D1) Conoscenza e capacità di comprensione
Il corso si propone di fornire le basi della spettroscopia molecolare applicando i principi della meccanica quantistica e della simmetria molecolare, con particolare riguardo alle principali tecniche spettroscopiche di interesse per lo studio della struttura molecolare (spettroscopia rotazionale e vibrazionale, spettroscopie elettroniche, spettroscopia NMR).
Saranno inoltre acquisite competenze sperimentali necessarie all’uso delle più comuni strumentazioni usate in spettroscopia volte alla risoluzione di problemi chimici sia di tipo strutturale che analitico.
D2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente sarà in grado di comprendere le relazioni tra struttura molecolare e proprietà spettroscopiche e di individuare le tecniche spettroscopiche più adatte per caratterizzare un sistema molecolare.
Lo studente sarà inoltre in grado di mettere in atto le pratiche di laboratorio corrette per l’ottenimento di dati spettrali con adeguata qualità.
D3) Autonomia di giudizio
Lo studente sarà in grado di valutare autonomamente le tecniche spettroscopiche da utilizzare a seconda delle proprietà molecolari che si vogliono studiare. Sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite all’interpretazione degli esperimenti spettroscopici condotti in laboratorio.
D4) Abilità comunicative
Acquisizione e utilizzo del linguaggio rigoroso ed adeguato per esporre correttamente argomenti di spettroscopia, e per discutere in modo corretto un esperimento di spettroscopia. Acquisizione della capacità di redigere report scientifici tramite la stesura delle relazioni sulle attività di laboratorio.
D5) Capacità di apprendimento
Conoscenze e linguaggio acquisiti rappresenteranno un background solido con cui approfondire in modo autonomo aspetti spettroscopici più specifici in studi successivi e con cui impostare un semplice esperimento di spettroscopia e interpretarne i risultati.

Gli studenti che seguono questo insegnamento devono conoscere i concetti base della quantomeccanica. Per sostenere l'esame di Chimica Fisica III con Lab. gli studenti devono aver superato l'esame di "Chimica Fisica II"

SPETTROSCOPIA MOLECOLARE - Aspetti generali di spettroscopia molecolare. Assorbimento ed emissione di radiazione. Momento della transizione e regole di selezione. Aspetti generali degli spettri rotazionali, vibrazionali ed elettronici. - Breve introduzione alla simmetria molecolare. Matrici rappresentative delle operazioni di simmetria. Proprietà dei caratteri e tabelle dei caratteri. - Approssimazione di Born-Oppenheimer e derivazione dell’equazione per il moto nucleare - Spettroscopia rotazionale di molecole biatomiche. Modello del rotatore rigido: livelli energetici. Transizioni rotazionali. Regole di selezione. Aspetto degli spettri rotazionali. Effetti di distorsione centrifuga -Spettroscopia vibrazionale di molecole biatomiche. Vibrazione quantistica nel modello armonico. Regole di selezione. Effetti di anarmonicità. Spettri vibro-rotazionali. -Spettroscopia vibrazionale di molecole poliatomiche. Modi normali di vibrazione. Hamiltoniano vibrazionale nelle coordinate normali di vibrazione. Simmetria a attività IR dei modi normali di vibrazione. Effetti di anarmonicità: sovratoni e toni di combinazione. - Spettroscopia Raman vibrazionale. Rayleigh e Raman scattering. Aspetto di uno spettro Raman vibrazionale. Teoria classica del Raman vibrazionale: polarizzabilità e momento di dipolo indotto. Regole di selezione. Attività nel Raman dei modi normali - Spettroscopia elettronica molecolare. Richiami alla struttura elettronica molecolare secondo il metodo MO-LCAO e transizioni elettroniche. Struttura vibrazionale delle bande elettroniche. Fattori di Frank-Condon. Regole di selezione vibroniche. Decadimento degli stati elettronici eccitati : meccanismi non radiativi e radiativi. Fluorescenza e fosforescenza. - Spettoscopia di fotoelettroni. Processo di fotoionizzazione, energia di ionizzazione e teorema di Koopmans’. Intensità delle bande di fotoionizzazione. Spettri UPS e spettri XPS. - Spettroscopia NMR. Energie dei nuclei in un campo magnetico esterno. Costante di schermo, chemical shift e accoppiamento spin-spin. Hamiltoniano di spin per l’interpretazione di spettri NMR di campioni in fase liquida. Spettri di molecole con due nuclei accoppiati: sistema AB e sistema AX. MODULO DI LABORATORIO - Descrizione dei componenti e del principio di funzionamento della strumentazione dedicata a ciascuna spettroscopia. Spettrofotometro per assorbimento UV-visibile. Spettrofluorimetro per misure stazionarie e risolte nel tempo. Spettrofotometri a fibra ottica per spettroscopia RAMAN e NIR. Spettrofotometro FTIR. Set-up per la realizzazione di un esperimento di fotoemissione in fase gassosa. - Spiegazione delle esperienze di laboratorio e dell’analisi dati corrispondente. - Le esperienze di laboratorio comprendono esperimenti relativi alla spettroscopia rotazionale-vibrazionale; spettroscopia vibrazionale FTIR, RAMAN e NIR; spettroscopia vibrazionale-elettronica; spettroscopia di assorbimento Uv-Vis, spettroscopia di fluorescenza statica e risolta nel tempo; spettroscopia di fotoelettroni.

J. M. Hollas, "Modern Spectroscopy", Wiley, USA P.W.Atkins, R.S. Friedman, "Meccanica quantisitca molecolare". Zanichelli C.N. BANWELL; Fundamental of Molecular Spectroscopy HOLLER, SKOOG, CROUCH; Chimica Analitica Strumentale; II edizione; EDISES COZZI, PROTTI, RUARO; Analisi Chimica Strumentale; II edizione; Zanichelli

SPETTROSCOPIA MOLECOLARE - Aspetti generali di spettroscopia molecolare. Assorbimento ed emissione di radiazione. Momento della transizione di dipolo. Legge di Lambert-Beer. - Breve introduzione alla simmetria molecolare. Gruppi di simmetria. Tabella di moltiplicazione. Rappresentazione matriciale delle operazioni di simmetria. Caratteri delle rappresentazioni. Tabelle dei caratteri. - Approssimazione di Born-Oppenheimer. Derivazione dell’equazione per il moto nucleare. Hamiltoniano rotazionale e Hamiltoniano vibrazionale. - Spettroscopia rotazionale di molecole biatomiche Livelli energetici rotazionali e funzioni d’onda nel modello del rotatore rigido. Transizioni rotazionali. Momento della transizione e regole di selezione. Distorsione centrifuga e effetti sugli spettri. -Spettroscopia vibrazionale di molecole biatomiche Livelli vibrazionali e funzioni d’onda in approssimazione armonica. Transizioni vibrazionali. Momento della transizione e regole di selezione. Anarmonicità. Estrapolazione di Birge-Sponer. Spettri vibro-rotazionali. Metodo delle differenze di combinazione. -Spettroscopia vibrazionale di molecole poliatomiche Coordinate normali di vibrazione. Hamiltoniano vibrazionale nelle coordinate normali di vibrazione. Regole di selezione nell’approssimazione armonica. Simmetria a attività IR dei modi normali di vibrazione. Effetti di anarmonicità: sovratoni e toni di combinazione - Spettroscopia Raman vibrazionale Diffusione Rayleigh e Raman. Spettri Raman vibrazionali. Teoria classica del Raman vibrazionale: polarizzabilità e momento di dipolo indotto. Regole di selezione Raman. - Spettroscopia elettronica molecolare. Richiami alla struttura elettronica molecolare secondo il metodo MO-LCAO. Transizioni elettroniche. Momento della transizione e regole di selezione. Struttura vibrazionale delle bande elettroniche. Principio di Franck-Condon. Fattori di Frank-Condon. Regole di selezione vibroniche. Estrapolazione di Birge-Sponer. Decadimento degli stati elettronici eccitati, fluorescenza e fosforescenza. - Spettoscopia di fotoelettroni Processo di fotoionizzazione. Energia di ionizzazione e teorema di Koopmans’. Intensità delle bande di fotoionizzazione. Analisi degli spettri UPS. Ionizzazioni di core e spettri XPS. - Spettroscopia NMR Momento angolare e momento magnetico di spin nucleare. Interazione con il campo magnetico esterno. Condizione di risonanza. Costante di schermo, chemical shift e accoppiamento spin-spin. Hamiltoniano di spin. Operatori di spin e funzioni di spin. Regole di selezione. Spettri di molecole con due nuclei accoppiati. MODULO DI LABORATORIO Componenti e principio di funzionamento della strumentazione per la spettroscopia FTIR, RAMAN, NIR, assorbimento UV-vis, fluorescenza e di fotoelettroni. Spiegazione delle esperienze di laboratorio e del trattamento dati: - Spettroscopia vibro-rotazionale. Spettro vibro-rotazionale dei vapori di HCl e analisi con il metodo “differenze di combinazione”; - Spettroscopia vibrazionale. Identificazione dei modi IR- e Raman-attivi per piccole molecole; osservazione di sovratoni e bande di combinazione per alcuni composti; - Spettroscopia vibro-elettronica. Spettro vibro-elettronico ad alta risoluzione dei vapori di I2 e analisi mediante Birge-Sponer plot; - Spettroscopia di fluorescenza. Osservazione del quenching di fluorescenza del chinino con alogenuri sia mediante misure in stato stazionario che risolte in tempo. Effetto dell’atomo pesante sugli spettri di fluorescenza di coloranti organici sia in soluzione che incorporati in matrici vetrose; - Spettroscopia di assorbimento UV-vis. Spettri UV-vis di coloranti organici; - Spettroscopia di fotoelettroni. Analisi di spettri di fotoemissione della molecola di melammina in fase gassosa.

L'insegnamento consta di lezioni teoriche svolte in aula e di una serie di esperienze condotte in laboratorio. Durante le lezioni teoriche vengono derivati e discussi alla lavagna tutti i passaggi formali. Le slides utilizzate durante il corso sono messe a disposizione degli studenti sulla piattaforma MOODLE/TEAMS.

La verifica dell’apprendimento avviene mediante un esame orale che consiste in almeno 2 quesiti relativi alla parte teorica e almeno un quesito relativo alla parte di laboratorio. Gli studenti devono dimostrare di aver acquisito il linguaggio e la terminologia corretti; i concetti fondamentali trattati nel corso; la capacità di esporre gli argomenti in modo chiaro e seguendo la logica corretta. L’attività laboratoriale viene giudicata anche sulla base del comportamento tenuto in laboratorio e della qualità delle relazioni che gli studenti devono redigere per ciascuna esperienza. Il voto dell’esame è espresso in trentesimi.
La griglia di valutazione adottata è la seguente:
- Eccellente (30 - 30 e lode): ottima conoscenza degli argomenti, ottima proprietà di linguaggio,
ottima capacità analitica.
- Molto buono (27 - 29): buona conoscenza degli argomenti, notevole proprietà di linguaggio,
buona capacità analitica.
- Buono (24-26): buona conoscenza dei principali argomenti, discreta proprietà di linguaggio; lo/la
studente/essa mostra una adeguata capacità analitica.
- Soddisfacente (21-23): lo/la studente/essa non mostra piena padronanza degli argomenti
principali dell'insegnamento, pur possedendone le conoscenze fondamentali; mostra comunque
soddisfacente proprietà di linguaggio e sufficiente capacità analitica.
- Sufficiente (18-20): minima conoscenza degli argomenti principali dell'insegnamento e del
linguaggio tecnico, limitata capacità analitica.
- Insufficiente: lo/la studente/essa non possiede una conoscenza accettabile dei contenuti dei
diversi argomenti del programma.

Questo insegnamento approfondisce argomenti strettamente connessi a uno o più obiettivi dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite