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x, y, z, x 2 , y 2 , z 2 , xy, yz, zx

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Academic year: 2022

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4 Exercise - Introduction to Group Theory

4.1 (vibrational selection rules)

To nd vibrational selection rules, we haveto determine whether integrals of the types

R ψ 0 ν f ψ 1 ν

are

non-zero,withfunction

f

being

x, y, z, x 2 , y 2 , z 2 , xy, yz, zx

oranycombinationthereof.Let

ψ 0 ν

betotally

symmetric and

ψ ν 1

may belong to any irreducible representation. We are now meant to identify the irreducible representationsto which

ψ ν 1

may belong in order to give non-zerointegralsformolecules of

symmetry

C 4 v

and

D 3 d

.Westartoutrstdenotingthecharactertablesof

C 4 v

:

C 4 v E 2C 4 (z) C 2 2σ v 2σ d

linearfcts,rotations quadraticfcts cubicfunctions

A 1 1 1 1 1 1 z x 2 + y 2 , z 2 z 3 , z x 2 + y 2

A 2 1 1 1 − 1 − 1 R z − −

B 1 1 − 1 1 1 − 1 − x 2 − y 2 z x 2 − y 2

B 2 1 − 1 1 − 1 1 − xy xyz

E 2 0 − 2 0 0 (x, y) (R x , R y ) (xz, yz) xz 2 , yz 2

xy 2 , x 2 y

x 3 , y 3

Werststartcalculatingallpossibledirectproducts:

A 1 ⊗ A 1 = A 1

A 1 ⊗ A 2 = A 2

A 1 ⊗ B 1 = B 1 A 1 ⊗ B 2 = B 2

A 1 ⊗ E = E

further:

E ⊗ A 1 = E E ⊗ A 2 = E E ⊗ B 1 = E E ⊗ B 2 = E

E ⊗ E = A 1 + A 2 + B 1 + B 2

goingonwith:

B 1 ⊗ A 1 = B 1

B 1 ⊗ A 2 = B 2

B 1 ⊗ B 1 = A 1 B 1 ⊗ B 2 = A 2

B 1 ⊗ E = E

and

(2)

B 2 ⊗ A 1 = B 2

B 2 ⊗ A 2 = B 1

B 2 ⊗ B 1 = A 2 B 2 ⊗ B 2 = A 1

B 2 ⊗ E = E

atlast

A 2 ⊗ A 1 = A 2

A 2 ⊗ A 2 = A 1

A 2 ⊗ B 1 = B 2

A 2 ⊗ B 2 = B 1

A 2 ⊗ E = E

Therefore

A 1

and

E

symmetryvibrationswillbeIRactiveand

A 1

,

B 1

,

B 2

and

E

symmetryvibrations

will beRamanactive.Weusedthat thedirect product should containtheirreduciblerepresentation of

theirr.rep.wehavelookedat forthetransition.

Nowwedenotethecharatertable of

D 3 d

:

D 3d E 2C 3 3C 2 0 i 2S 6 3σ d

linears,rots quadratics cubicfunctions

A 1 g 1 1 1 1 1 1 − x 2 + y 2 , z 2

A 2 g 1 1 − 1 1 1 − 1 R z − −

E g 2 − 1 0 2 − 1 0 (R x , R y ) x 2 − y 2 , xy

(xz, yz) −

A 1 u 1 1 1 − 1 − 1 − 1 − − x x 2 − 3y 2

A 2 u 1 1 − 1 − 1 − 1 1 z − y x 2 − 3y 2

, z 3 , z x 2 + y 2 E u 2 − 1 0 − 2 1 0 (x, y) − xz 2 , yz 2 xyz, z x 2 − y 2

x x 2 + y 2

, y x 2 + y 2

Wecanagaincalculateallpossibledirectproducts:

A 1 g ⊗ A 1 g = A 1 g

A 1 g ⊗ A 2 g = A 2 g

A 1 g ⊗ E g = E g

A 1 g ⊗ A 1 u = A 1 u

A 1g ⊗ A 2u = A 2u

A 1 g ⊗ E u = E u

next

A 2 g ⊗ A 1 g = A 2 g

A 2 g ⊗ A 2 g = A 1 g

(3)

A 2g ⊗ E g = E g

A 2 g ⊗ A 1 u = A 2 u

A 2 g ⊗ A 2 u = A 1 u

A 2 g ⊗ E u = E u

last

g

E g ⊗ A 1 g = E g

E g ⊗ A 2 g = E g

E g ⊗ E g = A 1 g + A 2 g + E g

E g ⊗ A 1u = E u

E g ⊗ A 2 u = E u

E g ⊗ E u = A 1 u + A 2 u + E u

nowthe

u

-terms:

A 1 u ⊗ A 1 g = A 1 u

A 1 u ⊗ A 2 g = A 2 u

A 1 u ⊗ E g = E u

A 1 u ⊗ A 1 u = A 1 g

A 1 u ⊗ A 2 u = A 2 g

A 1 u ⊗ E u = E g

next

A 2u ⊗ A 1g = A 2u

A 2 u ⊗ A 2 g = A 1 u

A 2u ⊗ E g = E u

A 2 u ⊗ A 1 u = A 2 g

A 2 u ⊗ A 2 u = A 1 g

A 2u ⊗ E u = E g

last

u

-term:

E u ⊗ A 1 g = E u

E u ⊗ A 2g = E u

E u ⊗ E g = A 1 u + A 2 u + E u

E u ⊗ A 1 u = E g

E u ⊗ A 2 u = E g

E u ⊗ E u = A 1 g + A 2 g + E g

A 2u

and

E u

symmetryvibrationswillbeIRactive.

A 1g

and

E g

symmetryvibrationswillbeRaman

active.

(4)

4.2 (magnetic dipole allowed transitions for

T d

-symmetry)

Foramoleculeof

T d

symmetrywecandeterminewhat pairsofstatescouldbeconnectedbyamagnetic

dipole allowedtransition,whileforexampleMethanegot

T d

symmetry. Thecharactertableof

T d

:

T d E 8C 3 3C 2 6S 4 6σ d

linears,rots quadraticfcts cubicfunctions

A 1 1 1 1 1 1 − x 2 + y 2 + z 2 xyz

A 2 1 1 1 − 1 − 1 − − −

E 2 − 1 2 0 0 − 2z 2 − x 2 − y 2 , x 2 − y 2

− T 1 3 0 − 1 1 − 1 (R x , R y , R z ) −

x z 2 − y 2

, y z 2 − x 2

, z x 2 − y 2 T 2 3 0 − 1 − 1 1 (x, y, z) (xy, xz, yz) x 3 , y 3 , z 3

x z 2 + y 2

, y z 2 + x 2

, z x 2 + y 2

Thedirect productsare:

T 1 ⊗ A 1 = T 1 T 1 ⊗ A 2 = T 2

T 1 ⊗ E = T 1 + T 2

T 1 ⊗ T 1 = A 1 + E + T 1 + T 2

T 1 ⊗ T 2 = A 1 + E + T 1 + T 2

thereforethefollowingtransitionsaremagneticdipole allowed:

T 1 → A 1

T 1 → E T 1 → T 1 T 1 → T 2

this followsfrom thecondition, that we needto have at least one

T 1

in the direct product-reduced form,fortheintegralnotto vanish.

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