Monday, May 26, 2025

 Theory of Hydrogen atom 

 The  orbital electron in the hydrogen atom  and the central proton are in the same plane which is perpendicular to the spin of the proton.  In the orbital motion of the electron ,it cann't move parallel to the magnetic field. Inorder to  have continuous motion in the  nuclear magnetic field , all the circumnuclear electrons move is a plane perpendicular to the magnetic field.

      For stability of the orbital electron in the Hydrogen atom, the electrical force of attraction between the nucleus and the  electron in the circular orbit  must be equal to the centrifugal force.  

                             electrostatic force of attraction      =    centrifugal force

                                              e^2 / [4πεo] r^2                           =  m v^2 / r                                      ....(1)

                                                e^2 / [4πεo] m   = constant    =  v^2 r

r = radius of the electronic orbit, m = mass of the electron, v = linear velocity of motion in the circular orbit and  εo = permittivity of free space. It shows that v^2  is inversely proportional to the radius of the orbit. Greater the radius  smaller will be the value of v. If it is so, the angular velocity  (ω = v/r) of the circumnuclear electron would be different in different orbits. (If  ω is different , the relative position of the circumnuclear electrons in many electron system will vary continuously so that the mutual interactions on different electrons  will be different  which may have some impact on the stability of the atom. Infact the relative distribution of the electrons in different orbits must be such that the force experienced by every individual electrons will be same .The electric charge in the particles and the magnetic field produced by virtue of its spin play an important role in keeping up the disciplined distribution.) 

 The electron in an atom will take up certain selective , priviledged orbits  it will not stay in any intermediate orbits between any two non-radiative orbits.The reason is the micro particles have dual nature. Its wave characteristics demand that the circumference of any electronic orbits must be equal to some multiples of electron wavelenth ( λ= h/mv).  2π r = nλ  It proves that the angular momentum of the orbital electron is some integral multiples of h/2π. 

                                                  2π r = nλ = n [h/mv]

                                        mvr = n [h/ 2π]                                                       ....   (2)

The wave characteristics of the electron make the electronic orbits to be discrete.

    From Equ (1)     m v^2 r =  e^2 / [4πεo] 

                             mvr = n [h/ 2π]   

Dividing one by the other we have   v =   [e2 x 2π]/n [4πεo] h   ,which indicates that v is inversely proportional to n .i.e, in outer orbits electrons move slow.

Radius of the electronic orbits 

                                   mvr = n [h/ 2π] = n ħ

 ħ is called reduced Planck's constant . Its value is 1.054571817×10−34 joule seconds.

Squaring both sides, m2 v2 r2 = n2   ħ2  or v2  =   n2   ħ2  /m2  r2 .Substituting this value in equ (1)

                                     e2 / [4πεo] m     =  v2 r =  n2   ħ2  /m2  r

                                                                             rn =   [n2   ħ2  /m2] [4πεo] m/ e2 ] =  [4πεo] n2   ħ2  / m e2      ....... (2)

It shows that the radius of the orbital electron is directly proportional to n2 , as we go out from the centre the orbits are widely separated.

Radius of the first orbit in the hydrogen atom

     It is called Bohr's radius and is denoted by ao.  When n = 1, rn = ao

                               ao  = [4πεo]  ħ2  / m e2

                      =[4 x22 x 8.85 x 10-12 x (1-54589 x 10-34)2 ] / 7 x (1.602 x 10-19)2 x 9.11 x 10-31 

                      = 866.1486184077 x 10-80 / 163.65958308 x 10-69 

                            = 5.2923 x 10-11 m

The orbits of higher radius are 4 ao , 9 ao , 16 ao .....     n2 ao

Total energy of the orbital electron          

The orbital electron has both kinetic energy due to its orbital motion and potential energy by virtue of its position in the electric field.

Kinetic energy of the single electron in the hydrogen atom = (1/2) m v2

Since  e2 / [4πεo]r = m v2 , K.E = (1/2) [e2 / [(4πεo) r] = e2 / 8 πεor

Potential energy of the electron = - e2 / 4 πεor =  - 2 e2 / 8 πεor

Total energy of the electron = K.E + P.E = -   e2 / 8 πεor.                           ......(3)

It is negative as it binds with the nucleus 

Knowing the practical value of binding energy of the electron in the hydrogen atom (ionization energy) , one can estimate Bohr's radius.

Binding energy = - 13.6 e.V   = 13.6 x 1.602 x 10-19  = 2.1787 x 10-18 j      [ 1 e.V = 1.602 x 10-19 joule ]

         e2 / 8 πεor. =  13.6 e.V = 2.1787 x 10-18 j

or  r = [1.602 x 10-19]2 / 8 x (22/7) x 8.85 x 10-12 x 2.1787 x 10-18

         = [7 x (1.602)2  x 10-38] / 8 x 22 x 8.85 x 2.1787 x 10-30

       = [17.964828 / 3393.54312] x 10-8 

     = 5.3 x 10-11 m 

It has same value as that of Bohr's radius.

Energy of the orbital electron in various orbits in hydrogen atom

Total energy of the electron  in a privileged orbit denoted by n is En.  From equ (3) 

                En  = -  e^2 / 8πεorn

Substitute the value of rn  from equ (2)   En  = - [ e^2 / 8πεo] x [ m e^2 / [4πεo] n^2   ħ^2 

                                                                                                                                    = - [ e^4 x m] / 2 (4πεo)^2  ħ^2] x (1/n^2) 

When the electron is in the first stable orbit  the system is said to be in the ground state. The energy of the system  becomes E1  =  - [ e4 x m] / 2 (4πεo )2  ħ2]  =  -  [ e4 x m] / 8 εo2 h2

                       = - [(1.602 x 10-19)^4 x 9.11 x 10^-31 x 7^2] / [2 x 16 x 22^2 x (8.85 x 10^-12)^2 x(1.054589x 10^-34 )^2]

                                    =  - (1.602)^4  x 9.11x 49 x 10^-15 / 2 x 16 x484 x (8.85)^2  x (1.0545879)^2

                                   = - 2.1792956 x 10-18  j = 2.1792956  x 10-19 / 1.602 x 10^-19   = -13.6 e.V

Energy of the excited states 

When the electron is in the higher orbits with n ≥ 2, the system is said to be in the excited state.The system has less binding energy.

The energy of the electron in the excited states En =  - [ e^4 x m] / 2 (4πεo )^2  ħ^2] x (1/n^2)  where n = 2,3,4..... or  En = - 13,6 / n^2    eV 

When the electron is in any one of the excited states, automatically without any external influence, it turns into its ground state, where the potential energy is minimum . During this transition, the difference in total energy is emitted out as em waves.

                        ΔE = E excited /initial  - E ground / final

                                  = [ e^4 x m] / 2 (4πεo )^2  ħ^2] [(1/nf^2 - 1/ni^2)] =[m e4  / 8 εo^2 h^2]  [(1/nf^2 - 1/ni^2)]

The frequency of the emitted radiation ν =  ΔE / h = [m e^4  / 8 εo^2 h^3] [(1/nf^2 - 1/ni^2)]

The wavelength of the emitted radiation  λ = C/ ν=  8 c εo^2 h^3 / (1/nf^2 - 1/ni^2) m e^4

                                                                                                                               ___                                                                                                                                                           The wave number of the emitted radiation   ν = 1/  λ  = ν / c= [(m e4 )/ 8 c εo^2 h^3 ] x [(1/nf^2 - 1/ni^2)].  = R H  (1/nf^2 - 1/ni^2) where nf  > n and RH  is called Rydberg constant 

RH  = [(m e4 )/ 8 c εo^2 h^3 ] 

     = [(1.602 x 10-19)4  x 9.109 x 10-31] / [8 x 2.998 x 108 x (8.854x 10-12)2 x (6.626  x 10-34)3 ]  

     = 1.09737 x 107 m-1

 This relation explains why hydrogen atom has a spectrum with only certain selective wave-lenths, which are the characteristic feature of the hydrogen atom

When nf  = 2,3,4... and ni  = 1 -  we have Lyman series

           nf  = 3,4,5... and ni  = 2 -  we have Balmer series

          nf  = 4,5,6... and ni  = 3 -  we have Paschen series

          nf  = 5,6,7.... and ... and ni  = 4 -  we have Brackett  series

nf  = ∞ , gives the limit of the  each series

The hydrogen spectrum exhibits distinct wavelengths within different spectral series. The Lyman series lies in the ultraviolet range (91 nm - 121 nm), the Balmer series in the visible light range (364 nm - 656 nm), the Paschen series in the infrared range (820 nm - 1875 nm), and the Brackett series in the infrared range (1458 nm - 4051 nm).    

 Lyman Series 

These are the spectral lines due to transition of electron from the excited state with n =2 or > 2 to its ground state with n = 1. The wavelength of the emitted radiation   λ =  8 c εo2 h3 / (1/nf2 - 1/ni2)  m e4 =  1/ [RH  (1/nf2 - 1/ni2)] = 10-7 / 1.09737[ 1 - 1/ni2 ]   m  

 First line is due to the transition of electron from 2 nd to 1 st orbit.  λL1 = 10-7 / 1.09737 x (3/4)  

= 0.91127 x 10-7 x 4/3 = 1.215 x 10-7  m = 121.5 nm  

The second line is due to the transition of the electron from 3 --> 1 . λL2  =  0.91127 x10-7   x 9/8 = 102.56 nm

The third line is due to the transition of the electron from 4--> 1 .λL3  =  0.91127 x10-7   x 16/15 =  97.25 nm

The limit of the series  is due to the transition of the electron from infinity to 1 st orbit. λL∞ =  0.91127 x10-7   x 1 =  91.127 nm

Balmer series

The first line of the Balmer series is due to the transition of electron from 3--> 2. λB1 = 0.91127 x 10-7  x  36/5 = 656.28 nm

The second line of the Balmer series is due to the transition of electron from 4--->2 . λB2 = 0.91127 x 10-7  x  16/3 = 486.0 nm

The third line of the Balmer series is due to the transition of electron from 5 ---> 2. λB3 = 0.91127 x 10-7  x  100/21 = 434.0 nm

The limit of the series  is due to the transition of the electron from infinity to 2 nd orbit. λB∞ =  0.91127 x10-7   x 4 =  364.51 nm

Paschen series

The first line of the Paschen series is due to the transition of electron from 4--> 3. λP1 = 0.91127 x 10-7  x  144/7 = 187.46 nm

The second line of the Paschen series is due to the transition of electron from 5--->3 . λP2 = 0.91127 x 10-7  x  225/16 = 128.15  nm

The third line of the Paschen series is due to the transition of electron from 6 ---> 3. λP3 = 0.91127 x 10-7  x  12 = 109.35 nm

The limit of the series  is due to the transition of the electron from infinity to 3 nd orbit. λP∞ =  0.91127 x10-7   x 9 =  82.02 nm


Sunday, May 25, 2025

 The first (1s) orbit can accommodate two electrons , but in the hydrogen atom its first orbit cann't be filled with two electrons . It is possible when one more proton is added within the nucleus (Helium atom). 

Two electrons cannot occupy the first orbit (or the 1s orbital) of the hydrogen atom because of the Pauli Exclusion Principle. This principle states that no two electrons in the same atom can have the same set of all four quantum numbers. In the first orbit, there is only one possible orbital (1s), and it can only accommodate two electrons, which must have opposite spins (spin up and spin down)

 

If one more electron is allowed in the first orbit of hydrogen , its total energy becomes positive or zero and hence it moves away from the nucleus.

The Kinetic energy of the electron = (1/2) m v^2  and for both the electrons which are identical K.E = m v^2

Electrostatic force (attraction) due to the nucleus = e^2 / Kr^2   where K =  4πεo . Since both the electrons are in the same orbit ,there must be mutual interaction between them, that is why they attain stability by staying exactly diametrically opposite. Electrostatic force (repulsion) due to the second electron  e^2 / 4Kr^2. The resultant force e^2 / Kr^2 -  e^2 / 4Kr^2  = (3/4) e^2 / Kr^2 .It is counterbalanced by centrifugal force mv^2/r .K.E of both electrons =  (3/4) e^2 / Kr .

The potential energy of the first electron due to the presence of the nucleus only = - e^2 / Kr and the potential energy due to the presence of the second electron in the same orbit  + e^2 /2Kr (electron-electron system) .This is shared equally by both the electrons. The total energy associated with the system =  (3/4) e^2 / Kr - e^2 / Kr + e^2 /2Kr = ( e^2 /4Kr)  .  The second electron  feels the effective charge  to be zero           Since there is no binding energy , the system gets transformed into normal hydrogen atom by expelling out the second  electron.  

In the helium atom the two electrons in the 1s orbit are stable with positive binding energy.   The Kinetic energy of an electron = (1/2) m v^2  and for both the electrons which are identical in the system K.E = m v2

 K.E = 2 e^2 /Kr^2 - e^2/ 4Kr^2 = (7/4) e^2/Kr^2  = mv^2 /r 

Total kinetic energy of the electrons  = mv^2  = (7/4) e^2/Kr

Potential energy of elecron 1 = - 2 e^2 /Kr +  e^2 / 2Kr ( shared by both the electrons) 

potential energy of electron 2 =   - 2 e^2 /Kr

Total potential energy of the electron-electron system = - (7/2) e^2 /Kr

Sum of K.E and P.E = - (7/4) e^2/Kr

which gives enough binding energy to the system. 


Friday, May 23, 2025

  மக்களில் பெரும் பணக்காரர்கள் ,நடுத்தர மக்கள் , ஏழை என்று மூன்று பிரிவினர் நீண்டகாலமாக மாற்றமின்றி இருந்து வருகின்றார்கள். பணக்காரர்களுக்கு அளவுக்கு மீறிய கடன் மற்றும் சலுகைகள் கொடுத்து , தேர்தல் காலங்களில் பயன்படுத்திக்கொள்ளவும்  , அவர்களுடைய நிறுவங்களின் முதலீடு செய்யாமலேயே பங்குதாரர்களாக இணையவும் ,தவறான வழிகளில் பெற்ற சம்பாத்தியங்களை பாதுகாப்பாக முதலீடு செய்யவும்  நட்புக்கொள்கின்றார்கள்.  இவர்கள் கட்டும் வரியை விட வாங்கிய வங்கிக் கடன் அதிகம் , கடன் தள்ளுபடியும் அதிகம் . வரியே சிறிதும் கட்டமுடியாத அளவிற்கு வாழும் ஏழைகளைகளின் உழைப்பை ச் சுரண்டிவிட்டு ,அவர்கள் அப்படி வாழ்வதற்கு இந்த அரசாங்கம் காரணமில்லை என்றும் , வறுமைக் கோட்டிற்கு கீழே வாழ்பவர்களின் நலனில் அக்கறை உள்ளவர்கள் போல அவ்வப்போது வள்ளல் போல  மக்கள் வரிப்பணத்தில் இலவசங்களை அள்ளி வீசுகிறார்கள் . இதற்காக ஒதுக்கிய நிதியில் பாதி அளவுகூட மக்களைச் சென்றடைவதில்லை . இடையிலேயே அரசியல்வாதிகளாலும் ,அதிகாரிகளினால்  எடுத்துக்கொள்ளப்படுகின்றன . செல்வந்தர்களுக்கு கடன் மற்றும் சலுகைகள் கொடுப்பதற்கும் , ஏழைகளுக்கு இலவசங்கள் கொடுத்து  கட்சிக்கு ஆதரவு திரட்டுவதற்கும் ஒட்டு பெறுவதற்கும் ,பலிஆடுகளாக இருப்பது நடுத்தர மக்களே . பணக் காரர்களாகி விடுவோம் என்று    நேர்மையாக உழைத்து ப் பெற்ற   சம்பாத்தியத்தில் பாதிக்கு மேல் வரி வரி என்று கட்டி  ஏழையாகிவருகின்றார்கள் . அரசாங்கம் இருக்கும் நிதிக்கு ஏற்ப திட்டம் போடவேண்டும் . திட்டத்திற்கு ஏற்ப  வரி விதிப்பதை நிறுத்திக்கொள்ளவேண்டும் . நாட்டின் வளத்தை மேபடுத்தி ,தொழில்துறையில் புதுமை புகுத்தி ,வர்த்தகத்தை ப் பெருக்கி நாட்டு மக்களின் நலனை பாதுகாத்து மேம்படுத்துவதே உண்மையான ஆட்சியாளர்களின் கொள்கை . இதில் மாறுபட்ட கருத்துவேறெதுவும் இருக்கமுடியாது 

Saturday, May 3, 2025

  இந்தியா தடையின்றி முன்னேறவேண்டும் ,தன்னிறைவு பெற்று ஒரு வல்லரசு நாடாக விளங்கவேண்டும் , உலக மக்களுக்கு இந்தியா ஒரு சுபிட்சமான நாடு என்ற தோற்றத்தை ஏற்படுத்தவேண்டும் என்பது நம் ஒருமித்த விருப்பம் என்றாலும் அது எல்லோரிடத்திலும் வெறும் எண்ணங்களாக மட்டும் முடங்கிப் போயிருக்கின்றது . எண்ணங்களிலும் சிந்தனைகளிலும் தெளிவான உறுதியான நேர்மறையான மாற்றத்தை ஏற்படுத்தாவிட்டால் இது என்றைக்கும் கனவுலகக் கொள்கையாக மட்டுமே இருக்கும் . முதலில் அதிகாரமிக்க, செயல்களை மக்களிடையே முடுக்கிவிடும்.வாய்ப்புள்ள ஆட்சியாளர்கள் மாறவேண்டும். அவர்களுக்கு நாடும் நாட்டு மக்களும் தான் முக்கியமே ஒழிய எதிர்க்கட்சியினர் இல்லை. அவர்களுடைய செயல்பாடுகள் வெளிப்படைத் தன்மை உடையதாக இருந்தால் , மக்களுக்கு பயனு ள்ளதாக இருந்தால் , தன்னலத்தை மறைவு இல்லாதிருந்தால் அவைகளுக்கு விளம்பரம் தேவையில்லை . விமர்சனங்களும் எழுவதில்லை .மக்கள் ஆதரவு இயல்பாகவே வளர்ந்துவிடும் . மாறாக அதிகாரம் என் கையில் ,என் முடிவே மகேசன் முடிவு என்று ஆணவத்துடன் செயல்பட்டால் , நல்லாட்சியை ஒருநாளும் ஏற்படுத்தமுடியாது ,. ஆட்சியாளர்கள் தங்களுடைய சேவையை விரிவு படுத்தவும் ,மக்களிடம் கொண்டு சேர்க்கவும் திட்டமிடும் போது பொதுநலத்தில் அக்கறையுள்ள ,தன்னலமற்ற தொண்டர்களை இணைத்துக்கொள்ளவேண்டும் .அவ்வப்போது அவர்களுடைய நேர்மைத்தனத்தை மதிப்பீடு செய்து தகுந்த திருத்தங்களைச் செய்யவேண்டும். மக்கள் நலனில் அக்கறை காட்டாத ,பாதிப்பை ஏற்படுத்துகின்ற அதிகாரிகளைக் கண்காணித்து களையெடுக்கவேண்டும். .தீயவர்களாக இருந்துகொண்டு தீயவர்களை யும் சேர்த்துக்கொண்டு தீமைகளை செய்து கொண்டே இருந்தால் நாடு இனி திருத்தவே முடியாது என்ற இழி நிலைக்குத் தள்ளப்பட்டுவிடும் . காவல்துறையும் ,நீதித்துறையும் மக்களின் பாதுகாப்புக்கானது . ஆட்சியாளர்கள் அதை அவர்களுடைய மறைவொழுக்க நடவடிக்கை களுக்கு பாதுகாப்புக் கவசமாக மாற்றி அமைத்துக் கொள்ளக்கூடாது . ஏனெனில் இதை எதிர்கட்சியினரும் அவர்களுடைய ஆட்சிக்காலத்தில் செய்ய வாய்ப்பிருப்பதால் .ஆட்சியாளர்களாலும்  எதிர்கட்சியினராலும் நாடு சீரழிந்து போவதற்கான வாய்ப்பு தொடர்ந்து அதிகரித்துக்கொண்டே வருகின்றது.