0.
Numero di stati vibrazionali (approssimazione armonica) sotto l’energia di dissociazione.
Temperatura di congelamento del grado di libertà vibrazionale.
💡La fisica del potenziale: attrazione vs repulsione
Il termine −A/R è un’attrazione monotonica (cresce in modulo avvicinandosi); il termine +C/R2
è una repulsione più rapida a piccole distanze ma trascurabile a distanze grandi (dove vince
il 1/R). Il loro bilancio produce un minimo finitoV(R0)<0, separato dall’asintoto
V(∞)=0 da una barriera: la profondità della buca è l’energia di dissociazione De.
È lo stesso meccanismo del potenziale di Morse (e di Lennard-Jones): un minimo stabile nasce
sempre dall’incontro di un’attrazione a lungo range con una repulsione a corto range.
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.
✏️Questa NON è una curva di Morse
La visualizzazione è un analogo visivo del pozzo: la forma qualitativa (asintoto orizzontale,
minimo, parete ripida a sinistra) è la stessa di V(R)=−A/R+C/R2, ma le curve analitiche
sono diverse. Qui repulsione e attrazione sono potenze semplici di 1/R, non esponenziali:
il modello è più “didattico” che realistico, ma si presta a calcoli chiusi.
(a) Costante C dalla condizione di stazionarietà
🧮Minimo del potenziale
La distanza di equilibrio è il punto in cui la forza si annulla, cioè V′(R0)=0. Derivando
V(R)=−RA+R2C=−AR−1+CR−2,
si ottiene
V′(R)=+R2A−R32C.
Imponendo V′(R0)=0:
R02A=R032C⟹C=2AR0=8πε0R0e2.
🔑Costante $C$
C=2AR0=8πε0R0e2
🧩Valore numerico
C=2(2,307×10−28)(2,73×10−10)Jm2=3,15×10−38Jm2.
(Come ordine di grandezza, C≃0,031×10−36Jm2.)
(b) Numero di stati vibrazionali sotto la dissociazione
Servono due ingredienti: la profondità della bucaDe=∣V(R0)∣ (energia a disposizione)
e il passo dei livelliℏω dell’oscillatore armonico che approssima il pozzo presso
il minimo. Il loro rapporto è il numero di stati confinati.
Il segno positivo conferma che R0 è un vero minimo. La notevole cancellazione dei due
termini (resta un solo A/R03) è il cuore del calcolo: dipende criticamente dal fattore
1/2 nella condizione C=AR0/2.
Nell’approssimazione armonica i livelli sono equispaziati di ℏω a partire dallo zero
di energia del minimo. Il numero massimo di quanti che “stanno” nella buca è quindi
🔑Numero di stati vibrazionali
n≈ℏωDe=0,01462,64≈180.
⚠️Discrepanza con la soluzione d'esame (audit A24)
La soluzione OCR riporta ν~vib≈190cm−1, n≈110
e T≈290K. Il conto indipendente qui sopra dà invece ν~=118cm−1,
n≈180, T≈170K. La differenza nasce da una costante di forza
sovrastimata: se si calcola k omettendo il fattore 1/2 nella condizione di stazionarietà
(uso C=AR0 invece di C=AR0/2), i due termini −2A/R03 e 6C/R04 non si
cancellano nel modo corretto e k risulta maggiore di un fattore ∼2–3, da cui una
ω più alta (e quindi ν~→190cm−1, n→110, T→290K,
internamente consistenti fra loro ma con il k sbagliato). Verifica: imponendo V′(R0)=0 con
cura si ottiene C=AR0/2 e quindi k=A/R03=11,3N/m — non il valore più
alto implicito nei numeri OCR. I valori corretti sono quelli di questa pagina.
✏️Sul conteggio degli stati
n≈De/ℏω conta i livelli armonici che stanno sotto la soglia di
dissociazione V(∞)=0. È un’approssimazione perché (i) il vero potenziale non è armonico
lungo tutto il range (la parete sinistra è più ripida, quella destra è anarmonica e si appiattisce
verso V=0), e (ii) gli ultimi livelli sotto soglia sono debolmente legati e spaziati meno di
ℏω. Il valore n≈180 va quindi inteso come stima d’ordine di grandezza, non
come numero esatto di stati bound.
(c) Temperatura di congelamento vibrazionale
🧮Criterio quantistico vs classico
Un grado di libertà quantistico contribuisce all’energia termica (equipartizione, 21kBT
per modo) solo quando è termalizzato, cioè quando l’energia termica kBT è confrontabile
o superiore al quanto ℏω. La soglia è posta convenzionalmente a
kBTvib∼ℏω⟹Tvib=kBℏω.
Per T≪Tvib il modo è “congelato” nello stato fondamentale e non contribuisce
a CV; per T≫Tvib si ripristina il valore classico dell’equipartizione.
🔑Temperatura di congelamento
Tvib=kBℏω
🧩Valore numerico
Tvib=8,617×10−5eV/K0,0146eV=170K.
Per T≪170K (es. T=77K, azoto liquido) il modo vibrazionale è
congelato; a temperatura ambiente (300K) è parzialmente eccitato.
💡Perché vibra a 300 K ma non a 77 K
A 300K si ha kBT≈25,9meV≈1,8ℏω: il primo
livello eccitato è popolato in modo apprezzabile (fattore di Boltzmann
e−ℏω/kBT≈e−1,8≈0,16), e il calore specifico vibrazionale
è già una frazione significativa del valore classico R. A 77K invece
kBT≈6,6meV≈0,45ℏω, quindi
e−ℏω/kBT≈e−2,2≈0,11: il modo è quasi completamente
congelato e non contribuisce a CV (che resta al valore traslazionale + rotazionale).
Commento al risultato
Grandezza
Espressione
Valore
(OCR)
Costante C
AR0/2
3,15×10−38Jm2
0,031×10−36 ✓
Profondità buca De
A/(2R0)
2,64eV
—
Costante di forza k
A/R03
11,3N/m
(sovrastimata)
Pulsazione ω
k/m
2,22×1013rad/s
—
Numero d’onda ν~
ω/2πc
118cm−1
190cm−1 ✗
Quanto ℏω
—
0,0146eV
—
Stati n
De/ℏω
≈180
110 ✗
Tvib
ℏω/kB
170K
290K ✗
La profondità della buca (De=2,64eV) è realistica per una molecola
biatomica stabile (confronta H₂: De≈4,5eV; molecole a legame debole
scendono sotto l’eV). Il modello, pur semplificato, restituisce la scala corretta.
La frequenza vibrazionale bassa (118cm−1, regione del lontano infrarosso)
denota una molecola “molle” (legame debole o massa ridotta grande): il quanto è piccolo, molti
stati vibrazionali entrano nella buca.
Il numero elevato di stati (n≈180) giustifica a posteriori l’approssimazione
armonica: con così tanti livelli, la spaziatura ℏω è ben più piccola di De
e i livelli bassi sentono poco l’anarmonicità.
Il congelamento a 170K collocca questa molecola in un regime intermedio:
a temperatura ambiente vibra, in nitrogeno liquido no. È il comportamento tipico di molecole
con ν~ nel lontano IR; per HCl (ν~≈2990cm−1) il
congelamento avviene già a diverse migliaia di K.
💡Il bilancio che fa il legame
Tutta la fisica sta in due relazioni semplici: C=AR0/2 fissa il dove del minimo
(condizione di forza nulla), e da quella discendono in cascata De=A/(2R0) (quanto è
profondo) e k=A/R03 (quanto è rigido). Poiché profondità e curvatura hanno la stessa
origine (il bilancio attrazione/repulsione), non sono indipendenti: una buca più profonda è
anche più rigida. Questo legame De↔k è il motivo per cui molecole fortemente
legate (H₂) hanno frequenze vibrazionali alte, e molecole deboli (van der Waals) frequenze basse.
Formule chiave
Potenziale: V(R)=−A/R+C/R2, con A=e2/(4πε0).
Stazionarietà V′(R0)=0 → C=AR0/2=R0e2/(8πε0).
Profondità buca: De=∣V(R0)∣=A/(2R0).
Curvatura: k=V′′(R0)=A/R03 (segno + → minimo).
Frequenza: ω=k/m, ν~=ω/(2πc).
Numero di stati (armonica): n≈De/ℏω.
Congelamento: Tvib=ℏω/kB; per T≪Tvib il modo non
contribuisce a CV.
💡Collegamenti alla teoria
Oscillatore armonico, approssimazione armonica del pozzo e spettri roto-vibrazionali:
dinamica nucleare.
Sviluppo perturbativo dei termini anarmonici (correzioni ai livelli equispaziati):
perturbazioni.