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K.S ACADEMY, SALEM-COACHING CENTRE FOR PHYSICS PG TRB , UG TRBPOLY, ENG-TRB & TNSET 2019 K.S ACADEMY, SALEM-COACHING CENTRE FOR PHYSICS PG TRB , UG TRBPOLY, ENG-TRB & TNSET Page 1 PG TRB, UG TRB, POLYTECHNIC, ENG - TRB & TNSET COACHING CENTRE FOR PHYSICS STUDY MATERIAL Our institute is the first TRB institute providing note in comparison based method for better understanding & easy revision during examination And also KS Academy, Salem is the first institute (KS SIR) provides many short cut methods for problem solving. ************************************************************************ ܘܛܗܚܜܘܗ Introduction Molecular spectroscopy is the study of the interaction of electromagnetic waves and matter which gives the information related to the structure of matter. Types of molecular spectra We know that molecules can remain in the ground state as well as excited states. The transition between the allowed energy states of a molecule with the emission or absorption of radiation give rise to molecular spectra. The frequency of emitted or absorbed photon is given by = ܧ ܧThe molecular spectra classified into three distinct regions. www.Padasalai.N www.Padasalai.N www.Padasalai.N www.Padasalai.N www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. t www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai. www.Padasalai.N www.Padasalai.N www.Padasalai.N www.Padasalai.N www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.Net www.Padasalai.N Padasalai

PG TRB, UG TRB, POLYTECHNIC, ENG - TRB & TNSET COACHING … · 2019. 6. 9. · PG TRB , UG TRBPOLY, ENG-TRB & TNSET 2019 K.S ACADEMY, SALEM-COACHING CENTRE FOR PHYSICS PG TRB , UG

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    PG TRB , UG TRBPOLY, ENG-TRB & TNSET 2019

    K.S ACADEMY, SALEM-COACHING CENTRE FOR PHYSICS

    PG TRB , UG TRBPOLY, ENG-TRB & TNSET Page 1

    PG TRB, UG TRB, POLYTECHNIC, ENG - TRB & TNSET COACHING CENTRE FOR PHYSICS

    STUDY MATERIAL

    Our institute is the first TRB institute providing note in

    comparison based method for better understanding & easy

    revision during examination

    And also KS Academy, Salem is the first institute (KS SIR)

    provides many short cut methods for problem solving.

    ************************************************************************ � �� � � Introduction

    Molecular spectroscopy is the study of the interaction of

    electromagnetic waves and matter which gives the information related to the

    structure of matter.

    Types of molecular spectra

    We know that molecules can remain in the ground state as well as

    excited states. The transition between the allowed energy states of a molecule

    with the emission or absorption of radiation give rise to molecular spectra.

    The frequency of emitted or absorbed photon is given by � = −ℎ The molecular spectra classified into three distinct regions.

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  • K.S ACADEMY, SALEM-COACHING CENTRE FOR PHYSICS

    PG TRB , UG TRBPOLY, ENG-TRB & TNSET 2019

    K.S ACADEMY, SALEM-COACHING CENTRE FOR PHYSICS

    PG TRB , UG TRBPOLY, ENG-TRB & TNSET Page 2

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    Rotational Vibrational Electronics

    Spectroscopy spectroscopy spectroscopy

    � = . � < � = . � < � � = − � [ − �] [ − �] [ �] Microwave is used IR is used to change visible region

    (or) to change rotational vibrational energy level Ultra violet region.

    energy level is used to change

    Electronics energy level

    1. Pure rotational spectrum

    The transitions between the rotational energy states of molecule with

    the emission or aborption of a photon give rise to pure rotational spectrum.

    In this case electronic configuration of the atom and vibrational state of molecule remains the same.

    Rotational levels are separated by small energy interval of order of − �. Pure rotational spectra lie in microwave or far infrared region. (PG TRB-

    2002)

    Pure rotational spectra first found in water molecule (PG TRB-2001)

    2. Rotational – Vibrational spectrum: The transitions between vibrational energy states of a molecule with the

    emission or absorption of a photon, when electronic configuration of an atom

    remains the same, giving rise to rotational – vibrational spectrum.

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    If the rotational state of molecule do not change, we get a pure vibrational spectrum.

    Vibrational spectra lie in near IR region. Vibrational states are separated by energy interval of about . �. Pure vibrational spectra observed only in liquids. (PG TRB 2005-2006)

    3. Electronic spectrum

    The transitions between two electronic energy states of an atom in a

    molecule with emission or absorption of photon give rise to electronic

    spectrum.

    The energy separation between different electronic states in between � − �. The electronic spectra lie in visible and ultravisible part of spectrum.

    REGION SPECTROSCOPY � region → Mossbauer spectroscopy (Nuclear Resonance fluorescence) X – ray region → − �� � } → Electronic (Atomic fluorescence) IR region → vibrational spectroscopy � − � � � → Rotational(Microwave) spectroscopy (ESR spectroscopy) �� � → � spectroscopy

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    Microwave spectroscopy (Rotational spectra)

    Microwave spectroscopy deals with the study of rotations of molecules.

    The rotational motion involve the moment of inertia of a molecule.

    Rigid diatomic molecule (Rigid Rotator)

    Which molecules are rotational active?

    �o�ecu�e�

    Polar Non-Polar

    Ex , , , , , , , Ex: , , (TNSET-2016) → They have permanent dipolemoment. � ≠ → Have no permanent dipole � − � � (POLY TRB 2006, 2017) moment � = . No dipole moment , hence

    No change in rotation level , so � � − Inactive

    Note: A molecule can interact with electromagnetic radiation only if it has

    permanent electric dipole moment.

    Homo-nuclear diatomic molecules, such as , , do not have electric dipole moment and hence give no absorption spectra.

    Hetero-nuclear molecules, such as HCl, CO, have permanent electric dipole moment and hence give absorption spectra.

    → The dipole experiences of torque due to electric Field present in Electro magnetic wave. Hence Rotational level change

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    Condition for microwave active � ≠ Inactive � =

    The molecules, having permanent electric dipole moment, can give rise to pure rotational spectra.

    Molecules like , , , , etc. show the rotational spectra in far infrared region.

    Homonuclear molecules such as , , does not give rotational spectra ( But show rotational Raman spectra because of the

    polarisability of the molecule.)

    We consider a diatomic molecule as a rigid rotator.

    A rigid diatomic molecule treated as two masses, and joined by a

    rigid bar.

    Let the molecules are joined by a bond such that the distance between

    them remains constant. The bond length is given by

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    = + … … … . The moment of inertia of the molecule is = + = � … … … … … … . = �

    � = + Where � = + is known as reduced mass of the system. Here we have converted two body problem into a single body.

    Hence the rotation of diatomic molecule is equivalent to the rotational of

    single particle.

    If the molecule is rotating with angular velocity �, then it has energy equal to � . The angular momentum � = �.

    = � … … … … According to quantum mechanics, the angular momentum is quantized and

    given by � = √ + ђ �ℎ ђ = ℎ� (PG TRB 2005-2006) Energy = � ∵ � = + Rotational energy level of rigid rotator

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    = + ℏ Rotational quantum number, = , , , , … … ….

    = + ℏ � = +� � ∵ = ℎ � = + Interms of wave number, � = ℎ = ℏ� + − = ℎ� − � ℎ� Jou�e� Rotational Constant ∝ → It (I) oppose rotation of motion → rotational constant depends isotopic effect. Energy expansion for rigid rotator = + − = = → Hence the molecule does not rotate at all. = � == � = + = }

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    �epe����o� �e��ee� e�e��y �e�e� = � = + = } = � = + = } = � = + = } → From above its clear that energy levels are discrete and also they are not equally spaced.

    Selection Rule ∆ = ± (PG TRB-(2003-2004 & 2004-2005) + for absorption and – for emission. Frequency of spectral line �̅ = ∑ + − � + + − + = + + − �̅ = + (PG TRB 2017 PROBLEM) Frequency of spectral line = , �̅ == , �̅ == , �̅ == , �̅ = } → E�u�� �epe����o�. (PG TRB 2013) → From the above it is clear that, the absorption spectrum of rigid diatomic molecule series of equal distance line with constant separation of . → The separation between any 2 adjacent line is .

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    The rotational level are closely spaced companed with KT (Room linp – Thermal energy) ≈ Ex:

    If − molecule replaced by − ie atom is replaced by its isotopes in this substitution internuclear distance does not change and also

    change distribution does not change but there is an increase in mass (or)

    increasing moment of Inertia ∝ Hence rotational constant decreases, < ; <

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    The transitions in the heavier molecule are shown by dotted lines. → From the above diagram it is clear that the separation between the energy level of heavier isotopes is smaller than lighter isotopes.

    Due to this shift in the spectral lines we can determine the atomic

    weights with extreme precision and calculate the abundance of isotopes by

    comparison of absorption intensities.

    → The relative no. of molecules in the state J at thermal equilibrium is, = e�p − / = e�p − + ℏ

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    → The maximum populated J value is �� = √ ℎ − → The energy of maximum intense line is

    ∆ �� = √ ℎ + Properties → Mostly absorption spectrum → wavelength range − � (ENGG TRB-2016) → → Microwave inactive → All linear triatomic molecule all are � − wave inactive. Because they � − − � behaves as Homonuclear diatomic molecule. → symmetric linear molecules does not exhibit pure rotational spectrum → spherical top molecule , , , There are � −wave in active. → spherical Top molecules are Non polar. { it does not give rotational spectrum (not permanent dipole)}

    Example 1

    The moment of inertia of the carbon monoxide molecule is . ×− �. . Calculate the lowest rotational energy of the molecule, the angular velocity and intermolecular distance.(Given ℎ = . × �� −, ��� = . × − � The energy of the rotating diatomic molecule is given by

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    = ℎ +� The lowest rotational energy level corresponds to = .

    = ℎ� × = ℎ� Substituting the values of h and I we have,

    = . × −× � × . × − = . × − �� = . × −. × − � = . × − �� = . × − �

    For = , the angular velocity is given by � = √ (�ℎ = � ) � = . × � /

    Hence the intermolecular distance is given by

    = √��� = √ . × −. × − �.�

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    = . × − = . ° Example 2:

    Determine the rotational energy of CO on the quantum level = if the equilibrium nuclear distance of CO of 1.131 °. (1 a.m.u.= . × − � Reduced mass, � = + = ×+ = . �. . �. = . × . × − � = . × − � = � = . × − × . × − = . × − � (TNSET-2016)

    = ℎ� + = . × −× . × . × . × − = . × −

    Multiple choice questions at the last page

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    K.S ACADEMY, SALEM-COACHING CENTRE FOR PHYSICS

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    Welcome to K.S Academy, Salem

    Our vision is to provide positive learning experience so student becomes competent.

    Our mission is to maximize student career opportunities.

    OUR SPECIALTIES OUR SPECIALTIES

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    High quality lecturer Experienced and expert

    faculty ( 1 st

    rank holder in 3

    different TRB exams)

    Slip test, unit test, two unit combined test, one third test,

    half test, and full test

    Mock tests and accuracy test for every unit

    Questions are in the level of last TRB pattern.

    KS Academy is committed to the development of our

    students

    2 Trial Classes Before Admission

    9 years of TRB coaching experience and many success

    stories.

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