Morse-Potential

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Das Morse-Potential (blau) im Vergleich zum quadratischen Potential des harmonischen Oszillators (grün). Eingezeichnet sind auch die Energiestufen, die beim Harmonischen Oszillator äquidistant (\hbar \omega) sind, beim Morsepotential hingegen mit zunehmender Energie immer weniger Abstand haben, bis zur Bindungsenergie D_e, die größer als die tatsächlich benötigte Energie D_0 zur Flucht aus der Potentialmulde ist, da die Nullpunktenergie (\nu = 0) größer Null ist.

Das Morse-Potential (V) ist ein Begriff aus der Molekülphysik. Der 1929 vom US-amerikanischen Physiker Philip McCord Morse[1] vorgeschlagene Zusammenhang beschreibt den Verlauf des elektronischen Potentials eines zweiatomigen Moleküls in Abhängigkeit vom Kernbindungsabstand R durch eine exponentielle Näherung:

V(R) = D_\text{e} \cdot \left(1 - e^{-a\cdot (R - R_\text{e})}\right)^2

wobei D_\text{e} die (spektroskopische) Dissoziationsenergie, R_\text{e} der Kernabstand mit der geringsten potentiellen Energie und a eine Konstante (manchmal als „Steifigkeit des Potentials“[2] bezeichnet) sind. Sie sind für das betrachtete Molekül charakteristisch.

Da man üblicherweise das Potential im Unendlichen als null definiert:

V(\infty) = 0

wird das Morse-Potential häufig in der alternativen Form:

V(R) -D_\text{e}= D_\text{e} \cdot \left(e^{-2a\cdot (R - R_\text{e})}-2e^{-a\cdot (R - R_\text{e})}\right)

angegeben. Dadurch verschiebt sich das Nullpunktpotential um -D_\text{e}.

Das Morse-Potential erlaubt eine analytische Lösung der Schrödinger-Gleichung und liefert die Schwingungsenergien E_\nu:

E_\nu = h \nu_0 \cdot \left(\nu + \frac{1}{2}\right) - \frac{h^2 \nu_0^2}{4 D_\text{e}} \cdot \left(\nu + \frac{1}{2}\right)^2

mit dem planckschen Wirkungsquantum \ h und der Schwingungsquantenzahl \nu. \nu_0 hat die Einheit einer Frequenz und ist über die Teilchenmasse m mit der Konstante a des Morse-Potentials verknüpft:

\nu_0 = \frac{a}{2\pi} \sqrt{\frac{2D_\text{e}}{m}}.

Heutzutage wird für die Berechnung von Schwingungsenergien eher das RKR-Potential (RKR steht hierbei für Rydberg, Klein und Rees) oder das Lennard-Jones-Potential angewendet.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Wolfgang Demtröder: Molekülphysik: Theoretische Grundlagen und experimentelle Methoden. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 24. August 2003, ISBN 9783486249743, S. 93–94.
  •  Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Wilhelm Raith, Mit Beitragen Von H. Kleinpoppen, M. Fink, N. Risch: Bestandteile der Materie: Atome, Moleküle, Atomkerne, Elementarteilchen. Walter de Gruyter, 2003, ISBN 9783110168006, S. 460–462.
  •  Gerd Otter, Raimund Honecker: Atome – Moleküle – Kerne: Molekül- und Kernphysik. Vieweg +Teubner, 1996, ISBN 9783519032205, S. 152–154.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Philip M. Morse: Diatomic Molecules According to the Wave Mechanics. II. Vibrational Levels. In: Physical Review. 34, Nr. 1, 1. Juni 1929, S. 57, doi:10.1103/PhysRev.34.57.
  2.  Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz: Atome, Molekule und Optische Physik 2: Molekule und Photonen-Spektroskopie und Streuphysik. Springer, 2011, ISBN 9783642119729, S. 13.