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IGNOU MPH-016 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU MPH-016 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU MPH-016 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. (a) एक फलनक E[φ] को इस प्रकार परिभाषित किया गया है : E[φ] = (<φ|H|φ>)/( <φ|φ>)। दर्शाइए कि यदि E[φ] किसी अवस्था |φ> के लिए स्थिर है, तो H|φ> = E|φ>। (b) एक समतल तरंग पर विचार करें जिसे ψₖ(x) = e^(ikx)/√2π के रूप में परिभाषित किया गया है। ऑर्थोनॉर्मलता की स्थिति सिद्ध करें: ∫ψ*ₖ'(x)ψₖ(x)dx = δ(k-k’)।

Ans. (a) यह भिन्नता सिद्धांत (variational principle) का एक अनुप्रयोग है। हमें दिया गया है:

E[φ] = (<φ|H|φ>) / (<φ|φ>)

या, E <φ|φ> = <φ|H|φ>

फलनक E[φ] के स्थिर होने के लिए, फलन |φ> में एक छोटे से परिवर्तन |δφ> के लिए E में प्रथम-क्रम परिवर्तन (first-order change) शून्य होना चाहिए। मान लीजिए |φ> → |φ> + |δφ>, जहाँ |δφ> एक अतिसूक्ष्म परिवर्तन है।

E में संगत परिवर्तन δE है। हम δE = 0 की शर्त लगाते हैं।

E + δE = (<φ+δφ|H|φ+δφ>) / (<φ+δφ|φ+δφ>)

अंश (Numerator) का विस्तार करने पर:

<φ+δφ|H|φ+δφ> = <φ|H|φ> + <φ|H|δφ> + <δφ|H|φ> + O(δφ²)

हर (Denominator) का विस्तार करने पर:

<φ+δφ|φ+δφ> = <φ|φ> + <φ|δφ> + <δφ|φ> + O(δφ²)

E[φ] के लिए व्यंजक में इन विस्तारों को प्रतिस्थापित करने पर और केवल प्रथम-क्रम पदों को रखने पर, हमें मिलता है:

E + δE ≈ (<φ|H|φ> + <φ|H|δφ> + <δφ|H|φ>) / (<φ|φ> + <φ|δφ> + <δφ|φ>)

द्विपद सन्निकटन (1+x)⁻¹ ≈ 1-x का उपयोग करने पर:

E + δE ≈ [(<φ|H|φ> + <φ|H|δφ> + <δφ|H|φ>) / <φ|φ>] * [1 – (<φ|δφ> + <δφ|φ>) / <φ|φ>]

प्रथम-क्रम पदों तक विस्तार करने पर:

E + δE ≈ E + (<φ|H|δφ> + <δφ|H|φ>) / <φ|φ> – E * (<φ|δφ> + <δφ|φ>) / <φ|φ>

अतः, δE = [(<φ|H|δφ> + <δφ|H|φ>) – E(<φ|δφ> + <δφ|φ>)] / <φ|φ>

स्थिरता की स्थिति ( stationarity condition ) के लिए, δE = 0।

<φ|H|δφ> + <δφ|H|φ> – E(<φ|δφ> + <δφ|φ>) = 0

चूंकि H एक हर्मिटियन ऑपरेटर है, <δφ|H|φ> =

<φ|H|δφ> +

इसे पुनर्व्यवस्थित करने पर:

चूंकि

2 Re[<δφ | Hφ – Eφ>] = 0.

चूंकि |δφ> एक स्वेच्छ (arbitrary) परिवर्तन है, यह समीकरण तभी सत्य हो सकता है जब कोष्ठक के अंदर का पद शून्य हो।

अतः, H|φ> – E|φ> = 0, या H|φ> = E|φ> ।

यह समय-स्वतंत्र श्रोडिंगर समीकरण (time-independent Schrödinger equation) है, जो दर्शाता है कि स्थिर अवस्था एक ऊर्जा आइगनअवस्था (energy eigenstate) है।

(b) हमें ऑर्थोनॉर्मलता की स्थिति ( orthonormality condition ) सिद्ध करनी है:

∫₋∞⁺∞ ψ*ₖ'(x)ψₖ(x) dx = δ(k-k’)

दिए गए समतल तरंग फलन हैं:

ψₖ(x) = e^(ikx) / √2π

ψ*ₖ'(x) = e^(-ik’x) / √2π

समाकल में इन व्यंजकों को प्रतिस्थापित करने पर:

I = ∫₋∞⁺∞ (e^(-ik’x) / √2π) * (e^(ikx) / √2π) dx

I = (1/2π) ∫₋∞⁺∞ e^(-ik’x) * e^(ikx) dx

I = (1/2π) ∫₋∞⁺∞ e^(i(k-k’)x) dx

यह समाकल डायराक डेल्टा फलन ( Dirac delta function ) की फूरियर निरूपण परिभाषाओं में से एक है। डायराक डेल्टा फलन को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

δ(y) = (1/2π) ∫₋∞⁺∞ e^(iyx) dx

हमारे समाकल में y = k-k’ रखकर, हम प्राप्त करते हैं:

I = δ(k-k’)

अतः, ∫₋∞⁺∞ ψ*ₖ'(x)ψₖ(x) dx = δ(k-k’)।

यह सिद्ध करता है कि एक सतत आधार (continuous basis) में समतल तरंग अवस्थाएं ऑर्थोनॉर्मल हैं। डेल्टा फलन का अर्थ है कि समाकल केवल तभी अशून्य (अनंत) होता है जब k = k’, और अन्यथा शून्य होता है, जो असतत ऑर्थोनॉर्मलता (discrete orthonormality), δᵢⱼ की सतत समरूपता (continuous analogue) है।

Q2. (a) हाइड्रोजन परमाणु के 3p स्तर के लिए गतिज ऊर्जा में आपेक्षिकीय संशोधन (relativistic correction) के कारण ऊर्जा में विस्थापन (ΔEᵣ) का निर्धारण करें। (b) एक हाइड्रोजन परमाणु पर विचार करें जिसका कुल इलेक्ट्रॉनिक कोणीय संवेग क्वांटम संख्या J = 1/2 है और नाभिकीय स्पिन क्वांटम संख्या I = 3/2 है। J और I के बीच युग्मन शक्ति ‘C’ द्वारा दी गई है। कुल कोणीय संवेग क्वांटम संख्या F = 3 और F = 2 के लिए हाइपरफाइन इंटरेक्शन (hyperfine interaction) के कारण ऊर्जा विस्थापन का निर्धारण करें। अपने परिणाम C के पदों में दें।

Ans. (a) गतिज ऊर्जा में प्रथम-क्रम आपेक्षिकीय संशोधन ( relativistic correction ) द्वारा दिया गया ऊर्जा विस्थापन (ΔEᵣ) है:

ΔEᵣ = – (Eₙ²) / (2mc²) * [ n/(l + 1/2) – 3/4 ]

जहाँ Eₙ हाइड्रोजन परमाणु की n-वीं कक्षा की अबाधित ऊर्जा (unperturbed energy) है, Eₙ = -13.6/n² eV, m इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान है, c प्रकाश की गति है, n मुख्य क्वांटम संख्या है, और l दिगंशीय क्वांटम संख्या (azimuthal quantum number) है।

इलेक्ट्रॉन की विराम द्रव्यमान ऊर्जा (rest mass energy) mc² ≈ 0.511 MeV = 511000 eV है।

दिए गए स्तर के लिए, यह 3p स्तर है, इसलिए n = 3 और l = 1 है।

सबसे पहले, अबाधित ऊर्जा E₃ की गणना करें:

E₃ = -13.6 / 3² eV = -13.6 / 9 eV ≈ -1.511 eV

अब, इन मानों को ΔEᵣ के सूत्र में प्रतिस्थापित करें:

ΔEᵣ = – ((-1.511 eV)²) / (2 511000 eV) [ 3/(1 + 1/2) – 3/4 ]

ΔEᵣ = – (2.283 eV²) / (1022000 eV) * [ 3/(3/2) – 3/4 ]

ΔEᵣ = – (2.234 × 10⁻⁶ eV) * [ 2 – 3/4 ]

ΔEᵣ = – (2.234 × 10⁻⁶ eV) * [ 5/4 ]

ΔEᵣ ≈ -2.79 × 10⁻⁶ eV

अतः, हाइड्रोजन परमाणु के 3p स्तर के लिए आपेक्षिकीय संशोधन के कारण ऊर्जा में विस्थापन लगभग -2.79 × 10⁻⁶ eV है। यह ऋणात्मक विस्थापन इंगित करता है कि आपेक्षिकीय प्रभाव ऊर्जा स्तर को कम करता है।

(b) हाइपरफाइन इंटरेक्शन ( hyperfine interaction ) नाभिकीय स्पिन कोणीय संवेग I और कुल इलेक्ट्रॉनिक कोणीय संवेग J के बीच युग्मन के कारण होता है। कुल कोणीय संवेग F = I + J द्वारा दिया जाता है। F के लिए क्वांटम संख्या F, |I – J| से I + J तक के पूर्णांक मान ले सकती है।

दिए गए मान हैं: J = 1/2, I = 3/2।

इसलिए, F के संभावित मान हैं: |3/2 – 1/2| … 3/2 + 1/2, जो F = 1, 2 हैं।

ध्यान दें: प्रश्न में F = 3 के लिए गणना करने को कहा गया है, जो दिए गए J और I मानों के लिए संभव नहीं है। यह प्रश्न पत्र में एक संभावित टंकण त्रुटि (typo) है। हम केवल वैध F मानों, F=2 और F=1 के लिए गणना करेंगे।

हाइपरफाइन इंटरेक्शन के कारण ऊर्जा विस्थापन (ΔE_HF) सूत्र द्वारा दिया गया है:

ΔE_HF = (C/2) * [F(F+1) – J(J+1) – I(I+1)]

जहाँ C युग्मन स्थिरांक (coupling constant) है।

हमारे पास है:

J(J+1) = (1/2)(1/2 + 1) = 3/4

I(I+1) = (3/2)(3/2 + 1) = 15/4

अब, हम प्रत्येक वैध F मान के लिए ΔE_HF की गणना करते हैं:

  • F = 2 के लिए: F(F+1) = 2(2+1) = 6 ΔE_HF(F=2) = (C/2) * [6 – 3/4 – 15/4] ΔE_HF(F=2) = (C/2) [6 – 18/4] = (C/2) [6 – 4.5] ΔE_HF(F=2) = 1.5 * (C/2) = 0.75C
  • F = 1 के लिए (प्रश्न में F=3 के बजाय): F(F+1) = 1(1+1) = 2 ΔE_HF(F=1) = (C/2) * [2 – 3/4 – 15/4] ΔE_HF(F=1) = (C/2) [2 – 18/4] = (C/2) [2 – 4.5] ΔE_HF(F=1) = -2.5 * (C/2) = -1.25C

अतः, F = 2 के लिए ऊर्जा विस्थापन +0.75C है और F = 1 के लिए (जो कि F=3 के बजाय एक वैध मान है) ऊर्जा विस्थापन -1.25C है।

Q3. (a) एक निश्चित परमाणु के द्विक (doublet) से संबंधित तरंगदैर्ध्य क्रमशः 4²P₃/₂ → 4²S₁/₂ और 4²P₁/₂ → 4²S₁/₂ संक्रमणों के लिए 766.5 nm और 769.9 nm हैं। परमाणु की पहली उत्तेजित अवस्था के द्विक स्तरों 4²P₃/₂ और 4²P₁/₂ के बीच ऊर्जा पृथक्करण (energy separation) का अनुमान लगाएं। (b) हाइड्रोजन परमाणु की ³D₅/₂ अवस्था के लिए जीमान स्तरों (Zeeman levels) की कुल संख्या निर्धारित करें। यदि बाह्य चुंबकीय क्षेत्र 0.5T है, तो mⱼ = +5/2 और mⱼ = -5/2 के लिए ऊर्जा अंतराल (energy spacing) की गणना करें।

Ans. (a) दो संक्रमण एक सामान्य निम्न स्तर, 4²S₁/₂, पर समाप्त होते हैं और दो भिन्न ऊपरी स्तरों, 4²P₃/₂ और 4²P₁/₂, से उत्पन्न होते हैं। इन दो ऊपरी स्तरों के बीच ऊर्जा पृथक्करण उत्सर्जित फोटॉनों की ऊर्जा में अंतर के बराबर होगा।

फोटॉन की ऊर्जा E = hc/λ द्वारा दी जाती है, जहाँ h प्लैंक स्थिरांक है, c प्रकाश की गति है, और λ तरंगदैर्ध्य है।

दिए गए संक्रमण हैं:

1. E₁: 4²P₃/₂ → 4²S₁/₂ với λ₁ = 766.5 nm = 766.5 × 10⁻⁹ m

2. E₂: 4²P₁/₂ → 4²S₁/₂ với λ₂ = 769.9 nm = 769.9 × 10⁻⁹ m

द्विक स्तरों 4²P₃/₂ और 4²P₁/₂ के बीच ऊर्जा पृथक्करण, ΔE_P, है:

ΔE_P = |E(4²P₃/₂) – E(4²P₁/₂)|

यह ऊर्जा अंतर उत्सर्जित फोटॉनों की ऊर्जा के अंतर के बराबर है:

ΔE_P = |E₁ – E₂| = |(hc/λ₁) – (hc/λ₂)| = hc |(1/λ₁) – (1/λ₂)|

दिए गए मानों को प्रतिस्थापित करने पर:

h = 6.626 × 10⁻³⁴ J s

c = 3 × 10⁸ m/s

ΔE_P = (6.626 × 10⁻³⁴ J s) × (3 × 10⁸ m/s) * |(1 / (766.5 × 10⁻⁹ m)) – (1 / (769.9 × 10⁻⁹ m))|

ΔE_P = (1.9878 × 10⁻²⁵ J m) * |(1.3045 × 10⁶ m⁻¹) – (1.2988 × 10⁶ m⁻¹)|

ΔE_P = (1.9878 × 10⁻²⁵ J m) * (0.0057 × 10⁶ m⁻¹)

ΔE_P ≈ 1.133 × 10⁻²¹ J

ऊर्जा को इलेक्ट्रॉन-वोल्ट (eV) में बदलने के लिए, हम 1.602 × 10⁻¹⁹ J/eV से विभाजित करते हैं:

ΔE_P (eV) = (1.133 × 10⁻²¹ J) / (1.602 × 10⁻¹⁹ J/eV) ≈ 0.00707 eV

अतः, 4²P₃/₂ और 4²P₁/₂ स्तरों के बीच ऊर्जा पृथक्करण लगभग 7.07 meV है।

(b) ध्यान दें: प्रश्न में हाइड्रोजन परमाणु की ³D₅/₂ अवस्था का उल्लेख है। हाइड्रोजन एक-इलेक्ट्रॉन परमाणु है, इसलिए इसका कुल स्पिन S = 1/2 है और यह केवल द्विक (doublet) अवस्थाओं (2S+1=2) का प्रदर्शन कर सकता है। ³D अवस्था (S=1, 2S+1=3, एक त्रिक) हाइड्रोजन के लिए संभव नहीं है। यह एक टंकण त्रुटि प्रतीत होती है। हम यह मानकर आगे बढ़ेंगे कि प्रश्न का आशय हाइड्रोजन की ²D₅/₂ अवस्था से है।

²D₅/₂ अवस्था के लिए, हमारे पास है: L=2, S=1/2, और J=5/2।

जीमान स्तरों की संख्या:

एक बाह्य चुंबकीय क्षेत्र में, एक J स्तर 2J+1 उप-स्तरों में विभाजित हो जाता है, जो चुंबकीय क्वांटम संख्या mⱼ के विभिन्न मानों के अनुरूप होते हैं।

स्तरों की संख्या = 2J + 1 = 2(5/2) + 1 = 5 + 1 = 6 ।

ये स्तर mⱼ = -5/2, -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, +5/2 के अनुरूप हैं।

ऊर्जा अंतराल:

एक चुंबकीय क्षेत्र B में एक जीमान स्तर का ऊर्जा विस्थापन ΔE_Z द्वारा दिया जाता है:

ΔE_Z = mⱼ gⱼ μ_B * B

जहाँ gⱼ लैंडे जी-फैक्टर है और μ_B बोहर मैग्नेटॉन है।

पहले, हम gⱼ की गणना करते हैं:

gⱼ = 1 + [J(J+1) + S(S+1) – L(L+1)] / [2J(J+1)]

J=5/2, S=1/2, L=2 के लिए:

J(J+1) = (5/2)(7/2) = 35/4

S(S+1) = (1/2)(3/2) = 3/4

L(L+1) = 2(3) = 6

gⱼ = 1 + [(35/4) + (3/4) – 6] / [2 * (35/4)] = 1 + [(38/4) – (24/4)] / [35/2] = 1 + [14/4] / [35/2]

gⱼ = 1 + (7/2) / (35/2) = 1 + 7/35 = 1 + 1/5 = 6/5 = 1.2

अब, mⱼ = +5/2 और mⱼ = -5/2 स्तरों के बीच ऊर्जा अंतराल (spacing) की गणना करें:

E(mⱼ=+5/2) = E₀ + (5/2) gⱼ μ_B * B

E(mⱼ=-5/2) = E₀ + (-5/2) gⱼ μ_B * B

ऊर्जा अंतराल, ΔE = E(mⱼ=+5/2) – E(mⱼ=-5/2)

ΔE = [(5/2) – (-5/2)] gⱼ μ_B B = 5 gⱼ μ_B B

दिए गए मानों को प्रतिस्थापित करने पर B = 0.5 T, μ_B = 5.788 × 10⁻⁵ eV/T, और gⱼ = 1.2:

ΔE = 5 (1.2) (5.788 × 10⁻⁵ eV/T) * (0.5 T)

ΔE = 6 (5.788 × 10⁻⁵ eV/T) (0.5 T)

ΔE = 3 * (5.788 × 10⁻⁵ eV) = 1.7364 × 10⁻⁴ eV

अतः, mⱼ = +5/2 और mⱼ = -5/2 स्तरों के बीच ऊर्जा अंतराल 1.7364 × 10⁻⁴ eV है।

Q4. बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन (Born-Oppenheimer approximation) की मूल धारणाओं को लिखें। इस सन्निकटन के तहत एक अणु के कुल तरंग फलन को लिखें। इलेक्ट्रॉनिक और नाभिकीय गति के लिए हैमिल्टनियन लिखें। इस सन्निकटन के भौतिक महत्व पर चर्चा करें।

Ans. बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन आणविक क्वांटम यांत्रिकी में एक मौलिक अवधारणा है जो एक अणु के तरंग फलन के निर्धारण को सरल बनाता है।

मूल धारणाएं (Basic Assumptions):

सन्निकटन की मुख्य धारणा यह है कि नाभिक इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत भारी होते हैं (सबसे हल्के नाभिक, प्रोटॉन, का द्रव्यमान भी इलेक्ट्रॉन से लगभग 1836 गुना अधिक होता है)। इस बड़े द्रव्यमान अंतर के कारण, नाभिक इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत धीमी गति से चलते हैं। इसके परिणामस्वरूप, हम मान सकते हैं कि:

  1. इलेक्ट्रॉन नाभिकों की तात्कालिक स्थिति के प्रति तुरंत प्रतिक्रिया करते हैं। दूसरे शब्दों में, जब हम इलेक्ट्रॉनिक गति का समाधान करते हैं, तो हम नाभिकों को अंतरिक्ष में एक निश्चित स्थिति ( fixed configuration ) में मान सकते हैं।
  2. नाभिक एक औसत विभव (average potential) में चलते हैं जो सभी इलेक्ट्रॉनों की गति द्वारा बनाया जाता है।

इस प्रकार, यह सन्निकटन इलेक्ट्रॉनिक और नाभिकीय गति के पृथक्करण (separation of electronic and nuclear motion) की अनुमति देता है।

कुल तरंग फलन (Total Wave Function):

बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन के तहत, अणु का कुल तरंग फलन Ψ( r , R ) (जहाँ r इलेक्ट्रॉनिक निर्देशांक और R नाभिकीय निर्देशांक हैं) इलेक्ट्रॉनिक और नाभिकीय तरंग फलनों के गुणनफल के रूप में लिखा जा सकता है:

Ψ(r, R) ≈ ψₑₗ(r; R) χₙᵤ꜀(R)

यहाँ, ψₑₗ(r; R) इलेक्ट्रॉनिक तरंग फलन है, जो नाभिकीय निर्देशांक R पर पैरामीट्रिक रूप से निर्भर करता है। χₙᵤ꜀(R) नाभिकीय तरंग फलन है, जो नाभिकों की कंपन और घूर्णन गति का वर्णन करता है।

हैमिल्टनियन (Hamiltonian):

कुल हैमिल्टनियन को दो भागों में विभाजित किया जा सकता है:

1. इलेक्ट्रॉनिक हैमिल्टनियन (Hₑₗ): यह स्थिर नाभिकों के क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों की गति का वर्णन करता है। इसमें इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा (Tₑ), इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण (Vₑₑ), और इलेक्ट्रॉन-नाभिक आकर्षण (Vₑₙ) शामिल हैं। नाभिकीय गतिज ऊर्जा (Tₙ) को उपेक्षित किया जाता है और नाभिक-नाभिक प्रतिकर्षण (Vₙₙ) इस गणना के लिए एक स्थिरांक है।

Hₑₗ = Tₑ + Vₑₑ + Vₑₙ

संबद्ध श्रोडिंगर समीकरण है: Hₑₗ ψₑₗ(r; R) = Eₑₗ(R) ψₑₗ(r; R)। यहाँ, इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा Eₑₗ(R) नाभिकीय विन्यास R पर निर्भर करती है।

2. नाभिकीय हैमिल्टनियन (Hₙᵤ꜀): यह नाभिकों की गति का वर्णन करता है। इसमें नाभिकीय गतिज ऊर्जा (Tₙ) और एक प्रभावी विभव ऊर्जा शामिल है, जो इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा Eₑₗ(R) और नाभिक-नाभिक प्रतिकर्षण Vₙₙ(R) का योग है।

Hₙᵤ꜀ = Tₙ + Eₑₗ(R) + Vₙₙ(R)

व्यंजक U(R) = Eₑₗ(R) + Vₙₙ(R) को स्थितिज ऊर्जा सतह (Potential Energy Surface – PES) कहा जाता है।

संबद्ध श्रोडिंगर समीकरण है: Hₙᵤ꜀ χₙᵤ꜀(R) = E χₙᵤ꜀(R), जहाँ E अणु की कुल ऊर्जा है।

भौतिक महत्व (Physical Significance):

बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन का भौतिक महत्व अत्यधिक है:

  • यह एक अत्यंत जटिल कई-कण समस्या को दो सरल, अलग-अलग समस्याओं में तोड़ देता है: एक इलेक्ट्रॉनिक और एक नाभिकीय।
  • यह स्थितिज ऊर्जा सतह (PES) की अवधारणा को प्रस्तुत करता है, जो आणविक संरचना और रसायन शास्त्र की समझ के लिए केंद्रीय है। PES हमें अणु की संतुलन ज्यामिति (equilibrium geometry), बंधन ऊर्जा, कंपन आवृत्तियों और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए सक्रियण बाधाओं की भविष्यवाणी करने की अनुमति देता है।
  • यह हमें अणुओं की कंपन और घूर्णन स्पेक्ट्रा को समझने और व्याख्या करने में सक्षम बनाता है, क्योंकि ये नाभिकीय गति से उत्पन्न होते हैं जो PES पर होती है।

संक्षेप में, यह सन्निकटन आधुनिक कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान और आणविक स्पेक्ट्रोस्कोपी की नींव है।

Q5. (a) आइगन फलन ψ₋ = N₋(1sₐ – 1s♭) के लिए प्रसामान्यीकरण स्थिरांक (normalization constant) प्राप्त करें, जहाँ 1sₐ और 1s♭ क्रमशः परमाणु ‘a’ और परमाणु ‘b’ पर केंद्रित हाइड्रोजन 1s-प्रकार के ऑर्बिटल हैं। प्रसामान्यीकरण स्थिरांक को ओवरलैप समाकल Sₐ♭ के पदों में व्यक्त करें। (b) एक दो-इलेक्ट्रॉन प्रणाली के लिए एक आणविक इलेक्ट्रॉनिक विन्यास πg⁴ पर विचार करें। विन्यास से जुड़े पद प्रतीकों (term symbols) का निर्धारण करें।

Ans. (a) एक तरंग फलन ψ के लिए प्रसामान्यीकरण की शर्त है <ψ|ψ> = ∫ψ*ψ dτ = 1।

दिए गए एंटी-बॉन्डिंग आणविक ऑर्बिटल (antibonding molecular orbital) के लिए:

ψ₋ = N₋(1sₐ – 1s♭)

यह मानते हुए कि 1s ऑर्बिटल वास्तविक फलन (real functions) हैं, ψ* = ψ। प्रसामान्यीकरण की शर्त बन जाती है:

∫[N₋(1sₐ – 1s♭)]² dτ = 1

N₋² ∫(1sₐ² – 2(1sₐ)(1s♭) + 1s♭²) dτ = 1

समाकल को पदों में विभाजित करने पर:

N₋² [∫1sₐ² dτ + ∫1s♭² dτ – 2∫(1sₐ)(1s♭) dτ] = 1

अब हम प्रत्येक पद की पहचान करते हैं:

  • ∫1sₐ² dτ = <1sₐ|1sₐ> = 1 (चूंकि परमाणु ऑर्बिटल 1sₐ प्रसामान्यीकृत है)।
  • ∫1s♭² dτ = <1s♭|1s♭> = 1 (चूंकि परमाणु ऑर्बिटल 1s♭ प्रसामान्यीकृत है)।
  • ∫(1sₐ)(1s♭) dτ = <1sₐ|1s♭> = Sₐ♭ (परिभाषा के अनुसार, यह परमाणु ऑर्बिटल्स के बीच ओवरलैप समाकल (overlap integral) है)।

इन मानों को समीकरण में प्रतिस्थापित करने पर:

N₋² [1 + 1 – 2Sₐ♭] = 1

N₋² [2(1 – Sₐ♭)] = 1

N₋² = 1 / [2(1 – Sₐ♭)]

अतः, प्रसामान्यीकरण स्थिरांक N₋ है:

N₋ = 1 / √[2(1 – Sₐ♭)]

(b) ध्यान दें: प्रश्न में πg⁴ विन्यास का उल्लेख है, जो 4 इलेक्ट्रॉनों को संदर्भित करता है। हालांकि, यह “दो-इलेक्ट्रॉन प्रणाली” के रूप में वर्णित है। यह एक टंकण त्रुटि है। हम यह मानकर आगे बढ़ेंगे कि प्रश्न का आशय एक समनाभिकीय द्विपरमाणुक अणु (homonuclear diatomic molecule) में (πg)² विन्यास से है।

(πg)² विन्यास के लिए, हमारे पास πg ऑर्बिटल में दो इलेक्ट्रॉन हैं। एक π ऑर्बिटल में दिगंशीय कोणीय संवेग प्रक्षेपण क्वांटम संख्या mₗ = ±1 होती है।

हम कुल कक्षीय कोणीय संवेग प्रक्षेपण, Mₗ = mₗ₁ + mₗ₂, और कुल स्पिन कोणीय संवेग प्रक्षेपण, Mₛ = mₛ₁ + mₛ₂, की गणना करते हैं।

पाउली अपवर्जन सिद्धांत (Pauli Exclusion Principle) को लागू करने के लिए, हम संभावित सूक्ष्म अवस्थाओं (microstates) (mₗ₁, mₛ₁; mₗ₂, mₛ₂) पर विचार करते हैं।

संभावित Mₗ मान:

  • mₗ₁=+1, mₗ₂=+1 → Mₗ = +2
  • mₗ₁=-1, mₗ₂=-1 → Mₗ = -2
  • mₗ₁=+1, mₗ₂=-1 → Mₗ = 0

इसलिए, हमारे पास |Mₗ| के अधिकतम मान 2 के साथ अवस्थाएं हैं, जो एक Δ अवस्था (L=2) को इंगित करती हैं, और Mₗ=0 के साथ अवस्थाएं हैं, जो Σ अवस्थाओं (L=0) को इंगित करती हैं।

अब हम स्पिन और पाउली सिद्धांत पर विचार करते हैं:

1. Mₗ = ±2 के लिए (Δ अवस्था):

दोनों इलेक्ट्रॉन एक ही स्थानिक ऑर्बिटल (या तो mₗ=+1 या mₗ=-1) में हैं। पाउली सिद्धांत के अनुसार, उनके स्पिन विपरीत होने चाहिए (एक का mₛ=+1/2, दूसरे का -1/2)। इसलिए, Mₛ = 0, जो कुल स्पिन S=0 (एकक, singlet) को इंगित करता है। यह हमें एक ¹Δ पद देता है।

2. Mₗ = 0 के लिए (Σ अवस्थाएं):

एक इलेक्ट्रॉन mₗ=+1 में है और दूसरा mₗ=-1 में है। चूंकि वे विभिन्न स्थानिक ऑर्बिटल्स में हैं, उनके स्पिन या तो समानांतर (S=1, त्रिक, triplet) या प्रति-समानांतर (S=0, एकक, singlet) हो सकते हैं।

  • S=1 (त्रिक): Mₛ = +1, 0, -1। यह एक ³Σ पद को जन्म देता है।
  • S=0 (एकक): Mₛ = 0। यह एक ¹Σ पद को जन्म देता है।

अब हम सममिति गुणों (symmetry properties) का निर्धारण करते हैं:

  • पैरिटी (g/u): चूंकि दोनों इलेक्ट्रॉन g (gerade) ऑर्बिटल में हैं, कुल पैरिटी g × g = g है। सभी पद g होंगे।
  • Σ अवस्थाओं के लिए परावर्तन सममिति (+/-):
    • ¹Σ अवस्था के लिए, स्पिन तरंग फलन एंटीसिमेट्रिक होता है, इसलिए स्थानिक तरंग फलन सिमेट्रिक होना चाहिए। सिमेट्रिक स्थानिक संयोजन एक नाभिकीय अक्ष वाले तल में परावर्तन के तहत सिमेट्रिक (+1) होता है। इसलिए, यह एक ¹Σg⁺ पद है।
    • ³Σ अवस्था के लिए, स्पिन तरंग फलन सिमेट्रिक होता है, इसलिए स्थानिक तरंग फलन एंटीसिमेट्रिक होना चाहिए। एंटीसिमेट्रिक स्थानिक संयोजन परावर्तन के तहत एंटीसिमेट्रिक (-1) होता है। इसलिए, यह एक ³Σg⁻ पद है।

अतः, (πg)² विन्यास से जुड़े पद प्रतीक हैं: ³Σg⁻, ¹Δg, ¹Σg⁺ ।

Q6. HBr का कंपन स्पेक्ट्रम 2649 cm⁻¹ पर एक बहुत तीव्र अवशोषण और 5188 cm⁻¹ पर एक कमजोर अवशोषण दिखाता है। अणु की संतुलन दोलन आवृत्ति (ωₑ), अनहार्मोनिसिटी स्थिरांक (xₑ), शून्य-बिंदु ऊर्जा, और बल स्थिरांक (k) का निर्धारण करें।

Ans. एक अनहार्मोनिक दोलक (anharmonic oscillator) के कंपन ऊर्जा स्तर (cm⁻¹ में) दिए गए हैं:

G(v) = ωₑ(v + 1/2) – ωₑxₑ(v + 1/2)²

जहाँ ωₑ संतुलन दोलन आवृत्ति है, xₑ अनहार्मोनिसिटी स्थिरांक है, और v कंपन क्वांटम संख्या है।

तीव्र अवशोषण मौलिक संक्रमण (fundamental transition) (v=0 → v=1) से मेल खाता है, और कमजोर अवशोषण प्रथम अधिस्वर (first overtone) (v=0 → v=2) से मेल खाता है।

(प्रश्न में 5188 cm⁻¹ मान का उपयोग किया गया है, क्योंकि 588 cm⁻¹ एक स्पष्ट टंकण त्रुटि है।)

1. मौलिक संक्रमण (ν̃₁):

ν̃₁ = G(1) – G(0) = [ωₑ(3/2) – ωₑxₑ(9/4)] – [ωₑ(1/2) – ωₑxₑ(1/4)]

ν̃₁ = ωₑ – 2ωₑxₑ = 2649 cm⁻¹ — (Eq. 1)

2. प्रथम अधिस्वर (ν̃₂):

ν̃₂ = G(2) – G(0) = [ωₑ(5/2) – ωₑxₑ(25/4)] – [ωₑ(1/2) – ωₑxₑ(1/4)]

ν̃₂ = 2ωₑ – 6ωₑxₑ = 5188 cm⁻¹ — (Eq. 2)

अब हमारे पास ωₑ और ωₑxₑ के लिए दो समीकरणों की एक प्रणाली है।

Eq. 1 को 3 से गुणा करने पर:

3ωₑ – 6ωₑxₑ = 3 × 2649 = 7947 cm⁻¹ — (Eq. 3)

Eq. 3 से Eq. 2 को घटाने पर:

(3ωₑ – 6ωₑxₑ) – (2ωₑ – 6ωₑxₑ) = 7947 – 5188

ωₑ = 2759 cm⁻¹

अब, ωₑ का मान Eq. 1 में प्रतिस्थापित करने पर:

2759 – 2ωₑxₑ = 2649

2ωₑxₑ = 2759 – 2649 = 110

ωₑxₑ = 55 cm⁻¹

अनहार्मोनिसिटी स्थिरांक xₑ है:

xₑ = (ωₑxₑ) / ωₑ = 55 / 2759 ≈ 0.0199

3. शून्य-बिंदु ऊर्जा (Zero-Point Energy, ZPE):

ZPE, v=0 स्तर की ऊर्जा है:

G(0) = ωₑ(1/2) – ωₑxₑ(1/4)

G(0) = (2759 / 2) – (55 / 4) = 1379.5 – 13.75 = 1365.75 cm⁻¹

4. बल स्थिरांक (Force Constant, k):

बल स्थिरांक का संबंध ωₑ से होता है:

ωₑ (s⁻¹ में) = c ωₑ (cm⁻¹ में) = (1 / 2π) √(k / μ)

k = (2πc ωₑ_cm⁻¹)² μ

HBr का लघुकृत द्रव्यमान (reduced mass) μ की गणना करें:

m_H = 1.00784 amu, m_Br = 79.904 amu

μ = (m_H m_Br) / (m_H + m_Br) = (1.00784 79.904) / (1.00784 + 79.904) = 80.536 / 80.91184 ≈ 0.99535 amu

μ = 0.99535 amu * (1.66054 × 10⁻²⁷ kg/amu) ≈ 1.6528 × 10⁻²⁷ kg

अब k की गणना करें:

k = [2π (3 × 10¹⁰ cm/s) (2759 cm⁻¹)]² * (1.6528 × 10⁻²⁷ kg)

k = [5.199 × 10¹⁴ s⁻¹]² * (1.6528 × 10⁻²⁷ kg)

k = (2.703 × 10²⁹ s⁻²) * (1.6528 × 10⁻²⁷ kg)

k ≈ 412.3 N/m

सारांश:

  • संतुलन दोलन आवृत्ति (ωₑ) = 2759 cm⁻¹
  • अनहार्मोनिसिटी स्थिरांक (xₑ) = 0.0199 (या ωₑxₑ = 55 cm⁻¹)
  • शून्य-बिंदु ऊर्जा = 1365.75 cm⁻¹
  • बल स्थिरांक (k) = 412.3 N/m

Q7. एक द्विपरमाणुक अणु की उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक अवस्था (B’) के लिए घूर्णी स्थिरांक (rotational constant) उसकी जमीनी इलेक्ट्रॉनिक अवस्था (B”) के घूर्णी स्थिरांक से 25% छोटा है। P-शाखा और R-शाखा की पहली तीन रेखाओं के लिए मान और क्रमिक पृथक्करण का निर्धारण करें, जहाँ v’ = 1, v” = 0, B” = 1.8 cm⁻¹ और ΔG(v’=1,v”=0) = 5000 cm⁻¹।

Ans. इस प्रश्न में, हम एक द्विपरमाणुक अणु के रो-वाइब्रेशनल स्पेक्ट्रम (rovibrational spectrum) का विश्लेषण करते हैं।

दिए गए पैरामीटर:

  • बैंड उद्गम (Band origin), ν̃₀ = ΔG(v’=1,v”=0) = 5000 cm⁻¹
  • जमीनी अवस्था का घूर्णी स्थिरांक, B” = 1.8 cm⁻¹
  • उत्तेजित अवस्था का घूर्णी स्थिरांक, B’, B” से 25% छोटा है: B’ = B” – 0.25 B” = 0.75 B” = 0.75 * 1.8 cm⁻¹ = 1.35 cm⁻¹

हम R-शाखा (ΔJ = J’ – J” = +1) और P-शाखा (ΔJ = J’ – J” = -1) की रेखाओं की स्थिति की गणना करेंगे।

R-शाखा की रेखाओं के लिए सूत्र:

ν̃_R(J”) = ν̃₀ + (B’ + B”)(J” + 1) + (B’ – B”)(J” + 1)² (जहाँ J” = 0, 1, 2, …)

P-शाखा की रेखाओं के लिए सूत्र:

ν̃_P(J”) = ν̃₀ – (B’ + B”)J” + (B’ – B”)J”² (जहाँ J” = 1, 2, 3, …)

स्थिरांकों की गणना करें:

B’ + B” = 1.35 + 1.8 = 3.15 cm⁻¹

B’ – B” = 1.35 – 1.8 = -0.45 cm⁻¹

R-शाखा (R-branch):

  • पहली रेखा (J” = 0): ν̃_R(0) = 5000 + (3.15)(1) + (-0.45)(1)² = 5000 + 3.15 – 0.45 = 5002.7 cm⁻¹
  • दूसरी रेखा (J” = 1): ν̃_R(1) = 5000 + (3.15)(2) + (-0.45)(2)² = 5000 + 6.30 – 1.80 = 5004.5 cm⁻¹
  • तीसरी रेखा (J” = 2): ν̃_R(2) = 5000 + (3.15)(3) + (-0.45)(3)² = 5000 + 9.45 – 4.05 = 5005.4 cm⁻¹

R-शाखा में क्रमिक पृथक्करण (Successive separation):

  • ν̃_R(1) – ν̃_R(0) = 5004.5 – 5002.7 = 1.8 cm⁻¹
  • ν̃_R(2) – ν̃_R(1) = 5005.4 – 5004.5 = 0.9 cm⁻¹

पृथक्करण घट रहा है, जो एक R-शाखा बैंड हेड (band head) के गठन को इंगित करता है, जैसा कि B’ < B” के लिए अपेक्षित है।

P-शाखा (P-branch):

  • पहली रेखा (J” = 1): ν̃_P(1) = 5000 – (3.15)(1) + (-0.45)(1)² = 5000 – 3.15 – 0.45 = 4996.4 cm⁻¹
  • दूसरी रेखा (J” = 2): ν̃_P(2) = 5000 – (3.15)(2) + (-0.45)(2)² = 5000 – 6.30 – 1.80 = 4991.9 cm⁻¹
  • तीसरी रेखा (J” = 3): ν̃_P(3) = 5000 – (3.15)(3) + (-0.45)(3)² = 5000 – 9.45 – 4.05 = 4986.5 cm⁻¹

P-शाखा में क्रमिक पृथक्करण:

  • ν̃_P(1) – ν̃_P(2) = 4996.4 – 4991.9 = 4.5 cm⁻¹
  • ν̃_P(2) – ν̃_P(3) = 4991.9 – 4986.5 = 5.4 cm⁻¹

पृथक्करण बढ़ रहा है, जैसा कि P-शाखा के लिए सामान्य है।

Q8. (a) सेलेनियम सॉफ्ट एक्स-रे लेजर ⁸⁰Se²⁴⁺ आयनों में 20.6 nm के तरंगदैर्ध्य पर काम करता है। ये आयन लगभग 10⁷ K के प्लाज्मा तापमान पर उत्पन्न होते हैं। इस लेजर की डॉप्लर चौड़ाई (Doppler width) 632.8 nm और 100°C पर काम करने वाले He-Ne लेजर में डॉप्लर चौड़ाई की तुलना में कितनी बड़ी है? यहाँ सेलेनियम का परमाणु द्रव्यमान 80 a.m.u. और नियॉन का परमाणु द्रव्यमान 20 a.m.u. है। (b) एक रूबी लेजर और एक मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के बीच मुख्य अंतर बताएं।

Ans. (a) डॉप्लर चौड़ान या डॉप्लर विस्तार ( Doppler broadening ) उत्सर्जक परमाणुओं या आयनों की तापीय गति के कारण होता है। तरंगदैर्ध्य में डॉप्लर चौड़ाई (Δλ_D) के लिए सूत्र है:

Δλ_D = (2λ₀/c) * √[(2k_B T ln2) / M]

जहाँ λ₀ केंद्रीय तरंगदैर्ध्य है, c प्रकाश की गति है, k_B बोल्ट्जमान स्थिरांक है, T तापमान (केल्विन में) है, और M उत्सर्जक कण का द्रव्यमान है।

हम दो लेजरों की डॉप्लर चौड़ाई के अनुपात की गणना करना चाहते हैं: (Δλ_D)_Se / (Δλ_D)_Ne।

Ratio = [(2λ_Se/c) √[(2k_B T_Se ln2) / M_Se]] / [(2λ_Ne/c) √[(2k_B T_Ne ln2) / M_Ne]]

स्थिरांक (2, c, k_B, ln2) रद्द हो जाते हैं, जिससे यह सरल हो जाता है:

Ratio = (λ_Se / λ_Ne) * √[(T_Se / M_Se) / (T_Ne / M_Ne)]

Ratio = (λ_Se / λ_Ne) √[(T_Se / T_Ne) (M_Ne / M_Se)]

दिए गए मानों को प्रतिस्थापित करें:

सेलेनियम (Se) लेजर:

  • λ_Se = 20.6 nm
  • T_Se = 10⁷ K
  • M_Se = 80 a.m.u.

हीलियम-नियॉन (He-Ne) लेजर: (हम उत्सर्जक प्रजाति के रूप में नियॉन का उपयोग करते हैं)

  • λ_Ne = 632.8 nm
  • T_Ne = 100°C = 100 + 273.15 = 373.15 K
  • M_Ne = 20 a.m.u.

अब अनुपात की गणना करें:

Ratio = (20.6 / 632.8) √[(10⁷ / 373.15) (20 / 80)]

Ratio = (0.03255) √[(26799) (0.25)]

Ratio = 0.03255 * √[6699.75]

Ratio = 0.03255 * 81.85

Ratio ≈ 2.66

अतः, सेलेनियम सॉफ्ट एक्स-रे लेजर की डॉप्लर चौड़ाई He-Ne लेजर की डॉप्लर चौड़ाई से लगभग 2.66 गुना बड़ी है। अत्यधिक उच्च प्लाज्मा तापमान इस बड़े विस्तार में प्रमुख योगदानकर्ता है, भले ही इसका तरंगदैर्ध्य बहुत छोटा हो।

(b) एक रूबी लेजर और एक मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (Free Electron Laser – FEL) के बीच मुख्य अंतर निम्नलिखित हैं:

  1. लाभ माध्यम (Gain Medium):
    • रूबी लेजर: एक ठोस-अवस्था लाभ माध्यम का उपयोग करता है, जो एल्यूमीनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) क्रिस्टल में डोप किए गए क्रोमियम आयन (Cr³⁺) होते हैं। लेसिंग क्रिया इन आयनों के निश्चित, असतत इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा स्तरों के बीच होती है। यह एक तीन-स्तरीय लेजर प्रणाली है।
    • मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (FEL): लाभ माध्यम के रूप में एक आवधिक चुंबकीय संरचना (जिसे ‘विगलर’ या ‘अंड्यूलेटर’ कहा जाता है) से गुजरने वाले आपेक्षिकीय इलेक्ट्रॉनों की एक किरण का उपयोग करता है। यह परमाणुओं या अणुओं के बंधे हुए ऊर्जा स्तरों पर निर्भर नहीं करता है।
  2. ट्यूनेबिलिटी (Tunability):
    • रूबी लेजर: इसका एक निश्चित आउटपुट तरंगदैर्ध्य (लगभग 694.3 nm) होता है, जो Cr³⁺ आयनों के ऊर्जा स्तरों द्वारा निर्धारित होता है।
    • मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (FEL): अत्यधिक ट्यून करने योग्य होते हैं। आउटपुट तरंगदैर्ध्य को इलेक्ट्रॉन किरण की ऊर्जा या विगलर के चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और आवधिकता को बदलकर, माइक्रोवेव से लेकर एक्स-रे तक, एक विस्तृत श्रृंखला में समायोजित किया जा सकता है।
  3. संचालन सिद्धांत (Operating Principle):
    • रूबी लेजर: जनसंख्या व्युत्क्रमण (population inversion) और ऊर्जा स्तरों के बीच उत्तेजित उत्सर्जन (stimulated emission) के सिद्धांत पर काम करता है।
    • मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (FEL): सिंक्रोट्रॉन विकिरण के सिद्धांत पर काम करता है। जैसे ही इलेक्ट्रॉन विगलर के माध्यम से दोलन करते हैं, वे प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। यह प्रकाश इलेक्ट्रॉनों के साथ इंटरैक्ट करता है, जिससे वे गुच्छों (bunches) में एकत्रित हो जाते हैं जो फिर सुसंगत रूप से (coherently) विकिरण करते हैं, जिससे लेजर प्रकाश का प्रवर्धन होता है।

संक्षेप में, मुख्य अंतर लाभ माध्यम (क्रिस्टल बनाम इलेक्ट्रॉन किरण) और परिणामी ट्यूनेबिलिटी (निश्चित बनाम व्यापक रूप से ट्यून करने योग्य) में निहित है।

IGNOU MPH-016 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. (a) A functional E[φ] is defined as : E[φ] = (<φ|H|φ>)/( <φ|φ>). Show that if E[φ] is stationary for some state |φ>, then H|φ> = E|φ>. (b) Consider a plane wave defined as ψₖ(x) = e^(ikx)/√2π. Prove the orthonormality condition: ∫ψ*ₖ'(x)ψₖ(x)dx = δ(k-k’).

Ans. (a) This is an application of the variational principle. We are given the functional: E[φ] = (<φ|H|φ>) / (<φ|φ>) Or, E <φ|φ> = <φ|H|φ> For the functional E[φ] to be stationary, the first-order change in E, δE, must be zero for a small variation in the function, |φ> → |φ> + |δφ>, where |δφ> is an infinitesimal change. Let’s find the change δE, by setting δE = 0. E + δE = (<φ+δφ|H|φ+δφ>) / (<φ+δφ|φ+δφ>) Expanding the numerator: <φ+δφ|H|φ+δφ> = <φ|H|φ> + <φ|H|δφ> + <δφ|H|φ> + O(δφ²) Expanding the denominator: <φ+δφ|φ+δφ> = <φ|φ> + <φ|δφ> + <δφ|φ> + O(δφ²) Substituting these into the expression for E[φ] and keeping only first-order terms: E + δE ≈ (<φ|H|φ> + <φ|H|δφ> + <δφ|H|φ>) / (<φ|φ> + <φ|δφ> + <δφ|φ>) Using the binomial approximation (1+x)⁻¹ ≈ 1-x: E + δE ≈ [(<φ|H|φ> + <φ|H|δφ> + <δφ|H|φ>) / <φ|φ>] * [1 – (<φ|δφ> + <δφ|φ>) / <φ|φ>] Expanding to first order: E + δE ≈ E + (<φ|H|δφ> + <δφ|H|φ>) / <φ|φ> – E * (<φ|δφ> + <δφ|φ>) / <φ|φ> Thus, δE = [(<φ|H|δφ> + <δφ|H|φ>) – E(<φ|δφ> + <δφ|φ>)] / <φ|φ> For the stationarity condition , δE = 0. <φ|H|δφ> + <δφ|H|φ> – E(<φ|δφ> + <δφ|φ>) = 0 Since H is a Hermitian operator, <δφ|H|φ> = <Hφ|δφ>. <Hφ|δφ> + <φ|H|δφ> – E<φ|δφ> – E<δφ|φ> = 0 Rearranging this: <Hφ – Eφ | δφ> + <δφ | Hφ – Eφ> = 0. Since <A|B> = <B|A>*, the second term is the complex conjugate of the first. 2 Re[<δφ | Hφ – Eφ>] = 0. Since |δφ> is an arbitrary variation, this equation can only be true if the term inside the ket is zero. Thus, H|φ> – E|φ> = 0, or H|φ> = E|φ> . This is the time-independent Schrödinger equation, showing that the stationary state is an energy eigenstate. (b) We need to prove the orthonormality condition : ∫₋∞⁺∞ ψ*ₖ'(x)ψₖ(x) dx = δ(k-k’) The given plane wave functions are: ψₖ(x) = e^(ikx) / √2π ψ*ₖ'(x) = e^(-ik’x) / √2π Substituting these expressions into the integral: I = ∫₋∞⁺∞ (e^(-ik’x) / √2π) * (e^(ikx) / √2π) dx I = (1/2π) ∫₋∞⁺∞ e^(-ik’x) * e^(ikx) dx I = (1/2π) ∫₋∞⁺∞ e^(i(k-k’)x) dx This integral is one of the Fourier representation definitions of the Dirac delta function . The Dirac delta function is defined as: δ(y) = (1/2π) ∫₋∞⁺∞ e^(iyx) dx By setting y = k-k’ in our integral, we get: I = δ(k-k’) Hence, ∫₋∞⁺∞ ψ*ₖ'(x)ψₖ(x) dx = δ(k-k’). This proves that the plane wave states are orthonormal in a continuous basis. The delta function signifies that the integral is non-zero (infinite) only when k = k’, and is zero otherwise, which is the continuous analogue of discrete orthonormality, δᵢⱼ.

Q2. (a) Determine the shift in energy (ΔEᵣ) caused by the relativistic correction to the kinetic energy for the 3p level of the hydrogen atom. (b) Consider a hydrogen atom whose total electronic angular momentum quantum number J = 1/2 and the nuclear spin quantum number I = 3/2. The coupling strength between J and I is given by ‘C’. Determine the energy shift due to hyperfine interaction for total angular momentum quantum numbers F = 3 and F = 2. Give your results in terms of C.

Ans. (a) The energy shift (ΔEᵣ) due to the first-order relativistic correction to the kinetic energy is given by: ΔEᵣ = – (Eₙ²) / (2mc²) * [ n/(l + 1/2) – 3/4 ] where Eₙ is the unperturbed energy of the nth orbit of the hydrogen atom, Eₙ = -13.6/n² eV, m is the electron mass, c is the speed of light, n is the principal quantum number, and l is the azimuthal quantum number. The rest mass energy of the electron is mc² ≈ 0.511 MeV = 511000 eV. For the given level, it is the 3p level , so n = 3 and l = 1. First, calculate the unperturbed energy E₃: E₃ = -13.6 / 3² eV = -13.6 / 9 eV ≈ -1.511 eV Now, substitute the values into the formula for ΔEᵣ: ΔEᵣ = – ((-1.511 eV)²) / (2 511000 eV) [ 3/(1 + 1/2) – 3/4 ] ΔEᵣ = – (2.283 eV²) / (1022000 eV) * [ 3/(3/2) – 3/4 ] ΔEᵣ = – (2.234 × 10⁻⁶ eV) * [ 2 – 3/4 ] ΔEᵣ = – (2.234 × 10⁻⁶ eV) * [ 5/4 ] ΔEᵣ ≈ -2.79 × 10⁻⁶ eV Therefore, the shift in energy due to the relativistic correction for the 3p level of the hydrogen atom is approximately -2.79 × 10⁻⁶ eV . The negative shift indicates that the relativistic effect lowers the energy level. (b) The hyperfine interaction arises from the coupling between the nuclear spin angular momentum I and the total electronic angular momentum J . The total angular momentum is given by F = I + J . The quantum number for F, F, can take integer values from |I – J| to I + J. Given values are: J = 1/2, I = 3/2. Therefore, the possible values of F are: |3/2 – 1/2| … 3/2 + 1/2, which are F = 1, 2. Note: The question asks to calculate for F = 3, which is not a possible state for the given J and I values. This is a likely typo in the question paper. We will proceed by calculating for the valid F values, F=2 and F=1 (instead of F=3). The energy shift (ΔE_HF) due to hyperfine interaction is given by the formula: ΔE_HF = (C/2) * [F(F+1) – J(J+1) – I(I+1)] where C is the coupling constant. We have: J(J+1) = (1/2)(1/2 + 1) = 3/4 I(I+1) = (3/2)(3/2 + 1) = 15/4 Now, we calculate ΔE_HF for each valid F value:

  • For F = 2: F(F+1) = 2(2+1) = 6 ΔE_HF(F=2) = (C/2) * [6 – 3/4 – 15/4] ΔE_HF(F=2) = (C/2) [6 – 18/4] = (C/2) [6 – 4.5] ΔE_HF(F=2) = 1.5 * (C/2) = 0.75C
  • For F = 1 (instead of F=3 as requested): F(F+1) = 1(1+1) = 2 ΔE_HF(F=1) = (C/2) * [2 – 3/4 – 15/4] ΔE_HF(F=1) = (C/2) [2 – 18/4] = (C/2) [2 – 4.5] ΔE_HF(F=1) = -2.5 * (C/2) = -1.25C

Thus, the energy shift for F = 2 is

+0.75C

and for F = 1 (which is a valid state instead of F=3) is

-1.25C

.

Q3. (a) The wavelength associated with a doublet of a certain atom are 766.5 nm and 769.9 nm for 4²P₃/₂ → 4²S₁/₂ and 4²P₁/₂ → 4²S₁/₂ transitions, respectively. Estimate the energy separation between the doublet levels 4²P₃/₂ and 4²P₁/₂ of the first excited state of the atom. (b) Determine the total number of Zeeman levels for the state ³D₅/₂ of hydrogen atom. If the external magnetic field is 0.5T, calculate the energy spacing for mⱼ = +5/2 and mⱼ = -5/2.

Ans. (a) The two transitions originate from two different upper levels, 4²P₃/₂ and 4²P₁/₂, and terminate on a common lower level, 4²S₁/₂. The energy separation between these two upper levels will be equal to the difference in the energies of the emitted photons. The energy of a photon is given by E = hc/λ, where h is Planck’s constant, c is the speed of light, and λ is the wavelength. The given transitions are: 1. E₁: 4²P₃/₂ → 4²S₁/₂ with λ₁ = 766.5 nm = 766.5 × 10⁻⁹ m 2. E₂: 4²P₁/₂ → 4²S₁/₂ with λ₂ = 769.9 nm = 769.9 × 10⁻⁹ m The energy separation of the doublet levels, ΔE_P, is: ΔE_P = |E(4²P₃/₂) – E(4²P₁/₂)| This energy difference equals the difference in the emitted photon energies: ΔE_P = |E₁ – E₂| = |(hc/λ₁) – (hc/λ₂)| = hc |(1/λ₁) – (1/λ₂)| Substituting the given values: h = 6.626 × 10⁻³⁴ J s c = 3 × 10⁸ m/s ΔE_P = (6.626 × 10⁻³⁴ J s) × (3 × 10⁸ m/s) * |(1 / (766.5 × 10⁻⁹ m)) – (1 / (769.9 × 10⁻⁹ m))| ΔE_P = (1.9878 × 10⁻²⁵ J m) * |(1.3045 × 10⁶ m⁻¹) – (1.2988 × 10⁶ m⁻¹)| ΔE_P = (1.9878 × 10⁻²⁵ J m) * (0.0057 × 10⁶ m⁻¹) ΔE_P ≈ 1.133 × 10⁻²¹ J To convert the energy to electron-volts (eV), we divide by 1.602 × 10⁻¹⁹ J/eV: ΔE_P (eV) = (1.133 × 10⁻²¹ J) / (1.602 × 10⁻¹⁹ J/eV) ≈ 0.00707 eV Thus, the energy separation between the 4²P₃/₂ and 4²P₁/₂ levels is approximately 7.07 meV . (b) Note: The question specifies the ³D₅/₂ state for the hydrogen atom. Hydrogen is a one-electron atom, so its total spin is S = 1/2 and it can only exhibit doublet states (2S+1=2). A ³D state (S=1, 2S+1=3, a triplet) is not possible for hydrogen. This appears to be a typo. We will proceed assuming the question intended to refer to the ²D₅/₂ state of hydrogen. For the ²D₅/₂ state, we have: L=2, S=1/2, and J=5/2. Number of Zeeman Levels: In an external magnetic field, a level with total angular momentum J splits into 2J+1 sublevels, corresponding to the different values of the magnetic quantum number mⱼ. Number of levels = 2J + 1 = 2(5/2) + 1 = 5 + 1 = 6 . These levels correspond to mⱼ = -5/2, -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, +5/2. Energy Spacing: The energy shift of a Zeeman level in a magnetic field B is given by ΔE_Z: ΔE_Z = mⱼ gⱼ μ_B * B where gⱼ is the Landé g-factor and μ_B is the Bohr magneton. First, we calculate gⱼ: gⱼ = 1 + [J(J+1) + S(S+1) – L(L+1)] / [2J(J+1)] For J=5/2, S=1/2, L=2: J(J+1) = (5/2)(7/2) = 35/4 S(S+1) = (1/2)(3/2) = 3/4 L(L+1) = 2(3) = 6 gⱼ = 1 + [(35/4) + (3/4) – 6] / [2 * (35/4)] = 1 + [(38/4) – (24/4)] / [35/2] = 1 + [14/4] / [35/2] gⱼ = 1 + (7/2) / (35/2) = 1 + 7/35 = 1 + 1/5 = 6/5 = 1.2 Now, calculate the energy spacing between the mⱼ = +5/2 and mⱼ = -5/2 levels: E(mⱼ=+5/2) = E₀ + (5/2) gⱼ μ_B * B E(mⱼ=-5/2) = E₀ + (-5/2) gⱼ μ_B * B Energy spacing, ΔE = E(mⱼ=+5/2) – E(mⱼ=-5/2) ΔE = [(5/2) – (-5/2)] gⱼ μ_B B = 5 gⱼ μ_B B Substituting the values B = 0.5 T, μ_B = 5.788 × 10⁻⁵ eV/T, and gⱼ = 1.2: ΔE = 5 (1.2) (5.788 × 10⁻⁵ eV/T) * (0.5 T) ΔE = 6 (5.788 × 10⁻⁵ eV/T) (0.5 T) ΔE = 3 * (5.788 × 10⁻⁵ eV) = 1.7364 × 10⁻⁴ eV Therefore, the energy spacing between the mⱼ = +5/2 and mⱼ = -5/2 levels is 1.7364 × 10⁻⁴ eV .

Q4. Write down the basic assumptions of the Born-Oppenheimer approximation. Write the total wave function of a molecule under this approximation. Write the Hamiltonian for the electronic and nuclear motion. Discuss the physical significance of this approximation.

Ans. The Born-Oppenheimer approximation is a fundamental concept in molecular quantum mechanics that simplifies the determination of the wave function of a molecule. Basic Assumptions: The core assumption of the approximation is that nuclei are much heavier than electrons (the lightest nucleus, the proton, is ~1836 times more massive than an electron). Due to this large mass difference, the nuclei move much more slowly than the electrons. As a result, we can assume that:

  1. The electrons respond instantaneously to the instantaneous position of the nuclei. In other words, when we solve for the electronic motion, we can treat the nuclei as being in a fixed configuration in space.
  2. The nuclei move in an average potential created by the motion of all the electrons.

This approximation thus allows for the

separation of electronic and nuclear motion

.


Total Wave Function:

Under the Born-Oppenheimer approximation, the total wave function of the molecule, Ψ(

r

,

R

) (where

r

are the electronic coordinates and

R

are the nuclear coordinates), can be written as a product of the electronic and nuclear wave functions:


Ψ(r, R) ≈ ψₑₗ(r; R) χₙᵤ꜀(R)

Here, ψₑₗ(r; R) is the electronic wave function, which depends parametrically on the nuclear coordinates

R

. χₙᵤ꜀(R) is the nuclear wave function, describing the vibrational and rotational motion of the nuclei.


Hamiltonian:

The total Hamiltonian can be separated into two parts:

1.

Electronic Hamiltonian (Hₑₗ):

This describes the motion of the electrons in the field of the fixed nuclei. It includes the kinetic energy of the electrons (Tₑ), electron-electron repulsion (Vₑₑ), and electron-nuclear attraction (Vₑₙ). The nuclear kinetic energy (Tₙ) is neglected and the nucleus-nucleus repulsion (Vₙₙ) is a constant for this calculation.


Hₑₗ = Tₑ + Vₑₑ + Vₑₙ

The associated Schrödinger equation is: Hₑₗ ψₑₗ(r; R) = Eₑₗ(R) ψₑₗ(r; R). Here, the electronic energy Eₑₗ(R) depends on the nuclear configuration R.

2.

Nuclear Hamiltonian (Hₙᵤ꜀):

This describes the motion of the nuclei. It includes the nuclear kinetic energy (Tₙ) and an effective potential energy, which is the sum of the electronic energy Eₑₗ(R) and the nucleus-nucleus repulsion Vₙₙ(R).


Hₙᵤ꜀ = Tₙ + Eₑₗ(R) + Vₙₙ(R)

The term U(R) = Eₑₗ(R) + Vₙₙ(R) is called the

Potential Energy Surface (PES)

.

The associated Schrödinger equation is: Hₙᵤ꜀ χₙᵤ꜀(R) = E χₙᵤ꜀(R), where E is the total energy of the molecule.


Physical Significance:

The physical significance of the Born-Oppenheimer approximation is immense:

  • It breaks down an extremely complex many-body problem into two simpler, separate problems: one electronic and one nuclear.
  • It introduces the concept of the Potential Energy Surface (PES) , which is central to the understanding of molecular structure and chemistry. The PES allows us to predict the equilibrium geometry of a molecule, bond energies, vibrational frequencies, and activation barriers for chemical reactions.
  • It enables us to understand and interpret the vibrational and rotational spectra of molecules, as these arise from the nuclear motion that takes place on the PES.

In essence, this approximation is the foundation of modern computational chemistry and molecular spectroscopy.

Q5. (a) Obtain the normalization constant for the eigenfunction ψ₋ = N₋(1sₐ – 1s♭), where 1sₐ and 1s♭ are the hydrogen 1s-type orbitals centered on atom ‘a’ and atom ‘b’ respectively. Express the normalization constant in terms of the overlap integral Sₐ♭. (b) Consider a molecular electronic configuration πg⁴ for a two-electron system. Determine the term symbols associated with the configuration.

Ans. (a) The normalization condition for a wave function ψ is <ψ|ψ> = ∫ψ*ψ dτ = 1. For the given antibonding molecular orbital: ψ₋ = N₋(1sₐ – 1s♭) Assuming the 1s orbitals are real functions, ψ* = ψ. The normalization condition becomes: ∫[N₋(1sₐ – 1s♭)]² dτ = 1 N₋² ∫(1sₐ² – 2(1sₐ)(1s♭) + 1s♭²) dτ = 1 Splitting the integral into terms: N₋² [∫1sₐ² dτ + ∫1s♭² dτ – 2∫(1sₐ)(1s♭) dτ] = 1 Now we identify each term:

  • ∫1sₐ² dτ = <1sₐ|1sₐ> = 1 (since the atomic orbital 1sₐ is normalized).
  • ∫1s♭² dτ = <1s♭|1s♭> = 1 (since the atomic orbital 1s♭ is normalized).
  • ∫(1sₐ)(1s♭) dτ = <1sₐ|1s♭> = Sₐ♭ (by definition, this is the overlap integral between the atomic orbitals).

Substituting these values back into the equation:

N₋² [1 + 1 – 2Sₐ♭] = 1

N₋² [2(1 – Sₐ♭)] = 1

N₋² = 1 / [2(1 – Sₐ♭)]

Therefore, the normalization constant N₋ is:


N₋ = 1 / √[2(1 – Sₐ♭)]

(b)

Note: The question mentions a πg⁴ configuration, which refers to 4 electrons. However, it is described as a “two-electron system.” This is a typo. We will proceed assuming the question means a

(πg)² configuration

in a homonuclear diatomic molecule.

For a (πg)² configuration, we have two electrons in the πg orbital. A π orbital has azimuthal angular momentum projection quantum numbers mₗ = ±1.

We calculate the total orbital angular momentum projection, Mₗ = mₗ₁ + mₗ₂, and total spin angular momentum projection, Mₛ = mₛ₁ + mₛ₂.

To apply the Pauli Exclusion Principle, we consider the possible microstates (mₗ₁, mₛ₁; mₗ₂, mₛ₂).

Possible Mₗ values:

  • mₗ₁=+1, mₗ₂=+1 → Mₗ = +2
  • mₗ₁=-1, mₗ₂=-1 → Mₗ = -2
  • mₗ₁=+1, mₗ₂=-1 → Mₗ = 0

So, we have states with a maximum value of |Mₗ|=2, indicating a

Δ state (L=2)

, and states with Mₗ=0, indicating

Σ states (L=0)

.

Now we consider spin and the Pauli principle:

1.

For Mₗ = ±2 (Δ state):

Both electrons are in the same spatial orbital (either mₗ=+1 or mₗ=-1). By the Pauli principle, their spins must be opposed (one mₛ=+1/2, the other -1/2). Therefore, Mₛ = 0, which implies a total spin S=0 (singlet). This gives us a

¹Δ

term.

2.

For Mₗ = 0 (Σ states):

One electron is in mₗ=+1 and the other is in mₗ=-1. Since they are in different spatial orbitals, their spins can be either parallel (S=1, triplet) or anti-parallel (S=0, singlet).

  • S=1 (Triplet): Mₛ = +1, 0, -1. This gives rise to a ³Σ term.
  • S=0 (Singlet): Mₛ = 0. This gives rise to a ¹Σ term.

Now we determine the symmetry properties:

  • Parity (g/u): Since both electrons are in g (gerade) orbitals, the total parity is g × g = g . All terms will be g.
  • Reflection symmetry (+/-) for Σ states:
    • For the ¹Σ state , the spin wavefunction is antisymmetric, so the spatial wavefunction must be symmetric. The symmetric spatial combination is symmetric (+1) under reflection in a plane containing the internuclear axis. Thus, it is a ¹Σg⁺ term.
    • For the ³Σ state , the spin wavefunction is symmetric, so the spatial wavefunction must be antisymmetric. The antisymmetric spatial combination is antisymmetric (-1) under reflection. Thus, it is a ³Σg⁻ term.

Therefore, the term symbols associated with the (πg)² configuration are:

³Σg⁻, ¹Δg, ¹Σg⁺

.

Q6. The vibrational spectrum of HBr shows a very intense absorption at 2649 cm⁻¹ and a weaker absorption at 5188 cm⁻¹. Determine the equilibrium oscillation frequency (ωₑ), the anharmonicity constant (xₑ), the zero-point energy, and the force constant (k) of the molecule.

Ans. The vibrational energy levels (in cm⁻¹) of an anharmonic oscillator are given by: G(v) = ωₑ(v + 1/2) – ωₑxₑ(v + 1/2)² where ωₑ is the equilibrium oscillation frequency, xₑ is the anharmonicity constant, and v is the vibrational quantum number. The intense absorption corresponds to the fundamental transition (v=0 → v=1), and the weaker absorption corresponds to the first overtone (v=0 → v=2). (The value of 5188 cm⁻¹ is used, as 588 cm⁻¹ from the image text is a clear typographical error.) 1. Fundamental Transition (ν̃₁): ν̃₁ = G(1) – G(0) = [ωₑ(3/2) – ωₑxₑ(9/4)] – [ωₑ(1/2) – ωₑxₑ(1/4)] ν̃₁ = ωₑ – 2ωₑxₑ = 2649 cm⁻¹ — (Eq. 1) 2. First Overtone (ν̃₂): ν̃₂ = G(2) – G(0) = [ωₑ(5/2) – ωₑxₑ(25/4)] – [ωₑ(1/2) – ωₑxₑ(1/4)] ν̃₂ = 2ωₑ – 6ωₑxₑ = 5188 cm⁻¹ — (Eq. 2) We now have a system of two equations for ωₑ and ωₑxₑ. Multiply Eq. 1 by 3: 3ωₑ – 6ωₑxₑ = 3 × 2649 = 7947 cm⁻¹ — (Eq. 3) Subtract Eq. 2 from Eq. 3: (3ωₑ – 6ωₑxₑ) – (2ωₑ – 6ωₑxₑ) = 7947 – 5188 ωₑ = 2759 cm⁻¹ Now, substitute the value of ωₑ into Eq. 1: 2759 – 2ωₑxₑ = 2649 2ωₑxₑ = 2759 – 2649 = 110 ωₑxₑ = 55 cm⁻¹ The anharmonicity constant xₑ is: xₑ = (ωₑxₑ) / ωₑ = 55 / 2759 ≈ 0.0199 3. Zero-Point Energy (ZPE): The ZPE is the energy of the v=0 level: G(0) = ωₑ(1/2) – ωₑxₑ(1/4) G(0) = (2759 / 2) – (55 / 4) = 1379.5 – 13.75 = 1365.75 cm⁻¹ 4. Force Constant (k): The force constant is related to ωₑ: ωₑ (in s⁻¹) = c ωₑ (in cm⁻¹) = (1 / 2π) √(k / μ) k = (2πc ωₑ_cm⁻¹)² μ Calculate the reduced mass μ of HBr: m_H = 1.00784 amu, m_Br = 79.904 amu μ = (m_H m_Br) / (m_H + m_Br) = (1.00784 79.904) / (1.00784 + 79.904) = 80.536 / 80.91184 ≈ 0.99535 amu μ = 0.99535 amu * (1.66054 × 10⁻²⁷ kg/amu) ≈ 1.6528 × 10⁻²⁷ kg Now calculate k: k = [2π (3 × 10¹⁰ cm/s) (2759 cm⁻¹)]² * (1.6528 × 10⁻²⁷ kg) k = [5.199 × 10¹⁴ s⁻¹]² * (1.6528 × 10⁻²⁷ kg) k = (2.703 × 10²⁹ s⁻²) * (1.6528 × 10⁻²⁷ kg) k ≈ 412.3 N/m Summary:

  • Equilibrium oscillation frequency (ωₑ) = 2759 cm⁻¹
  • Anharmonicity constant (xₑ) = 0.0199 (or ωₑxₑ = 55 cm⁻¹)
  • Zero-point energy = 1365.75 cm⁻¹
  • Force constant (k) = 412.3 N/m

Q7. The rotational constant for the excited electronic state (B’) of a diatomic molecule is 25% smaller than the rotational constant of its ground electronic state (B”). Determine the values and the successive separation for the first three lines of the P-branch and R-branch, where v’ = 1, v” = 0, B” = 1.8 cm⁻¹ and ΔG(v’=1,v”=0) = 5000 cm⁻¹.

Ans. In this problem, we analyze the rovibrational spectrum of a diatomic molecule. Given parameters:

  • Band origin, ν̃₀ = ΔG(v’=1,v”=0) = 5000 cm⁻¹
  • Rotational constant of the ground state, B” = 1.8 cm⁻¹
  • Rotational constant of the excited state, B’, is 25% smaller than B”: B’ = B” – 0.25 B” = 0.75 B” = 0.75 * 1.8 cm⁻¹ = 1.35 cm⁻¹

We will calculate the positions of the lines in the R-branch (ΔJ = J’ – J” = +1) and P-branch (ΔJ = J’ – J” = -1).

The formula for the lines in the R-branch is:

ν̃_R(J”) = ν̃₀ + (B’ + B”)(J” + 1) + (B’ – B”)(J” + 1)² (for J” = 0, 1, 2, …)

The formula for the lines in the P-branch is:

ν̃_P(J”) = ν̃₀ – (B’ + B”)J” + (B’ – B”)J”² (for J” = 1, 2, 3, …)

Calculate the constants:

B’ + B” = 1.35 + 1.8 =

3.15 cm⁻¹

B’ – B” = 1.35 – 1.8 =

-0.45 cm⁻¹

R-branch:

  • First line (J” = 0): ν̃_R(0) = 5000 + (3.15)(1) + (-0.45)(1)² = 5000 + 3.15 – 0.45 = 5002.7 cm⁻¹
  • Second line (J” = 1): ν̃_R(1) = 5000 + (3.15)(2) + (-0.45)(2)² = 5000 + 6.30 – 1.80 = 5004.5 cm⁻¹
  • Third line (J” = 2): ν̃_R(2) = 5000 + (3.15)(3) + (-0.45)(3)² = 5000 + 9.45 – 4.05 = 5005.4 cm⁻¹


Successive separation in the R-branch:

  • ν̃_R(1) – ν̃_R(0) = 5004.5 – 5002.7 = 1.8 cm⁻¹
  • ν̃_R(2) – ν̃_R(1) = 5005.4 – 5004.5 = 0.9 cm⁻¹

The separation is decreasing, indicating the formation of an R-branch band head, as expected for B’ < B”.


P-branch:

  • First line (J” = 1): ν̃_P(1) = 5000 – (3.15)(1) + (-0.45)(1)² = 5000 – 3.15 – 0.45 = 4996.4 cm⁻¹
  • Second line (J” = 2): ν̃_P(2) = 5000 – (3.15)(2) + (-0.45)(2)² = 5000 – 6.30 – 1.80 = 4991.9 cm⁻¹
  • Third line (J” = 3): ν̃_P(3) = 5000 – (3.15)(3) + (-0.45)(3)² = 5000 – 9.45 – 4.05 = 4986.5 cm⁻¹


Successive separation in the P-branch:

  • ν̃_P(1) – ν̃_P(2) = 4996.4 – 4991.9 = 4.5 cm⁻¹
  • ν̃_P(2) – ν̃_P(3) = 4991.9 – 4986.5 = 5.4 cm⁻¹

The separation is increasing, which is typical for the P-branch.

Q8. (a) The selenium soft X-ray laser operates at a wavelength of 20.6 nm in ⁸⁰Se²⁴⁺ ions. These ions are produced at a plasma temperature of approximately 10⁷ K. How large is the Doppler width of this laser compared with the Doppler width in a He-Ne laser operating at 632.8 nm and 100°C ? Here the atomic mass of selenium is 80 a.m.u. and the atomic mass of Neon is 20 a.m.u. (b) Give the main difference between a Ruby laser and a free electron laser.

Ans. (a) Doppler broadening is due to the thermal motion of the emitting atoms or ions. The formula for the Doppler width in wavelength (Δλ_D) is: Δλ_D = (2λ₀/c) * √[(2k_B T ln2) / M] where λ₀ is the central wavelength, c is the speed of light, k_B is the Boltzmann constant, T is the temperature in Kelvin, and M is the mass of the emitting particle. We want to calculate the ratio of the Doppler widths of the two lasers: (Δλ_D)_Se / (Δλ_D)_Ne. Ratio = [(2λ_Se/c) √[(2k_B T_Se ln2) / M_Se]] / [(2λ_Ne/c) √[(2k_B T_Ne ln2) / M_Ne]] The constants (2, c, k_B, ln2) cancel out, simplifying this to: Ratio = (λ_Se / λ_Ne) * √[(T_Se / M_Se) / (T_Ne / M_Ne)] Ratio = (λ_Se / λ_Ne) √[(T_Se / T_Ne) (M_Ne / M_Se)] Substitute the given values: Selenium (Se) laser:

  • λ_Se = 20.6 nm
  • T_Se = 10⁷ K
  • M_Se = 80 a.m.u.


Helium-Neon (He-Ne) laser:

(we use Neon as the emitting species)

  • λ_Ne = 632.8 nm
  • T_Ne = 100°C = 100 + 273.15 = 373.15 K
  • M_Ne = 20 a.m.u.

Now calculate the ratio:

Ratio = (20.6 / 632.8)

√[(10⁷ / 373.15)

(20 / 80)]

Ratio = (0.03255)

√[(26799)

(0.25)]

Ratio = 0.03255 * √[6699.75]

Ratio = 0.03255 * 81.85

Ratio ≈

2.66

Therefore,

the Doppler width of the selenium soft X-ray laser is about 2.66 times larger than that of the He-Ne laser.

The extremely high plasma temperature is the main contributor to this large broadening, even though its wavelength is much shorter.

(b) The main differences between a Ruby laser and a Free Electron Laser (FEL) are:

  1. Gain Medium:
    • Ruby Laser: Uses a solid-state gain medium, which is chromium ions (Cr³⁺) doped into an aluminum oxide (Al₂O₃) crystal. The lasing action occurs between the fixed, discrete electronic energy levels of these ions. It is a three-level laser system.
    • Free Electron Laser (FEL): Uses a beam of relativistic electrons passing through a periodic magnetic structure (called a ‘wiggler’ or ‘undulator’) as its gain medium. It does not rely on bound energy levels of atoms or molecules.
  2. Tunability:
    • Ruby Laser: Has a fixed output wavelength (around 694.3 nm), determined by the energy levels of the Cr³⁺ ions.
    • Free Electron Laser (FEL): Are highly tunable . The output wavelength can be adjusted over a wide range, from microwaves to X-rays, by changing the energy of the electron beam or the magnetic field strength and periodicity of the wiggler.
  3. Operating Principle:
    • Ruby Laser: Works on the principle of population inversion and stimulated emission between energy levels.
    • FEL: Works on the principle of synchrotron radiation. As electrons oscillate through the wiggler, they emit light. This light interacts with the electrons, causing them to gather into bunches which then radiate coherently, amplifying the laser light.

In short, the key difference lies in the gain medium (crystal vs. electron beam) and the resulting tunability (fixed vs. widely tunable).


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