A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION A
A. G UICHARDET
Sur les règles de sélection en spectroscopie moléculaire de vibration et de rotation
Annales de l’I. H. P., section A, tome 44, n
o1 (1986), p. 91-101
<http://www.numdam.org/item?id=AIHPA_1986__44_1_91_0>
© Gauthier-Villars, 1986, tous droits réservés.
L’accès aux archives de la revue « Annales de l’I. H. P., section A » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.
org/conditions). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
91
Sur les règles de sélection
en
spectroscopie moléculaire de vibration et de rotation
A. GUICHARDET
Centre de Mathématiques, École Polytechnique,
91128 Palaiseau Ann. Inst. Poincaré,
Vol. 44, n° 1, 1986 Physique , théorique ,
RÉSUMÉ. - Le but de ce travail est la démonstration
rigoureuse
desRègles
de Sélection enSpectroscopie
Moléculaire de Vibration et de Rotation. Pour yparvenir,
on donne des définitionsmathématiquement rigoureuses
desopérateurs (tensoriels)
detransition,
en l’occurence le momentdipolaire électrique ;
ceci estfait,
dans unpremier temps,
en considérant la molécule comme formée de noyauxatomiques ponctuels
exécutant des mouvements
quelconques, puis,
dans un deuxièmetemps,
en se limitant soit à des mouvements de vibration
infinitésimaux,
soit àdes mouvements de rotation arbitraires. Les
règles
de sélection résultent alors d’une formulation abstraite du théorème deWigner-Eckart.
Dansun dernier
paragraphe
on discute leproblème
de laséparation
des mouve-ments de vibration et de
rotation ;
des idées trèssimples
de GéométrieDifférentielle,
voisines du « théorème de la tranche », permettent de définir les vitessesrelatives, l~s
vitessesd’entraînement,
lesénergies
de Corioliset les
repères
mobiles d’Eckart.SUMMARY. - The aim of this work is a
rigorous proof
of the SélectionRules in Molecular
Spectroscopy (Vibration
andRotation).
To get thiswe
give mathematically rigorous
définitions of the(tensor)
transitionoperators, in this case the electric
dipole moment ;
this isdone, firstly by considering
the molécule as a set ofpoint
atomic kernelsperforming arbitrary motions, secondly by limiting
ourselves either to infinitésimalAnnales de l’Institut Henri Poincaré - Physique théorique - Vol 44 0246-0211 86/01/ 91 /11/$ 3,10/(0 Gauthier-Villars
vibration
motions,
or toarbitrary
rotation motions. Then the sélection rules follow from an abstract formulation of theWigner-Eckart
theorem. Ina last
paragraph
we discuss theproblem
ofseparating
vibration and rotationmotions ;
verysimple
ideas from DifferentialGeometry,
linkedwith the « slice theorem », allow us to define the relative
speeds,
the solidmotions
speeds,
the Coriolisénergies
and themoving
Eckart frames.0 . INTRODUCTION
Le
présent
article est unrésumé,
sansdémonstrations,
d’une rédaction troplongue
pour êtrepubliée
sous formed’article ;
il s’efforce de donner des énoncésrigoureux
de certains résultats de laSpectroscopie
Molé-culaire de Vibration et de Rotation. Pour y
parvenir,
il a fallu donner des définitionsexplicites mathématiquement utilisables,
deplusieurs
notions
qui figurent
dans cette théorie :opérateurs
detransition,
momentdipolaire électrique,
etc. ; ils’agissait
en fait de trouver des modèles mathé-matiques
trèssimplifiés (peut-être
trop!)
de cesnotions,
contenant l’infor-mation nécessaire à la démonstration des résultats. Une fois ceci
fait,
les démonstrations sont faciles et ne mettent en
jeu
que les outils mathé-matiques
bienclassiques
que sont la Théorie desReprésentations
desgroupes finis ou compacts et la Géométrie Différentielle dans sa
partie
la
plus
élémentaire : variétés riemanniennes et action des groupes de Lie compacts surelles ;
ce dernierpoint apparaît
au dernierparagraphe, qui
tente de tirer au clair ce que les ouvrages deSpectroscopie
Moléculaire entendent par «séparation
des mouvements de vibration et de rotation ».Tout ce travail a été
grandement
stimulé par de nombreuses conversa-tions avec
plusieurs collègues
du Laboratoire deSynthèse Organique
del’École Polytechnique :
M.Fétizon,
H. P.Gervais,
P.Youkharibache,
queje
remercie ici très sincèrement.1 PRINCIPES
GÉNÉRAUX
Considérons un
système physique !/ auquel
sont associés un espacehilbertien ~f
(espace
des états de!/)
et unopérateur autoadjoint
H dans Jf(l’hamiltonien
de~) ;
notons~2,
... les états propres deH, Eb E2,
...les valeurs propres
correspondantes supposées rangées
dans l’ordre crois- sant. Sous l’action d’unchamp électromagnétique,
lesystème !/
peutsauter d’un état à un état
i/r",
en absorbant ou émettant unphoton
Annales de l’Institut Henri Poincaré - Physique théorique
SÉLECTION SPECTROSCOPIE MOLÉCULAIRE 93
d’énergie 1 En -
suivant queEn - Em
estpositif
ounégatif ;
laproba-
bilité de la transition est donnée par une formule du type
où r est un
entier, les ki
sont des constantes, et lesTi
sont les composantes d’unopérateur
tensorielappelé opérateur de
transition ; celasignifie
que l’on aun espace vectoriel
complexe
V de dimension rune
application
linéaire T de V dans l’ensemble desopérateurs
linéairesdans ~f
(en
touterigueur
lesopérateurs T(v),
v EV,
sont non bornés et ont des domaines de définitiondépendant
de v ; mais nous n’entrerons pas ici dans ce genre deconsidérations)
une base
(el,
...,er)
de V avecTi
=On dit
que la transition 03C8m
~ estpermise
si saprobabilité
est nonnulle ;
ceciimplique
évidemment que(T(v) .
soit non nul pour au moins un v E V.Dans tous les cas intéressants on a en outre un groupe
G,
unereprésen-
tation unitaire U de G dans ~f et une
représentation
p de G dansV,
etl’opérateur
tensoriel T est de type(G, Jf, U, V, p),
cequi signifie
queCeci
étant,
on a le résultat suivant :THÉORÈME 1
(théorème de Wigner-Eckart abstrait) ( 1 ).
-Supposons
que et
appartiennent respectivement à
desreprésentations
~cm et ~cnde G. Pour
que la
transitiont/1m ~
soitpermise, il
est nécessaire(mais
non
suffisant) que la représentation p*
(8)03C0*m
0 03C0n de G contienne larepré-
sentation triviale.
(03C0* désigne la contragrédiente
ou duale d’unereprésenta-
tion
II.
OPÉRATEURS
DE TRANSITIONEN SPECTROSCOPIE DE VIBRATION-ROTATION
Précisons tout de suite que ce
paragraphe
a étéécrit,
non pas dans le but d’établir desrègles
de sélection enSpectroscopie
deVibration-Rotation,
mais seulement pour rendre
plus
naturelles les définitions desopérateurs
de transition en
Spectroscopie
de Vibration et de Rotation(cf. §§
III etIV).
On se
place
ici dans la deuxièmeétape
del’approximation
de Born-Oppenheimer :
on considère une molécule comme formée de noyaux e) Nous avons choisi cette dénomination pour bien souligner le rôle éminent joué par ces auteurs dans toute cette théorie.Vol. 44, n° 1-1986.
ponctuels
situés en despoints
xl, ..., xn del’espace [R3 ;
les électrons inter- viennentuniquement
dansl’énergie potentielle
...,qui
est unefonction en réalité mal connue des diverses
distances x~ ~ . Chaque
noyau xi admet une masse mi. On élimine d’emblée les mouvements de translation en supposant que le centre de masse
des xi
est situé aupoint 0 ; l’espace
deconfiguration
de notresystème J
est donc l’ensemble H desn-uplets
x = ...,xn) E vérifiant xi ~
xj pour i~ j,
et03A3mixi
= 0.L’espace
des états estl’espace
~f =L2(~’)
construit à l’aide de la mesurede
Lebesgue
sur ~.On
désigne
par G le groupe0(3)
et on le faitopérer
dans ~’ paron définit une
représentation
unitaire U de G dans ~f parOn note r le groupe des
permutations
de( 1,
...,n)
telles que pour tout i, les noyaux xi et soientphysiquement identiques ;
on le faitopérer
dans ~’par
Définissons maintenant
l’opérateur
de transitionT ;
nous le ferons seu-lement dans le cas de la
Spectroscopie d’Absorption-Émission
car, dans lecas de la
Spectroscopie Raman, l’opérateur
de transition est nettementplus compliqué,
et sa naturemathématique
n’est pas encore entièrement élucidée.Pour
définirT,
il est nécessaire de revenir à la situationprécédant l’approxi-
mation de
Born-Oppenheimer,
où l’on considère la molécule comme formée des n noyaux ..., xn et ausside p
électrons y1, ..., Yp ; notons - e lacharge électrique
d’unélectron, Zie
celle du noyau xi; définissons le vecteurmoment
dipolaire électrique de la
moléculeM(x, y)
parPour faire
l’approximation
deBorn-Oppenheimer,
on choisit un étatélectronique
EL2(~3p)
danslequel x
intervientuniquement
commeun
paramètre ; puis
on définit le vecteur momentdipolaire électrique de la configuration
nucléaire x parenfin on définit
l’opérateur
de transition T parAnnales de l’Institut
RÈGLES SÉLECTION EN SPECTROSCOPIE
ici
( 1 ) désigne
leproduit
scalaire de([3 complexifié
duproduit
scalaireusuel de
(~3).
On suppose que l’état vérifie les conditions suivantes :la
première signifie
que si l’on fait subir aux noyaux xi une même transfor- mationorthogonale,
la densité deprobabilité
deprésence
des électrons subit la mêmetransformation ;
la seconde résulte duprincipe
desymétri-
sation. La
première
entraîne que T est unopérateur vectoriel,
i. e. unopéra-
teur tensoriel de type
(0(3), L2(H), U, (:3, -r)
où 03C4 est lacomplexifiée
de lareprésentation
naturelle de0(3)
dans~3.
III RÈGLES
DESÉLECTION
EN SPECTROSCOPIE DE VIBRATION
On ne considère ici que des mouvements vibratoires infiniment
petits
au
voisinage
d’un étatd’équilibre.
Plusprécisément :
1)
On choisit unpoint
a de Happelé configuration
nucléaire àl’équilibre
ou
CNE,
tel quel’énergie potentielle U(a)
soit minimum.2)
On note~’a l’espace
vectoriel tangent à ~ en a, ensemble desn-uplets
v =
(v 1,
... , vérifiant3)
On noteva,vib le
sous-espace vectoriel de formé des v vérifiantle
signe
ndésigne
leproduit
vectoriel usuel dans~3;
les conditions(4)
et
(5)
sontappelées
conditionsd’Eckart ;
la secondeexprime
que le momentcinétique
est nul.4)
On noteGa
legroupe de symétrie de la configuration
a, sous-groupe de0(3)
formé des transformations g ayant lapropriété
suivante : il existeune
permutation s E r, qu’on note ~
telle que5)
On définit unereprésentation
pa deGa
dans~a
parpuis
unesous-représentation
dans le sous-espace stable6) L’espace
des états est ici ~f =qui remplace L2(~’)
utiliséau § II;
on définit unereprésentation
unitaire U deGa
dans H parVol. 44, n° 1-1986.
7)
Pour définirl’opérateur
de transitionT,
onremplace
la fonction Mdu §
II par la restriction à de sa différentielle aupoint a,
soit :pour les relations
(2)
et(3)
entraînentque T est un
opérateur
tensoriel de type(Ga, U, ([3, T)
où Testla
complexifiée
de lareprésentation
naturelle deGa
dans~3.
8)
L’hamiltonien H est une somme d’oscillateursharmoniques ; plus précisément décomposons Va,vib en
sous-espaces irréductibles pour lareprésentation
alors où
où est un oscillateur
harmonique isotrope :
il
représente
une vibration desymétrie
notons ... sessous-espaces propres ; est de dimension
1, engendré
par un étatappelé
étatfondamental
etreprésenté
par une fonctiongaussienne
suril est
invariant
par toutes lesrotations,
et enparticulier
par ilappartient
donc à lareprésentation
triviale deGa.
Le deuxième sous-espace
propre,
est l’ensemble desproduits
de par des formes linéaires surRègles
de sélection.On s’intéresse aux transitions dont l’état initial est l’un des états alors pour tout w E
(:3, T(w).
est leproduit
de par une formelinéaire,
donc
appartient
à la transitionenvisagée
ne peut donc être per- miseque si l’état final ~r 1 appartient à
ceci constitue unepremière
règle
de sélection. Si une telle transition ~~r 1
estpermise,
on ditque la
vibration desymétrie
est active. Le théorème 1 et le fait que~r
1appartient
à lareprésentation
deGa
entraînent le97
THÉORÈME 2. - Pour que la vibration de
symétrie 03C1(k)a,vib
soit active, il estnécessaire que
03C1(k)a,vib
soit contenue dans i.Calcul de 03C1a,vib.
Exemples.
a)
Cas d’une molécule non linéaire(c’est
le cas où lespoints
al, ..., an sont nonalignés).
AlorsGa
estfini;
on démontre que l’on aoù
- T est la
complexifiée
de lareprésentation
naturelle deGa
dans ~3 - A2T est lapuissance
extérieure d’ordre 2 de T, ou encore est donnée parle caractère de 6 est la fonction
qui
associe à tout g EGa
le nombredes indices i =
1,
... , n vérifiantsg(i)
= i.Prenons par
exemple
la moléculeCH4 ;
sa CNE est un tétraèdrerégulier
dont les sommets sont les
quatre
noyauxd’hydrogène,
et le centre - lenoyau de
carbone ; Ga
est le groupe dit groupe dwtétraèdre, isomorphe
au groupe
symétrique C~4 ;
il admet 5représentations irréductibles, notées A2, E, Tb Ï2,
de dimensionsrespectives 1, 1, 2, 3/3 ;
en utilisant la table de caractères deTd
on obtientet on en déduit que les vibrations de
symétrie Ai
et E nepeuvent
pas être actives.b)
Cas d’une molécule linéaire sans centre desymétrie.
Le groupeGa
estici le groupe en utilisant sa table de caractères on voit que
On n’obtient aucune interdiction.
c)
Cas d’une ’ molécule ’ linéaire à centre desymétrie.
’ On a icioù
[je] désigne
lapartie
entière d’un nombre réel x. On en déduit que les vibrations desymétrie A 1 g
etE 1 g
ne peuvent pas être actives.,
Vol. 44, n° 1-1986.
IV .
RÈGLES
DESÉLECTION
EN SPECTROSCOPIE DE ROTATION
On ne considère ici que des mouvements de rotation d’une molécule
qu’on
suppose non linéaire(le
cas des molécules linéaires sera traité à la findu paragraphe).
Plusprécisément :
1)
On choisit unpointa = (~
...,~)
tel que lespoints,
...,~
soient non
alignés ;
on s’intéresse à tous lespoints
de la forme x =où g
parcourt le groupe G =SO(3) ; l’espace
deconfiguration
de notresystème
s’identifie à G par lacorrespondance g
2) L’espace
des états est icil’espace
Jf =L2(G)
construit à l’aide de lamesure de Haar de
G ;
on notera ug etUd
lesreprésentations régulières gauche
et droite de G dans~f,
définies paron note les
représentations
irréductibles deSO(3) ;
x", celles deSO(2). L’espace
Jf admet une base orthonormale formée de fonctions= - j, ... , j - 1~’,
telles queappartienne
à la
représentation
si on fait
opérer SO(3)
via ug ouUd
si on fait
opérer SO(2)
via Ugsi on fait
opérer SO(2)
viaUd.
3)
Pour définirl’opérateur
de transitionT,
on restreint la fonction Mdu §
II à l’ensemble despoints
x = doncpour v E
(:3, ~r
EL2(G),g
EG ;
T est unopérateur
tensoriel de type(G = SO(3), Je, ug, (:3, D 1 ).
4)
On peut définir l’hamiltonien comme suit: il existe uneunique
struc-ture
riemannienne 03C6
surG,
invariante àgauche,
et dont la valeur en l’élé- ment neutre e soit donnée parpour tous A et A’ appartenant à l’ensemble
Te(G)
des matrices 3 x 31
antisymétriques (ici ( 1 ) désigne
leproduit
scalaire ordinaire def~3) ;
(2) est le tenseur d’inertie de la configuration x°.
Annales de l’Institut Henri Poincaré - Physique théorique
99 SÉLECTION EN SPECTROSCOPIE
’ alors H est le
laplacien
associé à cette structure riemannienne. On peut aussi le définirplus
concrètement de lafaçon
suivante : on choisit une base orthonormée deTe(G)
formée de vecteurs e3, propres pour~e
avecvaleurs propres
qu’on
notekl, k2, k3 ;
alorsce
qu’on
écrit traditionnellement sous la formeOn suppose à
partir
de maintenant que deux au moins desvaleurs propres ki
sont
égales (cas
dit de latoupie symétrique ;
si les trois sontégales,
on dittoupie sphérique) ;
alors H admet pour états propres les fonctions~~,m.
Règles
de sélection.On s’intéresse aux transitions de la forme ~
~~-~m-.
THÉORÈME 3. -
(i)
Si la transition ci-dessus estpermise
on a nécessaire-ment -
(ii) Supposons
lareprésentation
i somme d’unereprésentation
triviale de dimension 1 et d’unereprésentation
irréductible de dimension 2(3) ; alors
larèg le
de sélection sur k devientsi de
plus
k = k’ -0,
larègle
de sélectionsur j
devient(iii) Supposons
que i ne contienne pas lareprésentation
triviale(c’est
~lecas notamment si i est irréductible
(4)
ou si laconfiguration x°
admet uncentre de
symétrie)
,. alorsM(x°)
estnul,
aucune transition n’estpermise,
iln’y
a pas de spectre de rotation.e) C’est le cas pour les groupes C"", n > 3, et cela suffit à entraîner qu’on est dans le
cas de la toupie symétrique.
(4) C’est le cas pour les groupes Td et O," et cela entraîne qu’on est dans le cas de la toupie sphérique.
Vol. 44, n° 1-1986.
Cas des molécules linéaires.
Dans ce cas,
l’espace
deconfiguration
est lasphère
S2 de[R3, l’espace
des états est J~ =
L2(S2),
l’hamiltonien est lelaplacien
deS2,
sesétats
propres sont les
harmoniques sphériques Ym ;
lesrègles
de sélectionsur j
et msont les mêmes que ci-dessus.
V
SÉPARATION
DES MOUVEMENTS DE VIBRATION ET DE ROTATIONDans les
paragraphes
III et IV on a étudiéséparément
des mouvementsde vibration infiniment
petits
et des mouvements de rotationarbitraires ;
on peut se demander si un mouvement
quelconque
n’est pas, en un certain sens, unecomposition
de mouvements de vibration et de rotation.Une
première façon
d’aborder leproblème
est de définir des mouvements de vibration «globaux » (par opposition
à « infinimentpetits »)
commeétant les mouvements t )2014~
x(t)
vérifiant la relationce
qui signifie physiquement
que le momentcinétique
de laconfiguration
par rapport à son centre de masse est nul à
chaque
instant. Mais on amontré dans
[3] ] que
cela n’a pasgrand
sens parcequ’il
existe des mouve-ments de vibration tels que la
configuration
finalex(l)
se déduise de laconfiguration
initialex(0)
par une rotation pure et, deplus,
arbitraire ! C’est pour cette raisonqu’on
va se limiter à une étude locale duproblème.
On se donne une
configuration appelée configuration
nucléaire àl’équilibre
ouCNE, qu’on
suppose nonlinéaire,
et on note G . a son orbitesous l’action du groupe G =
SO(3) ;
d’autre part pour tout x E ~’ on notele
sous-espace de tangent en x àG. x;
c’est l’ensembledes v =
(v 1,
...,vn)
E’~x
de la forme v~ = cc~ /B x~ où úJ E[R3;
c’est aussil’orthogonal
de pour leproduit
scalaire B sur défini paroù
( 1 ) désigne
1eproduit
scalaire usuel de~3.
THÉORÈME 4. - Il existe un
voisinage
W de O dans tel quel’appli-
cation H :
(g, w)
~ g .(a
+w)
soit undifféomorphisme
de G x W sur unvoisinage
G-invariant Q de G . a dansCe théorème est un cas
particulier
d’un résultat de Géométrie Différen- tielleappelé
théorème « de la tranche» ou « des tubeslinéaires» ;
pour leSÉLECTION SPECTROSCOPIE MOLÉCULAIRE 101
démontrer,
on remarque d’abord que la différentielle de H aupoint ( 1, 0)
est
bijective, puis
on construit unvoisinage
Q G-invariant en utilisant lacompacité
de G(voir
parexemple [1 ],
ch.IX, § 9,
n°3).
Le théorème 4 permet de définir la notion de
repère
d’Eckart : on fixeun
repère
orthonormé(ek)
de[R3,
et onappelle repère
mobile d’Eckart lié à uneconfiguration
variable x ~ 03A9 lerepère (g. ek)
où x =H( g, w).
Il permet
également
dedécomposer
les vitesses et lesénergies cinétiques ;
considérons en effet un mouvement t )-~ écrivant
on a
où
vrot et Vvib sont
appelées respectivement
vitesse de rotation ou d’entrainement et vitesse de vibration ou relative(par
rapport aurepère d’Eckart).
Enfinl’énergie cinétique
s’écritoù les trois termes du second membre
représentent respectivement
lesénergies de rotation, de
vibration et de Coriolis(ou
d’interaction entre rotation etvibration).
BIBLIOGRAPHIE [1] N. BOURBAKI, Groupes et algèbres de Lie.
[2] M. FÉTIZON, Cours de Chimie de l’École Polytechnique, 1978.
[3] A. GUICHARDET, On rotation and vibration motions of molecules, Ann. Inst. Henri Poin- caré, Phys. Th., t. 40, 1984, p. 329-342.
[4] A. GUICHARDET, Rotations et vibrations des molécules, règles de sélection, Centre de Mathématiques de l’École Polytechnique, 1982.
[5] G. HERZBERG, Molecular spectra and molecular structure (Van Nostrand, 1945).
[6] A. U. KLIMYK, Wigner-Eckart theorem and infinitesimal operators of group represen-
tations, J. Phys. A., t. 16, 1983, p. 3693-3702.
(Manuscrit reçu le 10 mars 1985) (Version révisée reçue , le 20 septembre 1985)
Vol. 44, n° 1-1986.