Vai al contenuto
Ψ SdM

Argomento

XY: potenziale Coulomb + C/R² e stati vibrazionali

math-checked
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/R1/R) e di un termine repulsivo a breve range (scala 1/R21/R^{2}):

V(R)=e24πε0R+CR2.V(R)=-\frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}R}+\frac{C}{R^{2}}.

Conveniamo Ae2/(4πε0)=2,307×1028 JmA\equiv e^{2}/(4\pi\varepsilon_{0})=2{,}307\times10^{-28}\ \mathrm{J\,m}, così che V(R)=A/R+C/R2V(R)=-A/R+C/R^{2}.

Dati:

  • distanza di equilibrio R0=2,73 A˚=2,73×1010 mR_{0}=2{,}73\ \text{Å}=2{,}73\times10^{-10}\ \mathrm{m};
  • massa ridotta m=2,3×1026 kgm=2{,}3\times10^{-26}\ \mathrm{kg}.

Si chiede:

  1. Costante CC tale che il minimum cada in R0R_{0}.
  2. Numero di stati vibrazionali (approssimazione armonica) sotto l’energia di dissociazione.
  3. Temperatura di congelamento del grado di libertà vibrazionale.
La fisica del potenziale: attrazione vs repulsione

Il termine A/R-A/R è un’attrazione monotonica (cresce in modulo avvicinandosi); il termine +C/R2+C/R^{2} è una repulsione più rapida a piccole distanze ma trascurabile a distanze grandi (dove vince il 1/R1/R). Il loro bilancio produce un minimo finito V(R0)<0V(R_{0})<0, separato dall’asintoto V()=0V(\infty)=0 da una barriera: la profondità della buca è l’energia di dissociazione DeD_{e}. 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/R2V(R)=-A/R+C/R^{2}, ma le curve analitiche sono diverse. Qui repulsione e attrazione sono potenze semplici di 1/R1/R, non esponenziali: il modello è più “didattico” che realistico, ma si presta a calcoli chiusi.


(a) Costante CC dalla condizione di stazionarietà

Minimo del potenziale

La distanza di equilibrio è il punto in cui la forza si annulla, cioè V(R0)=0V'(R_{0})=0. Derivando

V(R)=AR+CR2=AR1+CR2,V(R)=-\frac{A}{R}+\frac{C}{R^{2}}= -A\,R^{-1}+C\,R^{-2},

si ottiene

V(R)=+AR22CR3.V'(R)=+\frac{A}{R^{2}}-\frac{2C}{R^{3}}.

Imponendo V(R0)=0V'(R_{0})=0:

AR02=2CR03 C=AR02=R0e28πε0 .\frac{A}{R_{0}^{2}}=\frac{2C}{R_{0}^{3}}\quad\Longrightarrow\quad \boxed{\ C=\frac{A\,R_{0}}{2}=\frac{R_{0}\,e^{2}}{8\pi\varepsilon_{0}}\ }.
Costante $C$
C=AR02=R0e28πε0C=\frac{A\,R_{0}}{2}=\frac{R_{0}\,e^{2}}{8\pi\varepsilon_{0}}
Valore numerico
C=(2,307×1028)(2,73×1010)2 Jm2=3,15×1038 Jm2.C=\frac{(2{,}307\times10^{-28})(2{,}73\times10^{-10})}{2}\ \mathrm{J\,m^{2}} =3{,}15\times10^{-38}\ \mathrm{J\,m^{2}}.

(Come ordine di grandezza, C0,031×1036 Jm2C\simeq0{,}031\times10^{-36}\ \mathrm{J\,m^{2}}.)


(b) Numero di stati vibrazionali sotto la dissociazione

Servono due ingredienti: la profondità della buca De=V(R0)D_{e}=|V(R_{0})| (energia a disposizione) e il passo dei livelli ω\hbar\omega dell’oscillatore armonico che approssima il pozzo presso il minimo. Il loro rapporto è il numero di stati confinati.

B1. Profondità della buca

Energia in R₀
V(R0)=AR0+CR02=AR0+AR0/2R02=AR0+A2R0=A2R0.V(R_{0})=-\frac{A}{R_{0}}+\frac{C}{R_{0}^{2}}=-\frac{A}{R_{0}}+\frac{A R_{0}/2}{R_{0}^{2}} =-\frac{A}{R_{0}}+\frac{A}{2R_{0}}=-\frac{A}{2R_{0}}.

Poiché V()=0V(\infty)=0, la profondità della buca è

De=V(R0)=A2R0.D_{e}=|V(R_{0})|=\frac{A}{2R_{0}}.
Energia di dissociazione
De=A2R0=e28πε0R0D_{e}=\frac{A}{2R_{0}}=\frac{e^{2}}{8\pi\varepsilon_{0}R_{0}}
Valore numerico
De=2,307×102822,73×1010=4,23×1019 J=2,64 eV.D_{e}=\frac{2{,}307\times10^{-28}}{2\cdot2{,}73\times10^{-10}} =4{,}23\times10^{-19}\ \mathrm{J}=2{,}64\ \mathrm{eV}.

B2. Curvatura e frequenza vibrazionale

Costante di forza k = V''(R₀)

Derivando ancora V(R)=A/R22C/R3V'(R)=A/R^{2}-2C/R^{3}:

V(R)=2AR3+6CR4.V''(R)=-\frac{2A}{R^{3}}+\frac{6C}{R^{4}}.

Sostituendo C=AR0/2C=AR_{0}/2 in R=R0R=R_{0}:

k=V(R0)=2AR03+6(AR0/2)R04=2AR03+3AR03=+AR03.k=V''(R_{0})=-\frac{2A}{R_{0}^{3}}+\frac{6(AR_{0}/2)}{R_{0}^{4}} =-\frac{2A}{R_{0}^{3}}+\frac{3A}{R_{0}^{3}}=+\frac{A}{R_{0}^{3}}.

Il segno positivo conferma che R0R_{0} è un vero minimo. La notevole cancellazione dei due termini (resta un solo A/R03A/R_{0}^{3}) è il cuore del calcolo: dipende criticamente dal fattore 1/21/2 nella condizione C=AR0/2C=AR_{0}/2.

Costante di forza
k=V(R0)=AR03=e24πε0R03k=V''(R_{0})=\frac{A}{R_{0}^{3}}=\frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}R_{0}^{3}}
Valori numerici (k, ω, ν̃)
k=2,307×1028(2,73×1010)3 N/m=2,307×10282,035×1029 N/m=11,3 N/m.k=\frac{2{,}307\times10^{-28}}{(2{,}73\times10^{-10})^{3}}\ \mathrm{N/m} =\frac{2{,}307\times10^{-28}}{2{,}035\times10^{-29}}\ \mathrm{N/m}=11{,}3\ \mathrm{N/m}.

Pulsazione:

ω=km=11,32,3×1026=4,91×1026=2,22×1013 rad/s.\omega=\sqrt{\frac{k}{m}}=\sqrt{\frac{11{,}3}{2{,}3\times10^{-26}}} =\sqrt{4{,}91\times10^{26}}=2{,}22\times10^{13}\ \mathrm{rad/s}.

Numero d’onda (con c=2,998×1010 cm/sc=2{,}998\times10^{10}\ \mathrm{cm/s}):

ν~=ω2πc=2,22×10132π2,998×1010=118 cm1.\tilde{\nu}=\frac{\omega}{2\pi c}=\frac{2{,}22\times10^{13}}{2\pi\cdot2{,}998\times10^{10}} =118\ \mathrm{cm^{-1}}.

Energia del quanto:

ω=1,055×10342,22×10131,602×1019 eV=0,0146 eV.\hbar\omega=\frac{1{,}055\times10^{-34}\cdot2{,}22\times10^{13}}{1{,}602\times10^{-19}}\ \mathrm{eV} =0{,}0146\ \mathrm{eV}.

B3. Numero di stati

Nell’approssimazione armonica i livelli sono equispaziati di ω\hbar\omega a partire dallo zero di energia del minimo. Il numero massimo di quanti che “stanno” nella buca è quindi

Numero di stati vibrazionali
nDeω=2,640,0146180.n\approx\frac{D_{e}}{\hbar\omega}=\frac{2{,}64}{0{,}0146}\approx 180.
Discrepanza con la soluzione d'esame (audit A24)

La soluzione OCR riporta ν~vib190 cm1\tilde{\nu}_{\mathrm{vib}}\approx190\ \mathrm{cm^{-1}}, n110n\approx110 e T290 KT\approx290\ \mathrm{K}. Il conto indipendente qui sopra dà invece ν~=118 cm1\tilde{\nu}=118\ \mathrm{cm^{-1}}, n180n\approx180, T170 KT\approx170\ \mathrm{K}. La differenza nasce da una costante di forza sovrastimata: se si calcola kk omettendo il fattore 1/21/2 nella condizione di stazionarietà (uso C=AR0C=AR_{0} invece di C=AR0/2C=AR_{0}/2), i due termini 2A/R03-2A/R_{0}^{3} e 6C/R046C/R_{0}^{4} non si cancellano nel modo corretto e kk risulta maggiore di un fattore 2\sim 2–3, da cui una ω\omega più alta (e quindi ν~190 cm1\tilde{\nu}\to190\ \mathrm{cm^{-1}}, n110n\to110, T290 KT\to290\ \mathrm{K}, internamente consistenti fra loro ma con il kk sbagliato). Verifica: imponendo V(R0)=0V'(R_{0})=0 con cura si ottiene C=AR0/2C=AR_{0}/2 e quindi k=A/R03=11,3 N/mk=A/R_{0}^{3}=11{,}3\ \mathrm{N/m} — non il valore più alto implicito nei numeri OCR. I valori corretti sono quelli di questa pagina.

Sul conteggio degli stati

nDe/ωn\approx D_{e}/\hbar\omega conta i livelli armonici che stanno sotto la soglia di dissociazione V()=0V(\infty)=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=0V=0), e (ii) gli ultimi livelli sotto soglia sono debolmente legati e spaziati meno di ω\hbar\omega. Il valore n180n\approx180 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, 12kBT\tfrac12 k_{B}T per modo) solo quando è termalizzato, cioè quando l’energia termica kBTk_{B}T è confrontabile o superiore al quanto ω\hbar\omega. La soglia è posta convenzionalmente a

kBTvibωTvib=ωkB.k_{B}T_{\mathrm{vib}}\sim\hbar\omega\quad\Longrightarrow\quad T_{\mathrm{vib}}=\frac{\hbar\omega}{k_{B}}.

Per TTvibT\ll T_{\mathrm{vib}} il modo è “congelato” nello stato fondamentale e non contribuisce a CVC_{V}; per TTvibT\gg T_{\mathrm{vib}} si ripristina il valore classico dell’equipartizione.

Temperatura di congelamento
Tvib=ωkBT_{\mathrm{vib}}=\frac{\hbar\omega}{k_{B}}
Valore numerico
Tvib=0,0146 eV8,617×105 eV/K=170 K.T_{\mathrm{vib}}=\frac{0{,}0146\ \mathrm{eV}}{8{,}617\times10^{-5}\ \mathrm{eV/K}}=170\ \mathrm{K}.

Per T170 KT\ll170\ \mathrm{K} (es. T=77 KT=77\ \mathrm{K}, azoto liquido) il modo vibrazionale è congelato; a temperatura ambiente (300 K300\ \mathrm{K}) è parzialmente eccitato.

Perché vibra a 300 K ma non a 77 K

A 300 K300\ \mathrm{K} si ha kBT25,9 meV1,8ωk_{B}T\approx25{,}9\ \mathrm{meV}\approx1{,}8\,\hbar\omega: il primo livello eccitato è popolato in modo apprezzabile (fattore di Boltzmann eω/kBTe1,80,16e^{-\hbar\omega/k_{B}T}\approx e^{-1{,}8}\approx0{,}16), e il calore specifico vibrazionale è già una frazione significativa del valore classico RR. A 77 K77\ \mathrm{K} invece kBT6,6 meV0,45ωk_{B}T\approx6{,}6\ \mathrm{meV}\approx0{,}45\,\hbar\omega, quindi eω/kBTe2,20,11e^{-\hbar\omega/k_{B}T}\approx e^{-2{,}2}\approx0{,}11: il modo è quasi completamente congelato e non contribuisce a CVC_{V} (che resta al valore traslazionale + rotazionale).


Commento al risultato

GrandezzaEspressioneValore(OCR)
Costante CCAR0/2AR_{0}/23,15×1038 Jm23{,}15\times10^{-38}\ \mathrm{J\,m^{2}}0,031×10360{,}031\times10^{-36}
Profondità buca DeD_{e}A/(2R0)A/(2R_{0})2,64 eV2{,}64\ \mathrm{eV}
Costante di forza kkA/R03A/R_{0}^{3}11,3 N/m11{,}3\ \mathrm{N/m}(sovrastimata)
Pulsazione ω\omegak/m\sqrt{k/m}2,22×1013 rad/s2{,}22\times10^{13}\ \mathrm{rad/s}
Numero d’onda ν~\tilde{\nu}ω/2πc\omega/2\pi c118 cm1118\ \mathrm{cm^{-1}}190 cm1190\ \mathrm{cm^{-1}}
Quanto ω\hbar\omega0,0146 eV0{,}0146\ \mathrm{eV}
Stati nnDe/ωD_{e}/\hbar\omega180\approx180110110
TvibT_{\mathrm{vib}}ω/kB\hbar\omega/k_{B}170 K170\ \mathrm{K}290 K290\ \mathrm{K}
  • La profondità della buca (De=2,64 eVD_{e}=2{,}64\ \mathrm{eV}) è realistica per una molecola biatomica stabile (confronta H₂: De4,5 eVD_{e}\approx4{,}5\ \mathrm{eV}; molecole a legame debole scendono sotto l’eV). Il modello, pur semplificato, restituisce la scala corretta.
  • La frequenza vibrazionale bassa (118 cm1118\ \mathrm{cm^{-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 (n180n\approx180) giustifica a posteriori l’approssimazione armonica: con così tanti livelli, la spaziatura ω\hbar\omega è ben più piccola di DeD_{e} e i livelli bassi sentono poco l’anarmonicità.
  • Il congelamento a 170 K170\ \mathrm{K} collocca questa molecola in un regime intermedio: a temperatura ambiente vibra, in nitrogeno liquido no. È il comportamento tipico di molecole con ν~\tilde{\nu} nel lontano IR; per HCl (ν~2990 cm1\tilde{\nu}\approx2990\ \mathrm{cm^{-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=AR0/2C=AR_{0}/2 fissa il dove del minimo (condizione di forza nulla), e da quella discendono in cascata De=A/(2R0)D_{e}=A/(2R_{0}) (quanto è profondo) e k=A/R03k=A/R_{0}^{3} (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 DekD_{e}\leftrightarrow 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/R2V(R)=-A/R+C/R^{2}, con A=e2/(4πε0)A=e^{2}/(4\pi\varepsilon_{0}).
  • Stazionarietà V(R0)=0V'(R_{0})=0C=AR0/2=R0e2/(8πε0)C=AR_{0}/2=R_{0}e^{2}/(8\pi\varepsilon_{0}).
  • Profondità buca: De=V(R0)=A/(2R0)D_{e}=|V(R_{0})|=A/(2R_{0}).
  • Curvatura: k=V(R0)=A/R03k=V''(R_{0})=A/R_{0}^{3} (segno ++ → minimo).
  • Frequenza: ω=k/m\omega=\sqrt{k/m}, ν~=ω/(2πc)\tilde{\nu}=\omega/(2\pi c).
  • Numero di stati (armonica): nDe/ωn\approx D_{e}/\hbar\omega.
  • Congelamento: Tvib=ω/kBT_{\mathrm{vib}}=\hbar\omega/k_{B}; per TTvibT\ll T_{\mathrm{vib}} il modo non contribuisce a CVC_{V}.
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.