Lezione 06
Spettro rotovibrazionale: P/Q/R, Boltzmann, isotopi, IR vs Raman
Obiettivo della pagina
Isolato dal rotazionale, il moto vibrazionale produrrebbe una singola riga a
(cap. 13). La firma spettroscopica reale di una molecola
biatomica è invece una banda rotovibrazionale: la transizione
accompagnata da (rami P/R) o (ramo Q, solo se
). Qui sviluppiamo: (1) l’origine dei tre rami e la formula di Fortrat
; (2) i due regimi limite (pettine
equispaziato vs asimmetria con testa di banda); (3) le intensità di
Boltzmann e ; (4) l’effetto isotopico HCl → DCl; (5) il complemento Raman
(, Stokes/anti-Stokes) e la regola della mutua esclusione. Il lettore
che volesse solo i risultati può saltare a ## Formule chiave in fondo.
Spettro rotovibrazionale (rami P, R)
Il ramo R (Δj=+1) e il ramo P (Δj=−1) sono simmetrici attorno a ω₀; il ramo Q (Δj=0) manca per Λ=0. L'intensità segue la popolazione di Boltzmann del livello iniziale: il fattore (2j+1) sposta il massimo a un j* finito.
Rami P, Q, R: origine delle regole di selezione
Perché la transizione vibrazionale sia attiva nell’infrarosso, il momento di dipolo molecolare deve dipendere dalla distanza (vedi cap. 13). Sviluppando attorno a , : il primo termine (costante) non fa transizioni, il secondo () seleziona . La parte rotazionale è governata dall’integrale angolare dell’operatore dipolo (un vettore, rango 1) sulle armoniche sferiche.
Per transizioni all’interno dello stesso stato elettronico:
Se (stati , la maggioranza delle biatomiche a gusci chiusi) la regola è vietata e il ramo Q è assente: per un vettore proiettato sull’asse di simmetria ci vuole se lo stato ha , ma se (c’è già una proiezione non nulla del momento elettronico). È un caso particolare delle regole di Wigner-Eckart.
Formula delle posizioni: i tre rami nel caso
Se assumiamo il rotatore rigido ( indipendente da , cioè ), le energie dei livelli rotovibrazionali sono . Sottraendo l’energia iniziale da quella finale () si ottengono, in numero d’onda:
Ramo R (): , con prima riga () a e successive equispaziate di verso . Ramo P (, ): , prima riga () a e successive a passi di verso . Ramo Q (, ): — tutte le transizioni cadono alla stessa frequenza (riga non risolta, intensità cumulativa).
Se , tra l’ultima riga di P () e la prima di R () c’è un gap di centrato su : manca la riga centrale. Questo gap è la firma immediata dell’assenza del ramo Q ed è visibile nello spettro IR di HCl attorno a .
Formula generale con : il diagramma di Fortrat
Inclusa la dipendenza di dal livello vibrazionale (cap. 13, schema di Teller: ), le posizioni dei tre rami diventano:
con per il ramo P (), per il ramo R () e (riga Q). , . La forma è unica per tutti i rami: è la parabola di Fortrat.
Per il ramo R (): . Posto (cioè ) si ha . Per il ramo P (): ; posto si riottiene la stessa formula. Per il ramo Q (): , che non è più una riga unica ma sparsa su un intervallo di larghezza .
Alcuni testi (Herzberg, Banwell) usano per P e per R: il segno è invertito ma la formula è la stessa. Nelle dispense del corso usiamo per P e per R, in modo che cresca muovendosi dal centro verso l’esterno in entrambi i rami.
Due regimi limite: pettine equispaziato e asimmetria
La formula di Fortrat si specializza in due regimi fisicamente opposti.
Rotatore rigido (): pettine equispaziato. Il termine quadratico si annulla e rimane (): un pettine equispaziato di righe separate da , simmetrico attorno a (con un gap di se il ramo Q è assente). È l’immagine che si osserva nello spettro IR di HCl a bassa risoluzione.
Rot-vib (): asimmetria e testa di banda. Incluso l’accoppiamento rot-vib (cap. 13) si ha (il livello esplora in media maggiori per l’anarmonicità del Morse, quindi decresce con ): il coefficiente del termine quadratico è negativo.
- Ramo R (): il termine quadratico riporta le righe indietro verso ; il ramo R si addensa, fino a raggiungere un massimo (la testa di banda o band head) oltre il quale le righe tornano indietro in frequenza.
- Ramo P (): il termine quadratico spinge le righe via dal centro; il ramo P si allontana più rapidamente del caso rigido.
L’asimmetria tra P e R è la firma diretta di e permette di misurarlo (e da , via la relazione di Teller-Pekeris del cap. 13, di vincolare e la forma del Morse).
La testa di banda si ottiene massimizzando :
Per HCl (, ): , ovvero la testa cade attorno alla riga . La posizione della testa è un vincolo molto sensibile su .
Intensità: popolazione di Boltzmann e
La posizione delle righe è solo metà dello spettro: l’altra metà è l’intensità. L’intensità di una transizione a partire dal livello è proporzionale alla popolazione del livello di partenza (in assorbimento). A temperatura ambiente e per HCl : molti livelli rotazionali sono significativamente popolati, e lo spettro mostra un inviluppo di intensità con un massimo a finito.
Popolazione rotazionale di Boltzmann
La degenerazione (2j+1) fa crescere la popolazione a basso j, il fattore di Boltzmann la fa decadere ad alto j: ne risulta un massimo a j* ≈ √(k_BT/2Bhc) − ½, che corrisponde alle righe più intense del pettine rotazionale.
Il fattore è la degenerazione del livello (orientazioni spaziali); l’esponenziale è il peso di Boltzmann. Il loro prodotto è non monotono: la degenerazione vince a piccoli , Boltzmann a grandi .
Trattando come variabile continua e massimizzando il logaritmo di :
Risolvendo:
Poiché è intero, si arrotonda al valore più vicino.
Per HCl, . Con :
Il livello più popolato è . Aumentando la temperatura, cresce: per HCl a si ha ; a , .
Misurando il a cui l’intensità delle righe (P o R) è massima, e invertendo la formula di , si ricava direttamente la temperatura del gas:
È il principio della pirometria rotazionale, usata in astrofisica (temperature di nubi molecolari) e in combustione (fiamme).
Intensità relative P vs R
A parità di iniziale, le intensità delle transizioni e differiscono perché i livelli di partenza hanno degenerazione e popolazione diverse.
Per grande il prefattore tende a 1 e l’esponenziale (sempre ) domina: la branca R è mediamente più intensa della branca P. Questo è ciò che si osserva nello spettro IR di HCl (cap. 41.1 delle dispense, p. 167).
IR vs Raman: due meccanismi complementari
L’assorbimento IR richiede un dipolo permanente che oscilli durante il moto molecolare. Le molecole omoucleari biatomiche (H₂, N₂, O₂) hanno dipolo nullo per simmetria: sono IR-inattive nello stesso stato elettronico. Per osservarle si usa la spettroscopia Raman, basata su un meccanismo fisico diverso: la luce diffusa in modo inelastico dalla polarizzabilità indotta.
Il campo elettrico della luce induce un momento di dipolo , dove è il tensore di polarizzabilità (dipende da per le vibrazioni, da per le rotazioni). Se modula nel tempo, la luce diffusa porta componenti a frequenza : sono le righe Raman. A differenza dell’assorbimento IR (un fotone), il processo Raman è del secondo ordine: un fotone laser a viene assorbito in uno stato virtuale, uno viene emesso a (non c’è autovalore intermedio).
Raman rotazionale: , spacing
L’elemento di matrice rilevante è . Sviluppando in armoniche sferiche, : compaiono (riga Rayleigh, ) e (rango 2, ).
Per lo shift è ; le righe successive sono spaziate di — il doppio del pettine IR. La ragione è che il Raman salta due gradini () contro l’unico dell’IR (): differenza di spettro tra e .
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).
Raman vibrazionale: Stokes, anti-Stokes e Boltzmann
Per la parte vibrazionale, lo sviluppo rende l’elemento di matrice proporzionale a , da cui (come per l’IR). Le righe Raman vibrazionali sono:
- Rayleigh (): luce diffusa elasticamente a , dominante ma priva di informazione molecolare.
- Stokes (): luce a (energia ceduta alla molecola). Dominante a temperatura ambiente.
- Anti-Stokes (): luce a (energia presa dalla molecola). Più debole, richiede popolazione nel livello .
Per HCl a (): , le anti-Stokes vibrazionali sono milioni di volte più deboli delle Stokes. Sono osservabili solo per modi a bassa frequenza o ad alta .
Per le transizioni rotazionali Raman () l’energia coinvolta è , molto minore di , quindi : le coppie Stokes/anti-Stokes rotazionali hanno intensità confrontabile. Solo il ramo vibrazionale è soppresso in anti-Stokes.
Regola della mutua esclusione per centrosimmetriche
Per qualsiasi molecola con centro di inversione (gruppi , , , …) c’è una regola spettroscopica notevole che lega IR e Raman.
In una molecola con centro di simmetria, un modo normale è attivo o in IR o in Raman, mai in entrambi:
- IR-attivo modo di simmetria ungerade (): il dipolo è un operatore vettoriale, dispari sotto inversione;
- Raman-attivo modo di simmetria gerade (): la polarizzabilità è un tensore simmetrico, pari sotto inversione.
Nelle biatomiche omonucleari il modo di stretching è , quindi solo Raman. Nelle eteronucleari (HCl) non c’è centro di inversione e il modo è attivo sia in IR sia in Raman.
La CO₂ (lineare, centrosimmetrica) ha 4 modi normali (cap. 15): stretching simmetrico (, Raman), stretching antisimmetrico (, IR), bending (, IR). Se una riga compare in uno spettro ma non nell’altro, la molecola è centrosimmetrica: criterio classico di analisi strutturale.
La regola richiede il centro di inversione, non l’omuclearità. H₂O (, senza centro) ha tutti i modi attivi sia in IR sia in Raman; idem CH₄ (). La regola si applica solo a: (H₂, N₂, O₂, CO₂, C₂H₂), (etilene), (SF₆), ecc.
Effetto isotopico: HCl → DCl
La sostituzione di un isotopo (H → D) cambia la massa ridotta senza toccare la struttura elettronica (teorema di Born-Oppenheimer: il potenziale è invariante). La forza e sono proprietà del potenziale elettronico e non cambiano, quindi e .
Per HCl/DCl: u, u, quindi e .
Dalle misure su HCl (, ):
- (sper. ✓);
- (sper. ✓);
- spaziatura righe R/P nel pettine di DCl: , metà di HCl.
Lo shift di tra i centri delle due bande è enorme e rende la spettroscopia IR uno strumento molto sensibile alla composizione isotopica.
Effetto isotopico su e cinetica isotopica
La profondità del pozzo è una proprietà elettronica e non cambia con la sostituzione isotopica, ma l’energia zero-point è minore per il deuteruro (perché ). Poiché :
Il deuteruro è più stabile (più difficile da dissociare dal livello ) di qualche centinaio di cm⁻¹: i legami X–D sono più difficili da rompere degli X–H. In una reazione in cui il legame X–H/D si rompe nello step determinante, la molecola deuterata reagisce più lentamente (fattore 3–8 a ambiente): è l’effetto isotopico cinetico primario, strumento classico per identificare quali legami si rompono nel meccanismo di reazione.
Doppio pettine per gli isotopi del cloro
Il cloro naturale è una miscela di Cl (75,5%) e Cl (24,5%). Nello spettro IR di HCl ad alta risoluzione ogni riga del pettine è doppia: HCl è spostata verso frequenze più alte rispetto a HCl (), con intensità relative che riflettono l’abbondanza naturale.
u, u. Rapporto , . Lo shift del centro è , sotto HCl. Differenza piccola ma ben risolvibile.
Collocazione nel corso
- Per la rotazione pura (rotatore rigido, spettro microonde, costante ): cap. 12 — rotazione.
- Per il Morse, l’anarmonicità, l’accoppiamento rot-vib e la derivazione di (che produce l’asimmetria P/R trattata qui): cap. 13 — vibrazioni.
- Per i modi normali delle poliatomiche (3N−5 / 3N−6, H₂O, CO₂) e un’applicazione più ampia della regola della mutua esclusione: cap. 15 — modi normali.
- Per le transizioni elettroniche (UV-Vis, Franck-Condon, bande con struttura rotovibrazionale sovrapposta a transizioni elettroniche): cap. 20 — spettri elettronici.
Formule chiave
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Regole di selezione rotovibrazionali (stesso stato elettronico):
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Posizioni delle righe (formula di Fortrat, per P, per R):
-
Rami nel caso (rotatore rigido):
-
Popolazione di un livello rotazionale:
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Livello più popolato:
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Rapporto intensità R/P (transizioni omologhe):
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Raman rotazionale: regola di selezione , spaziatura righe :
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Raman vibrazionale: Stokes a , anti-Stokes a :
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Rapporto isotopico ():
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Effetto isotopico su (cinetica isotopica):
-
Regola della mutua esclusione (centrosimmetriche): un modo è attivo o IR () o Raman (), mai entrambi.
Questi concetti sono testati in 13 esami della raccolta, in particolare per l’analisi del pettine rotovibrazionale, gli effetti isotopici e il confronto IR/Raman:
- esame 05 — HCl: spettroscopia rotovibrazionale (estrazione di , lunghezza del legame, dal pettine IR, effetto DCl, IR vs Raman).
- esame 07 — isotopi HX/DX (effetto isotopico sistematico sugli idruri/deuteruri).
- esame 14 — HCl rotovib e isotopi (analisi completa del pettine di HCl con separazione Cl/Cl).
- esame 22 — Morse eteronucleare anarmonico (connessione tra cap. 13 e cap. 14: dalla testa di banda al Morse).
- esame 26 — H₂, HD, D₂: Morse e perturbazioni (sostituzione isotopica H/D in omonucleari, spettro Raman).
- esame 28 — HCl: Morse, isotopi, calore specifico (rotovib + termodinamica vibrazionale, a gradini).
- esame 34 — HCl: calore specifico e temperatura (popolazione di Boltzmann, , pirometria rotazionale).
- esame 36 — O₂: identificazione dal tripletto (omopolare, IR-inattiva, Raman-attiva, regola della mutua esclusione).
- esame 38 — XH/XD rotazionale, isotopi (spettro Raman rotazionale, spaziatura , shift isotopico).
- esame 40 — HCl: Morse e rotovib (testa di banda, estrazione di e ).
- esame 42 — XY: potenziale Coulomb-like (biatomica generica, applicazione delle formule di Fortrat).
- esame 44 — HBr: rotovib e temperatura (inviluppo di Boltzmann, dipendenza di da ).
- esame 46 — I₂, Br₂, IBr: MO, isotopi, Raman (confronto omonucleare vs eteronucleare, IR vs Raman, shift isotopici).