SPETTROSCOPIA MOLECOLARE

Il corso rientra tra le attività formative caratterizzanti del corso di Laurea Magistrale in Chimica e Tecnologie Sostenibili; tale corso di Laurea ha lo scopo di fornire competenze specialistiche approfondite tali da permettere di poter comprendere i processi chimici e poter intervenire in contesti di ricerca e lavorativi.
Obiettivi formativi dell’insegnamento sono quindi quelli di trattare in maniera approfondita i concetti teorici e specialistici relativi ad alcune tecniche spettroscopiche nelle diverse regioni dello spettro elettromagnetico, dalla spettroscopia rotazionale fino alla spettroscopia di risonanza magnetica (NMR e EPR), anche illustrandone in dettaglio alcuni moderni aspetti applicativi.

CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Conoscere e aver compreso in maniera approfondita il formalismo appropriato e gli aspetti teorici delle spettroscopie ottiche (con particolare riguardo alle spettroscopie rotazionali, vibrazionali e vibro-rotazionali) e delle spettroscopie magnetiche (NMR, mono- e bi-dimensionale, ed EPR, con il relativo formalismo), ed alcune loro moderne applicazioni (analisi delle superfici, determinazioni strutturali).
CAPACITA' DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Saper applicare il formalismo adeguato per interpretare correttamente il dato spettroscopico a seconda della particolare tecnica impiegata e della regione spettrale investigata, e saper descrivere correttamente le diverse tecniche e i relativi aspetti applicativi impiegando tutti i concetti teorici trattati nel corso.
CAPACITA' DI GIUDIZIO
Saper valutare comparativamente l’applicabilità e le prestazioni di diverse tecniche spettroscopiche in funzione del problema chimico da affrontare e/o della ricerca da condurre.

E’ opportuno che gli/le studenti sappiano (e siano capaci di utilizzare) i concetti di base di analisi matematica (vettori, calcolo differenziale e integrale di funzioni di più variabili) e di elementi di fisica (elettromagnetismo classico).

CONCETTI BASE DI MECCANICA QUANTISTICA
Autovalori e autofunzioni, livelli energetici e statistica di Boltzmann. I fenomeni dell’assorbimento indotto, dell’emissione indotta e dell’emissione spontanea e i relativi coefficienti di Einstein. Momenti di transizione di dipolo elettrico e magnetico. Regole di selezione generali e specifica. Classificazione delle spettroscopie a seconda del momento di transizione: spettroscopie ottiche e magnetiche.
Il modello del rotatore rigido, i suoi autovalori e le sue autofunzioni. Il modello dell’oscillatore armonico: autovalori e autofunzioni. Spettroscopia dell’oscillatore armonico. Estensione al sistema poliatomico: modi normali di vibrazione e la loro descrizione.
SPETTROSCOPIA ROTAZIONALE E INFRAROSSA
Classificazione delle molecole in base ai rispettivi momenti principali di inerzia: molecole lineari, top simmetrici, asimmetrici e sferici. Regole di selezione per la spettroscopia rotazionale. La distorsione centrifuga e i suoi effetti. Sostituzione isotopica. Esempi e impieghi di spettri rotazionali nella regione delle microonde. Spettroscopia infrarossa (IR): trattazione armonica e correzioni anarmoniche. Molecole poliatomiche: regole di selezione e spettri vibro-rotazionali. Discussione degli aspetti applicativi di alcune tecniche spettroscopiche moderne e delle loro applicazioni in ambito chimico e nello studio delle superfici: sorgenti laser e spettroscopia in cavità risonante (Cavity RingDown Spectroscopy, CRDS), spettroscopia ATR (Attenuated Total Reflection), spettroscopia SEIRAS (Surface Enhanced InfraRed Absorption Spectroscopy), spettroscopia RAIRS (Reflection-Absorption IR Spectroscopy) e spettroscopia DRIFT (Diffuse Reflectance IR Spectroscopy). Spettroscopia SFG-VS (Sum Frequency Generation – Vibrational Spectroscopy): cenni di teoria e applicazioni allo studio delle superfici.
SPETTROSCOPIA DI RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE (NMR)
Lo spin nucleare e le sue proprietà. Le equazioni fenomenologiche di Bloch e la loro soluzione nel sistema di assi di riferimento fissi di laboratorio e in un sistema di assi rotanti. Processi di rilassamento trasversali (spin-spin) e longitudinali (spin-lattice). Il concetto di impulso nella spettroscopia NMR. La trasformata di Fourier di un segnale dipendente dal tempo. Descrizione generale dello strumento. La correzione di fase.
Descrizione dei principali hamiltoniani impiegati per la descrizione della spettroscopia NMR. NMR in mezzi isotropi. Determinazione sperimentale dei processi di rilassamento spin-lattice e spin-spin.
Formalismo degli operatori prodotto. Magnetizzazione in-fase e fuori-fase e loro interconversione. Trasferimento di magnetizzazione attraverso l’accoppiamento scalare e analisi con gli operatori prodotto. Esempi di applicazione degli operatori prodotto: descrizione della sequenza di impulsi di eco di spin e trasferimento di coerenza eteronucleare usando la tecnica INEPT (Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer).Spettroscopia NMR bi-dimensionale (2D-NMR). Descrizione di un esperimento tipo. Tecnica COSY (Correlation SpectroscopY). Termini quantici multipli, ordine di coerenza, e loro evoluzione. Tecnica COSY a doppio filtro quantico (Double Quantum Filtered COSY, DQF-COSY). Sequenze HETCOR (HETero-nuclear CORrelation spectroscopy), HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence) e HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Coherence). Esempi e applicazioni.
SPETTROSCOPIA DI RISONANZA PARAMAGNETICA ELETTRONICA (EPR)
Lo spin dell’elettrone. Il concetto di spin label e di spin probe. Lo strumento EPR. I principali hamiltoniani impiegati per descrivere un esperimento EPR. Anisotropia del tensore g e dell’interazione iperfine. Esempi e impieghi di spettri EPR.

Per la parte relativa alle spettroscopie ottiche, con particolare riferimento alla parte rotazionale e infrarossa:
- J. M. Hollas, “Modern Spectroscopy”, 4th edition, Wiley, 2003.
Per la parte relative alle spettroscopie magnetiche, con particolare riferimento alla spettroscopia NMR:
N. E. Jacobsen “NMR SPECTROSCOPY EXPLAINED: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology”, John Wiley & Sons, 2007.

Come approfondimento per la parte della spettroscopia EPR si consiglia:
A. Lund, M. Shiotani, S. Shimida, “Principles and Applications of ESR spectroscopy”, Springer, New York, 2011.

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso una prova orale (durata di circa 30 minuti).
Tale prova orale consiste in una serie di domande sull’intero programma, alle quali gli/le studenti devono rispondere dimostrando di conoscere e sapere esporre in modo corretto gli argomenti trattati. Verrà inoltre chiesto loro di saper applicare i diversi formalismi impiegati nel corso per descrivere un esperimento spettroscopico giustificandone criticamente i relativi risultati.

Corso frontale organizzato in lezioni comprensive anche di esempi di applicazione di opportuni programmi. Nella piattaforma MOODLE di Ateneo è presente il materiale didattico proiettato in aula durante le lezioni comprensivo di materiale supplementare e di alcuni esempi di applicazione dei concetti per la descrizione ed interpretazione del dato spettroscopico.

Italiano

Accessibilità, Disabilità e Inclusione

Accomodamenti e Servizi di Supporto per studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento:
Ca’ Foscari applica la Legge Italiana (Legge 17/1999; Legge 170/2010) per i servizi di supporto e di accomodamento disponibili agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento. In caso di disabilità motoria, visiva, dell’udito o altre disabilità (Legge 17/1999) o un disturbo specifico dell’apprendimento (Legge 170/2010) e si necessita di supporto (assistenza in aula, ausili tecnologici per lo svolgimento di esami o esami individualizzati, materiale in formato accessibile, recupero appunti, tutorato specialistico a supporto dello studio, interpreti o altro), si contatti l’ufficio Disabilità e DSA disabilita@unive.it.

orale