Kasha規則
基態分子吸收一個光子生成單重激發態,但是由于高重激發態的振動能級重疊,他們會很快失活到最低單重激發態,稱為S1,這種失活過程一般只需飛秒幾百,并由S1再發生光化學和光物理過程。同樣的原因,高級三重激發態也很快的失活達到最低三重激發態T1,因此,一切重要的光化學與光物理過程都是從最低激發單沖態和最低激發三重態開始的。
Kasha規則極大的化簡了我們對光化學過程的討論,我們下面來討論一下激發態分子如何失活回到基態。
激發態分子的失活
有的讀者可能認為,這一過程僅僅是激發態分子將能量輻射出去的過程,但是,這一過程有很多種類型,包括:輻射躍遷和非輻射躍遷,能量轉移、電子轉移和化學反應。
輻射躍遷包括磷光和熒光,這在我們之前的文章中已經介紹過了。非輻射躍遷包括內轉換和系間竄越,內轉換是指相同多重度的能態之間的一種無輻射躍遷,這類躍遷非常迅速,在飛秒級別。系間竄越則是指不同多重度能態之間的一種無輻射躍遷,包含一個電子自旋的反轉,S→T或T→S。
如果激發態和一個基態分子相互作用,并作為給體,最終結果是給體變為基態,受體變為激發態,這個過程中電子自旋守恒。另外,由于激發態物種既是很好的電子受體,也是很好的電子給體,因此,電子轉移的能量傳遞也是激發態物種失活的一個很重要的路徑。
激發態分子發生化學反應而失活是光化學主要研究的問題,我們將在后面的文章中詳細說明。
光化學第一定律
又稱Grothus- Draper定律,主要內容是只有被反應體系吸收的光才能引起光化學反應。雖然這看起來很顯然-如果一個體系甚至不能和光發生吸收,它對光化學反應是不產生影響的。我們已經從朗伯比爾定律中了解到,只有摩爾吸光度是和物質種類有關的量,這個數值意味著分子對光的吸收能力。
Golden規則
在兩個狀態之間躍遷的速率具有如下形式:
其中,ρ是可以與初始狀態耦合的終態數目,H為矩陣元,μ是偶極矩算符。
根據波恩·奧本海默近似,分子運動的總波函數可以分解為核運動、電子軌道運動與電子自旋運動三個波函數的乘積。這意味著,若電子的自旋狀態發生改變,那么矩陣元將為0,從而躍遷速率也為0,即躍遷是禁阻的。
光化學第二定律
又稱為Stark-Einstein定律,即電子的躍遷通常是由一個光子的吸收產生的。由宇稱原理,在電子躍遷前后,分子軌道的對稱性應當發生改變。雖然在某些極為特殊的例子中,包括激光以及一些高能光過程,可能發生雙光子躍遷,但是在光化學中并不普遍。