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材料化学与物理-3-光物理基础-1
光物理基础
2011-3-21
基态:当一个分子中的所有电子的排布完全遵循建造原理时,
我们称这个分子处于基态(ground state)
激发态:当分子中电子的排布不完全遵从建造原理时,
我们称分子处于激发态(Excited State)
电子在原子或分子中排列分布所遵循的原则:
基态与激发态
激发态的产生——光和分子的相互作用
(1)光的本质;(2) 光波与电子的相互作用;(3) 电离势
(1)光的本质:光是电磁波的一部分,可用在互相垂直的平面内,以正弦波方式振
动的、并和电磁波传播方向垂直的电场和磁场来描述
hvE
=
v
C
=λ
(2) 光波与电子的相互作用
C
he
eF
][ν
ε+=ε
e
≈
激发一个电子所需要的能量:
E
hC
Δ
=λ
秒尔格×=
?27
1063.6
h
sJ
?×=
?34
1063.6
snmC
/103
17
×=
123
1002.6
?
×=
molN
molkcal
13
1044.11×=尔格
nm
molKcalE
molKcal
)/(
/1086.2
4
Δ
×
=λ
molKJ
nm
NhC
E
)(
10196.1
5
λλ
×
==Δ或
(3)电离势:从一个气态分子中排出一个电子,生成一价气
态正离子所需的最小能量,称为此分子的第一电离势。
KEhvIP
?=(电子动能)
轨道能是相应电离势的负值,即:
IPHOE
?=)(
这被称为Koopman定理,表示为
IPE
?=)(φ
hv
HOMO
LUMO
EAIP
EA*IP*
基态分子激发态分子
激发态的特点
激发态与基态的性质比较
1.能量:
激发态分子是高能不稳定的分子。例如有人计算,当
分子吸收了253.7nm波长的光子时,其能量相当于被加
热到40000k时所具有的能量
2.键长和键能:通常激发态的键长较基态增加约15%。
例如,甲醛在基态时其C=O键长是0.121nm,在第一单重
激发态时是0.132nm;乙炔在基态时其C≡C键长是
0.120nm,在第一激发单重态时是0.132nm,在第一激
发三重态时是0.136nm
3.改变分子的平面性:例如甲醛的两个氢原子在第
一激发单重态偏离原平面25度,其第一激发三重态
偏离原平面35度;乙烯的两个亚甲基在激发态时处
于相互垂直的两个平面内。
4.电子构型的改变:例如甲醛的电子构型在基态时
是SP2杂化,在激发态时是SP3杂化;乙炔中的碳原
子由基态时的SP杂化变为激发态时的SP2杂化
5.酸碱性的改变:
(1) 分子的酸性基团是电子给体时
pK(基) >pK(三) pK(单)
(2)分子的酸性基团是电子受体时
pK(基) <pK(三) pK(单)
5.分子极性的改变
7.氧化还原电位的改变
8.电离势和电子亲合能的改变
9.HOMO和LUMO能级及其对称性的改变
10.化学反应性质
激发态分子的失活:
激发态分子失去激发能回到基态的过程被称为激发态的失活
(diactivation)、衰变(decay)或猝灭(quenching)。
?多重度=2S+1,S=n*1/2,n为是电子自旋不配对即
自旋平行电子数。
?所谓的三重态(三线态)是电子受激发在跃迁过
程中还伴随着自旋方向的改变,这时分子便具有
两个自旋不配对的电子,即s=1,分子的多重度M
=3。
而单电子数也可以时基态轨道和激发态轨道各占
一个单电子,但两个电子自旋仍然时反向的,此
时s=0,分子多重度M=1.
光物理
光化学
激发态的分子内失活遵从一级反应动力学
[][]
kT
teAA
?
=
*
0
*
[]
[]
kTte
A
A
?=
*
0
*
[]
[]
kT
A
A
t
=*
*
0log
k
t
1
=根据定义,激发态的寿命
[]
[]
e
A
A
t
log1log*
*
0==
[]
[]
e
A
At
*
0
*=
类似的,辐射寿命是发光强度减为初始的所需要的时间
e
1
kt
I
I
t
=
0
log
自然辐射寿命(Natural RadiativeLifetime)
F
f
k
10
=τ
P
P
k
1
=τ
观测辐射寿命(Observed RadiativeLifetime)
STICF
f
kkk
++
=
1
τ
TSp
P
kk
+
=
1
τ
f
f
F
STICFf
f
k
kkk
Φ
=
++
=
ττ
τ
)(0
ST
P
P
STP
STTSPP
P
TSPP
P
k
kk
k
kk
Φ?
Φ
=
?
Φ+
=
+
=
τ
φ
ττ
τ
)()(0
max
4
010
ε
τ
?
=
f
e
u
f
g
g
dvv
?
×
=
∫ε
τ2
8
0
~
1047.3
v
~
eugg
,
是吸收带中
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