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Lezione 05

Vibrazioni: oscillatore armonico, Morse, anarmonicità, accoppiamento rot-vib

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Sorgente: 13 · Vibrazioni (cap. 38–40 dispense, p. 156–164)
aggiornato 2026-06-29

Obiettivo della pagina

Nell’approssimazione di Born-Oppenheimer (cap. 11) l’energia elettronica Es(R)E_s(R) gioca il ruolo di potenziale efficace per il moto dei nuclei. Sviluppando Es(R)E_s(R) in serie di Taylor attorno al minimo R0R_0 si ottengono, via via che si includono termini di ordine superiore, i modelli armonico (ordine 2), Morse (forma funzionale esatta che somma tutti gli ordini in modo controllato) e infine il potenziale efficace rotante che include l’accoppiamento rot-vib.

Questa pagina costruisce in ordine:

  1. lo spettro armonico Ev=ℏω0(v+12)E_v=\hbar\omega_0(v+\tfrac12), con ω0=k/μ\omega_0=\sqrt{k/\mu};
  2. il potenziale di Morse V(R)=De[(1−e−αM(R−R0))2−1]V(R)=D_e[(1-e^{-\alpha_M(R-R_0)})^2-1], i cui livelli si addensano verso il limite di dissociazione e sono in numero finito;
  3. la distinzione DeD_e vs D0D_0 (energia zero-point) e il limite armonico k=2DeαM2k=2D_e\alpha_M^2 che si estrae dallo sviluppo di Taylor del Morse;
  4. la distorsione centrifuga: il potenziale efficace Veff(J)(R)V_{\text{eff}}^{(J)}(R) ammette un nuovo minimo R1(J)≠R0R_1(J)\neq R_0 e produce i termini di correzione −Drothc[J(J+1)]2-D_{\text{rot}}hc[J(J+1)]^2 nello spettro rotazionale e di accoppiamento αe(v+12)J(J+1)\alpha_e(v+\tfrac12)J(J+1) in quello rot-vib;
  5. una sintesi dell’accoppiamento rot-vib (formula fenomenologica alla Teller) e i suoi effetti sullo spettro: il ramo R si addensa e il ramo P si allontana.

Il lettore che volesse solo i risultati finali può saltare direttamente alla sezione ## Formule chiave in fondo.

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.

Oscillatore armonico: derivazione di EvE_v

Setup: nucleo ridotto nel potenziale elettronico

Nell’ipotesi di rotatore rigido (vedi cap. 12) possiamo sostituire R−2→R0−2R^{-2}\to R_0^{-2} nella parte rotazionale dell’Hamiltoniana e studiare la parte vibrazionale come il problema di una particella di massa ridotta μ\mu nel potenziale efficace elettronico Es(R)E_s(R) — il potenziale efficace BO del cap. 11 (include la repulsione nucleo–nucleo). Per stati molecolari stabili questo potenziale ha un minimo alla distanza di legame R0R_0: sviluppiamo in Taylor.

Sviluppo armonico del potenziale elettronico
Es(R)  ≈  Es(R0)  +  12 k (R−R0)2,k  :=  d2EsdR2∣R=R0.E_s(R)\;\approx\;E_s(R_0)\;+\;\tfrac12\,k\,(R-R_0)^2, \qquad k\;:=\;\left.\frac{d^2 E_s}{dR^2}\right|_{R=R_0}.

Il termine lineare è assente per definizione di minimo. Trascurando i termini (R−R0)3(R-R_0)^3 e superiori si ottiene il modello armonico.

L’Hamiltoniana vibrazionale si riduce così a quella dell’oscillatore armonico unidimensionale,

H^vib=−ℏ22μd2dR2+12 k (R−R0)2,\hat H_{\text{vib}}=-\frac{\hbar^2}{2\mu}\frac{d^2}{dR^2}+\tfrac12\,k\,(R-R_0)^2,

il cui spettro è un risultato standard della meccanica quantistica.

Autovalori dell'oscillatore armonico (richiamo)

Definendo la pulsazione ω0=k/μ\omega_0=\sqrt{k/\mu} e introducendo gli operatori di creazione/distruzione

a=μω02ℏ (R−R0)+i2μℏω0 p^,[a,a†]=1,a=\sqrt{\frac{\mu\omega_0}{2\hbar}}\,(R-R_0)+\frac{i}{\sqrt{2\mu\hbar\omega_0}}\,\hat p, \qquad [a,a^\dagger]=1,

si riscrive H^vib=ℏω0(N+12)\hat H_{\text{vib}}=\hbar\omega_0(N+\tfrac12) con N=a†aN=a^\dagger a e autovalori n=0,1,2,…n=0,1,2,\ldots Da cui:

  Ev=ℏω0 ⁣(v+12),v=0,1,2,…  \boxed{\;E_v=\hbar\omega_0\!\left(v+\tfrac12\right),\qquad v=0,1,2,\ldots\;}

Gli stati ∣v⟩|v\rangle si costruiscono come ∣v⟩=(v!)−1/2(a†)v∣0⟩|v\rangle=(v!)^{-1/2}(a^\dagger)^v|0\rangle.

Livelli vibrazionali armonici
Ev=ℏω0 ⁣(v+12),ω0=kμ,v=0,1,2,…E_v=\hbar\omega_0\!\left(v+\tfrac12\right),\qquad \omega_0=\sqrt{\frac{k}{\mu}},\qquad v=0,1,2,\ldots

In numero d’onda (unità spettroscopiche): ν~0=ω0/(2πc)\tilde\nu_0=\omega_0/(2\pi c), tipicamente 500500–4000 cm−14000\ \text{cm}^{-1} (regione IR medio).

Notazione: numero quantico $v$, frequenza $\nu$, pulsazione $\omega$ (audit A11, A12)
  • vv (v latina) = numero quantico vibrazionale, v=0,1,2,…v=0,1,2,\ldots
  • ν\nu (nu greca) = frequenza, in Hz (raramente usata in spettroscopia molecolare).
  • ω\omega = pulsazione, in rad/s; ω0=k/μ\omega_0=\sqrt{k/\mu}. Negli spettri IR si usa quasi sempre il numero d’onda ν~0=ω0/(2πc)\tilde\nu_0=\omega_0/(2\pi c).
  • Il parametro di forma del Morse è qui αM\alpha_M (NON α\alpha, che è la costante di struttura fine).

Conseguenze spettroscopiche dell’armonico

Armonico: una sola riga (no hot bands)

Nell’oscillatore armonico le transizioni v→v+1v\to v+1 hanno tutte la stessa energia:

ΔE=Ev+1−Ev=ℏω0(indipendente da v).\Delta E=E_{v+1}-E_v=\hbar\omega_0\quad\text{(indipendente da }v\text{)}.

Lo spettro vibrazionale puro avrebbe dunque una sola riga. Le hot bands (bande calde, transizioni v≥1→v+1v\ge1\to v+1 a frequenza leggermente diversa) nascono dall’anarmonicità: il Morse le rende possibili. La regola di selezione Δv=±1\Delta v=\pm1 deriva dall’elemento di matrice ⟨v+1∣R−R0∣v⟩∝v+1\langle v+1|R-R_0|v\rangle\propto\sqrt{v+1}.

Regola di selezione $\Delta v=\pm1$ — perché

Perché la transizione sia IR-attiva la molecola deve avere momento di dipolo dipendente da RR. Sviluppando D(R)≈D(R0)+(dD/dR)R0(R−R0)\mathbf{D}(R)\approx\mathbf{D}(R_0)+(d\mathbf{D}/dR)_{R_0}(R-R_0), il primo termine non contribuisce a transizioni (è una costante); il secondo, (R−R0)∝a+a†(R-R_0)\propto a+a^\dagger, seleziona Δv=±1\Delta v=\pm1. Per molecole omonucleari omopolari (H₂, N₂, O₂) dD/dR=0d\mathbf{D}/dR=0: non assorbono in IR (sono IR-inattive). Sono invece attive in Raman (cap. 14).

Potenziale di Morse

L’oscillatore armonico predice (i) infiniti livelli equispaziati e (ii) nessuna dissociazione: entrambe le caratteristiche sono non fisiche. Una parametrizzazione empirica che cattura il giusto comportamento asintotico (V→V(∞)V\to V(\infty) da sotto) e un minimo profondo fu proposta da P. M. Morse nel 1929.

Potenziale di Morse
  VM(R)=VM(∞)+De ⁣[(1−e−αM(R−R0))2−1]  \boxed{\;V_M(R)=V_M(\infty)+D_e\!\left[\bigl(1-e^{-\alpha_M(R-R_0)}\bigr)^2-1\right]\;}

Tre parametri positivi: DeD_e (profondità della buca dal minimo), R0R_0 (posizione del minimo), αM\alpha_M (larghezza della buca). Il potenziale ha:

  • minimo VM(R0)=VM(∞)−DeV_M(R_0)=V_M(\infty)-D_e;
  • asintoto VM(R→∞)=VM(∞)V_M(R\to\infty)=V_M(\infty) (limite di dissociazione);
  • divergenza esponenziale per R→0R\to0 (in realtà il Morse resta finito, una imprecisione priva di conseguenze sugli autovalori).
Limiti del Morse come forma funzionale

Il Morse non è la vera curva Es(R)E_s(R): il vero potenziale diverge per R→0R\to0 (coulombiana repulsiva nuclei-nuclei) e decade come R−6R^{-6} per R→∞R\to\infty (interazione di Van der Waals tra dipoli indotti), mentre il Morse è finito in R=0R=0 e decade esponenzialmente. Tuttavia l’equazione di Schrödinger per il Morse è risolubile analiticamente e gli autovalori sono in ottimo accordo con l’esperimento. Per calcoli ab initio di precisione si usano potenziali di Rydberg-Klein-Rees (RKR) o potenziali “extended Morse oscillator” (EMO); per gli esami il Morse standard basta.

Autovalori esatti del Morse

La risolubilità del Morse (tramite variabile y=e−αM(R−R0)y=e^{-\alpha_M(R-R_0)} e condizioni di quantizzazione) porta a uno spettro analiticamente chiuso.

Livelli del Morse (formula esatta)
  Ev=ℏω0 ⁣[(v+12)−β ⁣(v+12)2],β=ℏω04De,v=0,1,…,vmax⁡.  \boxed{\; E_v=\hbar\omega_0\!\left[\left(v+\tfrac12\right)-\beta\!\left(v+\tfrac12\right)^2\right], \qquad \beta=\frac{\hbar\omega_0}{4D_e}, \qquad v=0,1,\ldots,v_{\max}. \;}

Il termine anarmonico ∝−β(v+12)2\propto -\beta(v+\tfrac12)^2 è responsabile di tutte le deviazioni dall’armonico: (i) livelli che si addensano verso il limite di dissociazione, (ii) un numero finito di stati legati.

Numero finito di livelli e addensamento

L’energia EvE_v è una quadratica concava in x:=v+12x:=v+\tfrac12. Il limite di dissociazione Ev=0E_v=0 (riferito al minimo) si raggiunge per

(vmax⁡+12)=1β=4Deℏω0,vmax⁡≈4Deℏω0−12.(v_{\max}+\tfrac12)=\frac{1}{\beta}=\frac{4D_e}{\hbar\omega_0}, \qquad v_{\max}\approx\frac{4D_e}{\hbar\omega_0}-\tfrac12.

Numericamente vmax⁡∼20v_{\max}\sim 20–150150 per molecole biatomiche comuni. La separazione tra livelli decresce linearmente con vv:

Ev+1−Ev=ℏω0 ⁣[1−2β(v+1)],E_{v+1}-E_v=\hbar\omega_0\!\left[1-2\beta(v+1)\right],

che si annulla per v=vmax⁡−1v=v_{\max}-1 (il livello più alto è quasi degenerare con il continuo). Questo addensamento è la firma spettroscopica dell’anarmonicità.

Derivazione perturbativa del termine −β(v+12)2-\beta(v+\tfrac12)^2

Perché il termine anarmonico è in $(v+\tfrac12)^2$ e non lineare

Sviluppando il Morse in serie attorno a R0R_0 (vedi prossima sezione), il primo termine correttivo è il cubo ∝(R−R0)3\propto (R-R_0)^3. Trattandolo con la teoria delle perturbazioni al secondo ordine (il primo ordine è nullo per parità: il cubo è dispari e ⟨v∣(R−R0)3∣v⟩=0\langle v|(R-R_0)^3|v\rangle=0), gli elementi di matrice non nulli collegano ∣v⟩|v\rangle con ∣v±1⟩|v\pm1\rangle e ∣v±3⟩|v\pm3\rangle. La somma sugli stati intermedi produce una correzione proporzionale a (v+12)2(v+\tfrac12)^2, come mostra la dispensa (pagine 159–161). Il risultato è β=ℏω0/(4De)\beta=\hbar\omega_0/(4D_e), coerente con la soluzione esatta del Morse.

$\beta$ piccolo, non trascurabile

Per molecole tipiche β∼10−2\beta\sim10^{-2}–10−310^{-3}: ogni livello è leggermente abbassato rispetto all’armonico, ma cumulativamente (su vmax⁡∼1/βv_{\max}\sim 1/\beta livelli) l’effetto è grande: è ciò che fissa il limite di dissociazione. Nei conti perturbativi non puoi arrestarti al primo ordine: l’anarmonicità è una correzione del secondo ordine.

Limite armonico: derivazione di k=2DeαM2k=2D_e\alpha_M^2

Il Morse contiene l’armonico come caso limite per piccole oscillazioni. Lo si vede sviluppando VM(R)V_M(R) in serie di Taylor attorno a R0R_0.

Sviluppo del Morse e identificazione di $k$

Calcoliamo le derivate successive di VM(R)=VM(∞)+De[(1−e−αM(R−R0))2−1]V_M(R)=V_M(\infty)+D_e[(1-e^{-\alpha_M(R-R_0)})^2-1] in R=R0R=R_0. Posto ξ:=R−R0\xi:=R-R_0 e y:=e−αMξy:=e^{-\alpha_M\xi} (per cui y=1y=1 in ξ=0\xi=0):

dVMdR=2De αM y (1−y),d2VMdR2=2De αM2 (2y2−y).\frac{dV_M}{dR}=2D_e\,\alpha_M\,y\,(1-y), \qquad \frac{d^2 V_M}{dR^2}=2D_e\,\alpha_M^2\,(2y^2-y).

In R=R0R=R_0 (cioè y=1y=1):

dVMdR∣R0=0    (minimo),d2VMdR2∣R0=2DeαM2.\left.\frac{dV_M}{dR}\right|_{R_0}=0\;\;\text{(minimo)}, \qquad \left.\frac{d^2 V_M}{dR^2}\right|_{R_0}=2D_e\alpha_M^2.

Identificando con la forma armonica 12k(R−R0)2\tfrac12 k(R-R_0)^2:

  k=d2VMdR2∣R0=2De αM2.  \boxed{\;k=\left.\frac{d^2 V_M}{dR^2}\right|_{R_0}=2D_e\,\alpha_M^2.\;}

La derivata terza vale d3VM/dR3∣R0=−6DeαM3\left.d^3 V_M/dR^3\right|_{R_0}=-6D_e\alpha_M^3, per cui lo sviluppo completo è

VM(R)=VM(∞)−De+DeαM2ξ2−DeαM3ξ3+…V_M(R)=V_M(\infty)-D_e+D_e\alpha_M^2\xi^2-D_e\alpha_M^3\xi^3+\ldots

Il termine cubic ∝ξ3\propto\xi^3 (coefficiente Ban=−DeαM3B_{\text{an}}=-D_e\alpha_M^3) è quello trattato perturbativamente nella sezione precedente.

Estrazione di $\alpha_M$ dal pettine IR (HCl)

Per HCl si misura ν~0≈2990 cm−1\tilde\nu_0\approx2990\ \text{cm}^{-1} (centro della banda fondamentale v=0→1v=0\to1) e D0≈4,43 eVD_0\approx4{,}43\ \text{eV} (energia di dissociazione). Conoscendo De=D0+12ℏω0D_e=D_0+\tfrac12\hbar\omega_0 (vedi sotto), si ricava De≈4,61 eVD_e\approx4{,}61\ \text{eV}. Inoltre ω0=2πc ν~0\omega_0=2\pi c\,\tilde\nu_0 da cui k=μω02≈480 N/mk=\mu\omega_0^2\approx480\ \text{N/m}. Infine αM=k/(2De)≈1,85 A˚−1\alpha_M=\sqrt{k/(2D_e)}\approx1{,}85\ \text{\AA}^{-1}, valore tipico per un legame covalente. È questo il senso in cui dal pettine IR si estrae αM\alpha_M.

Tre parametri ($D_e$, $R_0$, $\alpha_M$) e tre osservabili

I tre parametri del Morse si estraggono da:

  • ω0\omega_0 (spettro IR, centro della banda) ⇒k⇒αM\Rightarrow k\Rightarrow\alpha_M una volta noto DeD_e;
  • D0D_0 (termodinamica, calorimetria, soglia di dissociazione) ⇒De\Rightarrow D_e via De=D0+12ℏω0D_e=D_0+\tfrac12\hbar\omega_0;
  • R0R_0 (spettro rotazionale puro, valore di B=ℏ/(4πcI)B=\hbar/(4\pi c I)). Il Morse è così un modello fenomenologico a tre parametri, connesso a tre osservabili indipendenti.

DeD_e vs D0D_0 — energia zero-point

$D_e$ (profondità buca) vs $D_0$ (energia di dissociazione misurata)
De=VM(∞)−VM(R0)=profonditaˋ del pozo dal minimo,D_e=V_M(\infty)-V_M(R_0)=\text{profondità del pozo dal minimo},  D0=De−12ℏω0  (energia necessaria a dissociare dal livello v=0).\boxed{\;D_0=D_e-\tfrac12\hbar\omega_0\;} \qquad\text{(energia necessaria a dissociare dal livello $v=0$).}

DeD_e si ottiene da un modello (Morse, calcolo ab initio); D0D_0 è la grandezza misurata (calorimetrica, spettroscopica di soglia). La differenza è l’energia zero-point del livello fondamentale v=0v=0.

Confondere $D_e$ con $D_0$

Errore classico: usare D0D_0 nella formula di Morse per vmax⁡v_{\max} (con 4De/ℏω04D_e/\hbar\omega_0). È errato: in vmax⁡v_{\max} entra DeD_e, non D0D_0. Attenzione anche alla notazione: DD (costante di distorsione centrifuga, ∼10−4 cm−1\sim 10^{-4}\ \text{cm}^{-1}) è una quantità completamente diversa da DeD_e e D0D_0 (energie, eV o cm⁻¹).

Effetto isotopico su $D_0$ (HCl vs DCl)

Sostituendo H con D, la massa ridotta passa da μHCl≈0,97\mu_{\text{HCl}}\approx0{,}97 u a μDCl≈1,89\mu_{\text{DCl}}\approx1{,}89 u (circo raddoppia). Di conseguenza ω0∝μ−1/2\omega_0\propto\mu^{-1/2} si riduce di un fattore ∼1,41\sim1{,}41 e l’energia zero-point 12ℏω0\tfrac12\hbar\omega_0 diminuisce. Poiché DeD_e è una proprietà del potenziale elettronico (invariante per sostituzione isotopica, per il teorema di Born-Oppenheimer), il D0D_0 di DCl è maggiore di quello di HCl: D0(DCl)>D0(HCl)D_0^{\text{(DCl)}}>D_0^{\text{(HCl)}}. La molecola deuterata è leggermente più stabile. Questo è alla base degli effetti isotopici cinetici (i legami X–H si rompono più facilmente dei legami X–D).

Distorsione centrifuga e potenziale efficace

In realtà la molecola biatomica ruota mentre vibra: il rotatore rigido è un’approssimazione. Includendo il momento angolare rotazionale JJ, il potenziale efficace sentito dal grado di libertà vibrazionale non è più VM(R)V_M(R) ma un potenziale modificato dalla barriera centrifuga.

Potenziale efficace per la molecola rotante
  Veff(J)(R)=VM(R)+ℏ2 J(J+1)2μR2.  \boxed{\; V_{\text{eff}}^{(J)}(R)=V_M(R)+\frac{\hbar^2\,J(J+1)}{2\mu R^2}. \;}

Il secondo termine (energia rotazionale “rigida” alla distanza RR) fa da barriera repulsiva ∝1/R2\propto 1/R^2 a piccole RR e decade a grandi RR.

Distorsione centrifuga e potenziale efficace

La curva tratteggiata (verde) è il potenziale Morse V(R) originale; quella continua (blu) è il potenziale efficace Vₑ₉₉(R) = V(R) + ℏ²J(J+1)/(2μR²). All'aumentare di J il termine centrifugo spinge il nuovo minimo R₁ a valori maggiori di R₀, riducendo B(J) ∝ 1/R₁² e la frequenza vibrazionale ω(J). Questo spiega perché le righe del ramo R si addensano a J crescente.

Intuizione: la palla sulla fune elastica

Immagina una palla che ruota legata a una fune elastica. Aumentando la velocità angolare (cioè JJ), la forza centrifuga allunga la fune: il nuovo equilibrio è a un raggio maggiore di quello di riposo. Analogamente, nella molecola rotante il termine ∝J(J+1)/R2\propto J(J+1)/R^2 spinge il sistema verso RR maggiori, fino a che la ripulsa elastica del Morse non bilancia la spinta centrifuga. Il nuovo minimo R1(J)R_1(J) cresce con JJ; per JJ critico la barriera sparisce e la molecola dissocia rotazionalmente (limite di centrifugal stretch).

Derivazione di R1(J)R_1(J)

Nuovo minimo $R_1\neq R_0$ in approssimazione armonica

Per correzione centrifuga piccola (R1R_1 vicino a R0R_0) sostituiamo al Morse la sua approssimazione armonica VM(R)≈VM(R0)+DeαM2(R−R0)2V_M(R)\approx V_M(R_0)+D_e\alpha_M^2(R-R_0)^2. Cerchiamo il minimo di Veff(J)V_{\text{eff}}^{(J)}:

dVeffdR=2DeαM2(R−R0)−ℏ2μJ(J+1)R3=0.\frac{dV_{\text{eff}}}{dR}=2D_e\alpha_M^2(R-R_0)-\frac{\hbar^2}{\mu}\frac{J(J+1)}{R^3}=0.

Sviluppando R−3=(R0+x)−3≈R0−3(1−3x/R0)R^{-3}=(R_0+x)^{-3}\approx R_0^{-3}(1-3x/R_0) con x:=R−R0x:=R-R_0 e risolvendo al primo ordine in xx:

  R1(J)≈R0+ℏ22μJ(J+1)DeαM2R03.  \boxed{\; R_1(J)\approx R_0+\frac{\hbar^2}{2\mu}\frac{J(J+1)}{D_e\alpha_M^2 R_0^3}. \;}

Il secondo termine è positivo: R1(J)>R0R_1(J)>R_0, e cresce linearmente con J(J+1)J(J+1).

Limite di validità e dissociazione rotazionale

La formula sopra vale per JJ piccolo (correzione centrifuga ≪\ll termine elastico). Per JJ sufficientemente grande il termine ∝J(J+1)/R2\propto J(J+1)/R^2 supera la ripulsa del Morse, il minimo sparisce e la molecola dissocia (“predissociazione rotazionale”). Stima dell’ordine di grandezza del JJ critico: Jc∼2μDeR0/ℏJ_c\sim\sqrt{2\mu D_e}R_0/\hbar, tipicamente Jc∼50J_c\sim 50–200200.

Conseguenze su BB e ω\omega

Il fatto che R1(J)>R0R_1(J)>R_0 modifica sia la frequenza vibrazionale che la costante rotazionale. Le dispense (pag. 162–163) derivano per espansione al primo ordine:

Correzioni a $\omega$ e $B$ per distorsione centrifuga

Pulsazione vibrazionale (cresce debolmente con JJ, perché il pozo si restringe):

ω(J)≈ω0 ⁣[1+3ℏ2J(J+1)2μDeαM2R14]  >  ω0.\omega(J)\approx\omega_0\!\left[1+\frac{3\hbar^2 J(J+1)}{2\mu D_e\alpha_M^2 R_1^4}\right] \;>\;\omega_0.

Costante rotazionale (decresce con JJ, perché R1R_1 cresce):

Erot(J)=hc ⁣[B J(J+1)−Drot J2(J+1)2],Drot=ℏ44μ2DeαM2R06 hc≪B.E_{\text{rot}}(J)=hc\!\left[B\,J(J+1)-D_{\text{rot}}\,J^2(J+1)^2\right], \qquad D_{\text{rot}}=\frac{\hbar^4}{4\mu^2 D_e\alpha_M^2 R_0^6\,hc}\ll B.

La costante di distorsione DrotD_{\text{rot}} (in cm⁻¹) è tipicamente 10−410^{-4}–10−310^{-3} volte BB ma è ben visibile nello spettro ad alto JJ.

Due $D$ che si chiamano uguali
  • DeD_e, D0D_0 = energie di dissociazione (eV o cm⁻¹).
  • DrotD_{\text{rot}} (o semplicemente DD nello spettro rotazionale) = costante di distorsione centrifuga, ha dimensioni di cm⁻¹ ma è un numero piccolissimo. Non confondere: il contesto disambigua. Qui scriviamo DrotD_{\text{rot}} per evitare fraintendimenti.

Accoppiamento rot-vib (formula di Teller)

La distorsione centrifuga ha un’ulteriore conseguenza, cruciale per l’analisi degli spettri rotovibrazionali: poiché R1R_1 dipende sia da JJ che da vv (l’oscillazione anisotropa del Morse sposta in media il sistema a RR maggiori per vv alto), le costanti BB e ω\omega dipendono dal livello vibrazionale.

Costanti rotazionali e vibrazionali dipendenti da $v$ (schema di Teller)

Convenzione spettroscopica fenomenologica (Teller, anni ‘30):

Bv=Be−αe ⁣(v+12),ωv=ωe−2ωexe ⁣(v+12),B_v=B_e-\alpha_e\!\left(v+\tfrac12\right), \qquad \omega_v=\omega_e-2\omega_e x_e\!\left(v+\tfrac12\right),

dove BeB_e, ωe\omega_e sono i valori al minimo (limite v=−12v=-\tfrac12) e αe\alpha_e, ωexe\omega_e x_e sono costanti di accoppiamento (tipicamente αe∼10−2Be\alpha_e\sim 10^{-2}B_e, ωexe=βωe/2\omega_e x_e=\beta\omega_e/2). Il termine αe\alpha_e è la costante di accoppiamento rot-vib: misura quanto BB cambia passando da v=0v=0 a v=1v=1.

Approssimazione di Teller: ordine di grandezza

Una formula empirica dovuta a Teller e Pekeris lega αe\alpha_e alle costanti del Morse:

αe  ≈  6Be2ℏω0 ⁣[De ℏω02Be−1].\alpha_e\;\approx\;\frac{6B_e^2}{\hbar\omega_0}\!\left[\sqrt{\frac{D_e\,\hbar\omega_0}{2B_e}}-1\right].

Per HCl: Be≈10,6 cm−1B_e\approx10{,}6\ \text{cm}^{-1}, ℏω0≈2990 cm−1\hbar\omega_0\approx2990\ \text{cm}^{-1}, De≈37,200 cm−1D_e\approx37{,}200\ \text{cm}^{-1} danno αe≈0,3 cm−1\alpha_e\approx0{,}3\ \text{cm}^{-1} (valore sperimentale: 0,307 cm−10{,}307\ \text{cm}^{-1}). Ottimo accordo per un modello a tre parametri.

Conseguenze spettroscopiche: rami P/R asimmetrici

Inserendo BvB_v nella formula delle righe rotovibrazionali (cap. 14 per i dettagli), si ottengono per le posizioni delle righe:

ν~R(J)=ν~0+(Bv′+Bv′′)(J+1)+(Bv′−Bv′′)(J+1)2,\tilde\nu_R(J)=\tilde\nu_0+(B_{v'}+B_{v''})(J+1)+(B_{v'}-B_{v''})(J+1)^2, ν~P(J)=ν~0−(Bv′+Bv′′)J+(Bv′−Bv′′)J2,\tilde\nu_P(J)=\tilde\nu_0-(B_{v'}+B_{v''})J+(B_{v'}-B_{v''})J^2,

con Bv′<Bv′′B_{v'}<B_{v''} (perché v′>v′′v'>v'' e αe>0\alpha_e>0). Il termine quadratico (Bv′−Bv′′)J2(B_{v'}-B_{v''})J^2 è negativo in entrambi i rami.

Il ramo R si addensa, il ramo P si allontana (e poi torna)

Poiché Bv′−Bv′′<0B_{v'}-B_{v''}<0:

  • Ramo R: le righe successive sono meno spaziate del valore 2B2B armonico; si addensano a JJ crescente, fino a formare una testa di banda (band head) oltre la quale le righe tornano indietro in frequenza.
  • Ramo P: le righe sono più spaziate del valore armonico; si allontanano. Questa asimmetria è la firma diretta dell’accoppiamento rot-vib e permette di misurare αe\alpha_e (e quindi vincolare DeD_e e αM\alpha_M).
HCl: dalla testa di banda alla costante di Morse

La banda rotovibrazionale fondamentale di HCl mostra una testa di banda nel ramo R attorno a J≈4J\approx4–66. Dalla posizione della testa si ricava αe≈0,31 cm−1\alpha_e\approx0{,}31\ \text{cm}^{-1}, e da questa (via Teller-Pekeris) DeD_e e la forma del Morse. L’analisi completa (cap. 14) include anche la separazione isotopica tra H35^{35}Cl e H37^{37}Cl, visibile come doppio pettine nello spettro ad alta risoluzione.

Perché $B_{v'}<B_{v''}$ — intuizione

Il Morse è asimmetrico: per vv alto il sistema esplora più spesso la parte larga del pozo (a R>R0R>R_0, dove il Morse è più piatto). Il valor medio ⟨R⟩v\langle R\rangle_v cresce con vv, e quindi Bv∝⟨R−2⟩vB_v\propto\langle R^{-2}\rangle_v decresce. Questo è l’anarmonicità del Morse che si manifesta come variazione di BB tra livelli vibrazionali.

Collocazione nel corso

Link a sotto-pagine correlate
  • Per lo spettro rotovib completo con rami P/Q/R, intensità di Boltzmann, effetti isotopici HCl/DCl e Raman: cap. 14 — spettro rotovib.
  • Per i modi normali delle poliatomiche (3N−5 / 3N−6, H₂O, CO₂, regola della mutua esclusione): cap. 15 — modi normali.
  • Per il Born-Oppenheimer (gerarchia di energie elettronica ≫\gg vibrazionale ≫\gg rotazionale, da cui discende la separazione): cap. 11.
  • Per la rotazione pura (rotatore rigido, costante BB, spettro microonde): cap. 12.

Formule chiave

  • Oscillatore armonico — energia vibrazionale: Ev=ℏω0 ⁣(v+12),ω0=k/μ,v=0,1,2,…\displaystyle E_v=\hbar\omega_0\!\left(v+\tfrac12\right),\qquad \omega_0=\sqrt{k/\mu},\qquad v=0,1,2,\ldots

  • Potenziale di Morse: VM(R)=VM(∞)+De ⁣[(1−e−αM(R−R0))2−1].\displaystyle V_M(R)=V_M(\infty)+D_e\!\left[\bigl(1-e^{-\alpha_M(R-R_0)}\bigr)^2-1\right].

  • Livelli del Morse (numero finito, addensamento): Ev=ℏω0 ⁣[(v+12)−β(v+12)2],β=ℏω04De.\displaystyle E_v=\hbar\omega_0\!\left[\bigl(v+\tfrac12\bigr)-\beta\bigl(v+\tfrac12\bigr)^2\right], \qquad \beta=\frac{\hbar\omega_0}{4D_e}.

  • Numero massimo di livelli legati: vmax⁡≈4Deℏω0−12.\displaystyle v_{\max}\approx\frac{4D_e}{\hbar\omega_0}-\tfrac12.

  • Dissociazioni: D0=De−12ℏω0.\displaystyle D_0=D_e-\tfrac12\hbar\omega_0.

  • Limite armonico del Morse (ricavato dal Taylor al secondo ordine): k=2DeαM2.\displaystyle k=2D_e\alpha_M^2.

  • Potenziale efficace rotante: Veff(J)(R)=VM(R)+ℏ2J(J+1)2μR2.\displaystyle V_{\text{eff}}^{(J)}(R)=V_M(R)+\frac{\hbar^2 J(J+1)}{2\mu R^2}.

  • Nuovo minimo (correzione centrifuga piccola): R1(J)≈R0+ℏ22μJ(J+1)DeαM2R03.\displaystyle R_1(J)\approx R_0+\frac{\hbar^2}{2\mu}\frac{J(J+1)}{D_e\alpha_M^2 R_0^3}.

  • Spettro rotazionale con distorsione centrifuga: Erot=hc ⁣[B J(J+1)−Drot J2(J+1)2].\displaystyle E_{\text{rot}}=hc\!\left[B\,J(J+1)-D_{\text{rot}}\,J^2(J+1)^2\right].

  • Accoppiamento rot-vib (schema di Teller): Bv=Be−αe ⁣(v+12),αe≈6Be2ℏω0 ⁣[Deℏω02Be−1].\displaystyle B_v=B_e-\alpha_e\!\left(v+\tfrac12\right),\qquad \alpha_e\approx\frac{6B_e^2}{\hbar\omega_0}\!\left[\sqrt{\frac{D_e\hbar\omega_0}{2B_e}}-1\right].

Esami correlati

Questi concetti sono testati in 5 esami della raccolta, in particolare per la gestione del Morse, degli effetti isotopici e dell’accoppiamento rot-vib: