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Fall 2014 Chem 356: Introductory Quantum Mechanics Chapter 5 – Vibrational Motion 65 Chapter 5 – Vibrational Motion ................................................................................................................. 65 Potential Energy Surfaces, Rotations and Vibrations ............................................................................ 65 Harmonic Oscillator ............................................................................................................................... 67 General Solution for H.O.: Operator Technique .................................................................................... 68 Vibrational Selection Rules .................................................................................................................... 72 Polyatomic Molecules .......................................................................................................................... 73 Beyond the harmonic oscillator approximation .................................................................................... 74 Chapter 5 – Vibrational Motion Potential Energy Surfaces, Rotations and Vibrations Suppose we assume the nuclei of a molecule are fixed, then we can solve the Schrodinger equation for the electrons 1 2 1 2 ˆ (, , .... ) (, ,... ) N N H rr r E rr r ψ ψ = This is a complicated problem, that will be discussed later (Chapter 7 and beyond) We would get the (ground state) energy at a particular nuclear configuration { R } Hence, assume we can solve this We can fit a curve through the points ({ }) V R This ({ }) V R is called the potential energy surface (PES) and is a crucial concept in chemistry, eg.

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Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   65    

 Chapter  5  –  Vibrational  Motion  .................................................................................................................  65  

Potential  Energy  Surfaces,  Rotations  and  Vibrations  ............................................................................  65  

Harmonic  Oscillator  ...............................................................................................................................  67  

General  Solution  for  H.O.:  Operator  Technique  ....................................................................................  68  

Vibrational  Selection  Rules  ....................................................................................................................  72  

Poly-­‐atomic  Molecules  ..........................................................................................................................  73  

Beyond  the  harmonic  oscillator  approximation  ....................................................................................  74  

 

Chapter  5  –  Vibrational  Motion  

Potential  Energy  Surfaces,  Rotations  and  Vibrations  

 Suppose  we  assume  the  nuclei  of  a  molecule  are  fixed,  then  we  can  solve  the  Schrodinger  equation  for  the  electrons  

        1 2 1 2ˆ ( , ,.... ) ( , ,... )N NH r r r E r r rψ ψ=  

 This  is  a  complicated  problem,  that  will  be  discussed  later  (Chapter  7  and  beyond)    

We  would  get  the  (ground  state)  energy  at  a  particular  nuclear  configuration  { R }    

Hence,  assume  we  can  solve  this  

 We  can  fit  a  curve  through  the  points  →   ({ })V R  

 This   ({ })V R  is  called  the  potential  energy  surface  (PES)  and  is  a  crucial  concept  in  chemistry,  eg.  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   66    

 Minima  on  the  PES  we  associate  with  different  isomers,  for  example  with  the  reactionA B C D+ → + .  Saddle  points  on  the  PES  we  associate  with  transition  states  

 Obtaining  the  minima  (+  curvature)  we  can  get  thermochemical  information.  From  TS  we  get  into  rates  of  reactions  (Chem254,  Chem  350)    Ideally,  once  we  have  obtained  PES,  we  should  solve  for  the  Quantum  energies  involving  the  nuclei.  This  is  very  complicated,  and  today  can  only  be  done  for  small  molecules  (up  to  5  atoms).    What  can  be  done  is  solving  for  molecular  rotations  +  vibrations  in  the  harmonic  oscillator  +  Rigid  Rotor  approximation  

   The  crux  is  to  make  a  quadratic  approximation  to  the  PES  around  each  minimum  (  =  molecular  species)      

V (!R) ≈V (Re )+ 1

2kαβ (R − Re )α (R − Re )β

αβ∑

 

 

   

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   67    

    A  molecule  with  N atoms  has  3N  degrees  of  freedom  -­‐ 3  overall  translations  -­‐ 3  overall  rotations  or  2  rotations  for  linear  molecules  

 (3 6)N − Vibrations  ,    [3 5N −  for  linear  molecule]  

    kαβ :     α ,β = 1....3N  

 

All  of  the  information   V (!Re ) ,  

!Re  and  

kαβ (!Re )  is  obtained  from  an  electronic  structure  program  (like  

Gaussian,  Gamess,  Turbomole…)    Once  we  have  these,  one  can  use  ‘exact’  calculations  to  solve  for  Harmonic  oscillator  +  Rigid  Rotor  energies.    The  harmonic  (quadratic)  potential  is  an  approximation,  but  often  works  well,  certainly  for  stiff  molecules/  degrees  of  freedom.    What  we  will  do  next  is:      discuss  harmonic  oscillator  for  diatomic  molecules  

 -­‐ Ground  state  of  harmonic  oscillator  -­‐ All  excited  states  using  operator  technique  -­‐ Generalize  to  polyatomic  molecules  -­‐ More  accurate  solution  for  diatomic  (Beyond  H.O.)  -­‐ Selection  rules,  vibrational  spectroscopy  

 

Harmonic  Oscillator         In  the  following  chapter  we  will  go  on  to  discuss  rotations    

For  a  general  polyatomic  molecule  we  can  define  H.O.  Hamiltonian  as    

        H = !2

2Mα

Pα2 +

α∑ 1

2kab(R − Re )a (R − Re )b

a,b=1...3N∑  

For  a  diatomic  this  can  be  reduced  to    

        H = − 1

2!2

µd 2

dx2 +12

kx2  

    Here       µ =

M1M2

M1 + M2

      is  the  [kg]  reduced  mass  

        ( )ex R R= −     is  deviation  [m]  from  equilibrium  

          k     is  the  force  constant  [Nm-­‐1]  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   68    

 In  McQuarrie  this  is  derived  using  classical  equations  of  motion.  I  will  post  on  the  Website  a  general  derivation  to  get  the  H.O.  form  for  a  general  polyatomic,  but  will  not  discuss  in  class.  Here  I  will  simply  use  the  form  for  H.    

The  ground  state  solution  has  the  form  2 /2xe α− .  Let  us  determine  the  constant  α ,  and  the  energy.  Later  

on  I  will  discuss  the  full  solution.  

         2 2/2 /2x xd e xe

dxα αα− −= −  

       2 2 2

2/2 /2 2 2 /2

2x x xd e e x e

dxα α αα α− − −= − +  

    − !

2

2µd 2

dx2 +12

kx2⎡

⎣⎢

⎦⎥e−αx2 /2 = !2

2µα − !

2

2µα 2x2 + 1

2kx2⎡

⎣⎢

⎦⎥e−αx2 /2 = E0e

−αx2 /2  

        E0 =

!2

2µα  

       

12

k − 12!2α 2

µ= 0        

α = 1!

µk  

              E0 =

!2

2µµk!

= 12!

kµ= 1

2!ω  

        ω = k

µ    ;  

α = µ!ω  

   General  Solution  for  H.O.:  Operator  Technique  (see  appendix  5  in  McQuarrie)      

          H = −!2

2md 2

dx2 +12

kx2  

        Solution      2 /2xe α−   α = µω / ! = µk / !    

      Define    

      q x α=  

     2 /2xe α−        →  

2 /2qe−  

        q = 1

!µk

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

12

x   x = 1

!µk

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

−12

q  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   69    

         

∂∂x

= ∂q∂x

∂∂q

= 1!

µk⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

12 ∂∂q

 

                  H = −!2

2µµk!

∂2

∂q2 +12

k !

µkq2  

                            = ! k

µ− 1

2∂2

∂q2 +12

q2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟  

                          = !ω − 1

2d 2

dq2 +12

q2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟      

‘q ’  are  called  dimensionless  coordinates  (Check  that   q = 1!

µk x  is  indeed  dimensionless!)  

   Commutation  Relation:  

      , 1dqdq

⎡ ⎤= −⎢ ⎥

⎣ ⎦     ( ) ( )d dq q f q f q

dq dq⎛ ⎞

− = −⎜ ⎟⎝ ⎠

 

 Define  new  operators:  

   1ˆ2

db qdq

+ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟

⎝ ⎠    

1ˆ2

db qdq

⎛ ⎞= +⎜ ⎟

⎝ ⎠  

Then     !ωb+b = !ω

2q − d

dq⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

q + ddq

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟  

      = !ω

2q2 − d 2

dq2 + q, ddq

⎣⎢⎤

⎦⎥⎛⎝⎜

⎞⎠⎟  

    = H − 1

2!ω  

  →  1ˆˆ2

H b bω +⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠h  

 Commutation  Relations,  between  b  operators:  

        ˆˆ ˆ ˆ, , 0bb b b+ +⎡ ⎤ ⎡ ⎤= =⎣ ⎦ ⎣ ⎦  

     1ˆ ˆ, ,2

d db b q qdq dq

+ ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎡ ⎤ = + −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎣ ⎦ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦  

       1 [ , ] , , ,2

d d d dq q q qdq dq dq dq

⎛ ⎞⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + − −⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎝ ⎠  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   70    

        ( )1 1 ( 1) 12

= + − − =  

    Hence     ˆ ˆ, 1b b+⎡ ⎤ =⎣ ⎦   ˆ ˆ, 1b b+⎡ ⎤ = −⎣ ⎦  

 Using  this  form  of  the  Hamiltonian  and  the  commutation  relations  we  can  derive  the  eigenvalues  and  eigenfunctions  of  H.O.!!  

   a) If   ( )n qψ is  eigenfunction  with  eigenvalue   nE  then  

i) ˆ ( )nb qψ+  is  eigenfunction  with     En+1 = En + !ω  

ii) ˆ ( )nb qψ    is  eigenfunction  with En−1 = En − !ω  

Proof:          

i) H b+ψ n(q)( ) = −!ω b+b+ 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

b+ψ n(q)  

= !ω b+ b, b+⎡⎣ ⎤⎦ + b+ b+b+ 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎣⎢

⎦⎥ψ n(q)  

= b+ !ω + H( )ψ n(q)  

= (En + !ω )b+ψ n(q)  

ii) H bψ n(q)( ) = !ω b+b+ 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

bψ n(q)  

= !ω b+ , b⎡⎣ ⎤⎦ + bb+ + 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

bψ n(q)  

= !ω −1⋅ b+ b b+b+ 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ψ n(q)  

= b −!ω + H( )ψ n(q) = En − !ω( ) bψ n(q)  

 

b+  and   b  are  called  the  raising  and  lowering  operators,  or  ladder  operators  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   71    

      What  about  the  ground  state?  

        bψ n(q) = E0 − !ω( ) bψ n(q)  

        Still  true,  but   E0 − !ω  <   0E !!  

 

    Only  way  out:   0ˆ ( ) 0b qψ =  

        01 ( ) 02

dq qdq

ψ⎛ ⎞+ =⎜ ⎟

⎝ ⎠  

    Differential  equation  with  solution  21

20 ( )

qq eψ

−=  

           2 21 1

2 2( ) 0q qdq e q q e

dq− −⎛ ⎞

+ = − =⎜ ⎟⎝ ⎠  

 Putting  it  all  together  

     2

1142

01( )

qq eψ

π−⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

         normalized  

      ( ) 01 ˆ( ) ( )!

n

n q b qn

ψ ψ+=   normalized  

     1ˆ2

db qdq

+ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟

⎝ ⎠  

   12nE n ω⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠h       0,1,2,3....n =  

First  couple  of  unnormalized  functions  in  terms  of   q :  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   72    

     21

20 ( )

qq eψ

−=  

     2

21

/221 ( ) 2

q qdq q e qedq

ψ− −⎛ ⎞

→ − =⎜ ⎟⎝ ⎠

 

      ( )2 2/2 2 /22 ( ) 2 1q qdq q qe q e

dqψ − −⎛ ⎞

→ − = −⎜ ⎟⎝ ⎠

 

      ( ) ( )2 22 /2 3 /23 ( ) 2 1 4 6q qdq q q qe q q e

dqψ − −⎛ ⎞

→ − − = −⎜ ⎟⎝ ⎠

 

      Etc.               We  can  obtain  all  eigenfunctions  by  differentiation  

      ( )n xψ →    substitute     x q α=        +  normalize    

The  wave  functions  take  the  form  21

2( )q

nH q e−

 

( )nH q  are  Hermite  polynomials,  they  are  either  odd  or  even  functions.  (Each  

polynomial  contains  only  odd  or  only  even  terms)      

Vibrational  Selection  Rules       Later  we  will  discuss  more  generally  the  radiation  process.  For  now  the  transition  dipole  moment  is  used  to  define  the  strength  of  a  spectroscopic  translation  

        *( ) ( ) ( )n mx x x dxψ µ ψ∫   m n→  

       0

0( ) ( ) .......x

dx x xdxµµ µ ⎛ ⎞= + +⎜ ⎟⎝ ⎠

 

    0µ  is  the  dipole  at  equilibrium  distance,  ddxµ  is  the  change  in  dipole  with  changing   x  

(internuclear-­‐distance)  

        Eg.   N2  :   0ddxµ =  

          HF:   0ddxµ ≠   large  

          CO:   0ddxµ ≠   small  

        *( ) ( ) ( )n mx x x dxψ µ ψ∫  

        0 * ( ) ( ) 0n mx x dxµ ψ ψ= →∫      (if   n m≠ )  

 

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   73    

        *( ) ( )n md x x x dxdxµ ψ ψ+ ∫  

       2

* ( ) ( )n md q q q dqdxµ α ψ ψ→ ∫  

        ( )ˆ ˆ*( ) ( )2 n m

d q b b q dqdxµ α ψ ψ+→ +∫  

        1ˆ( ) ~m mbψ ψ −     1

ˆ ( ) ~m mb ψ ψ++  

        For  Harmonic  Oscillator  we  can  only  get  allowed  transitions  if   1nΔ = +  or   1nΔ = −              

ΔE = ±!ω      

Poly-­‐atomic  Molecules          

        H = −!2∇2

2µαα∑ + 1

2kαβ (R − Re )α (R − Re )β

α ,β∑  

By  some  manipulation  (see  notes  on  webpage)  this  can  be  written  as  a  sum  of  H.O.  Hamiltonians…….tedious  derivations  

        H = !

i∑ ω i − 1

2d 2

dqi2 +

12

qi2⎡

⎣⎢

⎦⎥  

                  = !

i∑ ω i bi

+bi +12

⎣⎢⎤

⎦⎥  

 The  coordinates  q :      are  linear  combinations  of  atomic  displacement  vectors  

      3 N  coordinate  →  3  translation,  3  rotation,  (3 N -­‐6)  vibration  

For  linear  molecule,  rotation  around  axis  is  not  a  displacement           →  2  rotations,  and  (3 N -­‐5)  vibrations    Eg.  Water  

                          Normal  modes  :  display  symmetry  of  molecule  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   74    

 The  eigenfunctions  are  simply  products  of  1  dimensional  H.O.  functions           1( )k qψ           2( )l qψ         3( )m qψ  

        Ek ,l ,m = k + 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟!ω1 + l + 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟!ω 2 + m+ 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟!ω3  

    Very  simple  solution.  One  needs  to  diagonalize  the  “mass  weighted  hessian”  

     

1Mα

kαβ1Mβ

  3N × 3N  Matrix  

  Reasonable  approximations  to  all  vibrational  levels       Statistical  Mechanics  (recall  Chem  350)  

 

Beyond  the  harmonic  oscillator  approximation    

The  true  potential  is  not  quadratic.  For  large  molecules  this  is  not  so  easy  to  correct  (people  would  use  low  order  perturbation  theory,  based  on  a  quartic  force  field)    For  smalls  molecules,  in  particular  diatomics,  one  can  solve  for  the  full  vibrational  problem  

 The  exact  energies  are  not  equidistant.  A  better  approximation  is    

    E(n) = !ω e n+ 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟− !ω exe n+ 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

2

 

    The  energy  levels  are  usually  called  

g(v), v = n,vibrational quantum number  There  are  a  finite  number  of  bound  levels  

 Another  effect  is  that  transition  moments  can  be  non-­‐zero  even  when   1nΔ ≠ ± .  This  leads  to  the  observation  of  overtones.    An  often  used  form  for  the  potential  for  a  diatomic  is  the  Morse  potential  

Fall  2014   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  5  –  Vibrational  Motion   75    

          ( )2( ) 1 xeV x D e β−= −  

         0

0x

Vx =

∂ =∂

            0x =          equilibrium  geometry    

       2

22

12 e

V D kx

β∂ =∂

 e

kD

β→ =  

      eD  can  be  used  from  experiment  ( 0D  measurable)  

      This  is  still  an  approximate  potential    Today:    Potential  energy  curves  can  be  calculated  using  electronic  structure  programs.