電子躍遷

電子躍遷本質上是組成物質的粒子（原子、離子或分子）中電子的一種能量變化。根據能量守恆原理，粒子的外層電子從低能級轉移到高能級的過程中會吸收能量；從高能級轉移到低能級則會釋放能量。能量為兩個能級能量之差的絕對值。

基本介紹

• 中文名：電子躍遷
• 外文名：electron transition
• 原理：能量守恆原理
• 分類：無輻射躍遷，輻射躍遷
• 學科：量子力學、物理學

分類

根據分子軌道理論，在有機化合物分子中與紫外一可見吸收光譜有關的價電子有三種：形成單鍵的σ電子，形成雙鍵的π電子和分子中未成鍵的孤對電子，稱為n電子，也稱為p電子。當有機化合物吸收了紫外光或可見光，分子中的價電子就要躍遷到激發態，其躍遷方式主要有四種類型，即σ→σ*，n→σ*，π→π*,n→π*。各種躍遷所需能量大小為：σ→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*。

電子能級間位能的相對大小如圖所示。一般未成鍵孤對電子n容易躍遷到激發態。

分子軌道能級圖和躍遷類型

成鍵電子中，π電子較σ電子具有較高的能級，而反鍵電子卻相反。故在簡單分子中的n→π*躍遷需要的能量最小，吸收峰出現在長波段；π→π*躍遷的吸收峰出現在較短波段；而σ→σ*躍遷需要的能量最大，出現在遠紫外區。
許多有機分子中的價電子躍遷，須吸收波長在200～1000nm範圍內的光，恰好落在紫外-可見光區域。因此紫外-可見吸收光譜是由於分子中價電子的躍遷而產生的，也可以稱它為電子光譜。

1、σ——σ*躍遷

成鍵σ電子由基態躍遷到σ*軌道，這是所有存在σ鍵的有機化合物都可以發生的躍遷類型。在有機化合物中，由單鍵構成的化合物，如飽和烴類能產生σ→σ*躍遷。引起σ→σ*躍遷所需的能量最大。因此，所產生的吸收峰出現在遠紫外區，吸收波長λ<200nm，甲烷的λ_max為125nm，乙烷的λ_max為135nm，即在近紫外區、可見光區內不產生吸收，而且在此波長區域中，0₂和H₂0有吸收，所以目前一般的紫外一可見分光光度計還難以在遠紫外區工作。因此，一般不討論σ→σ*躍遷所產生的吸收帶。而由於僅能產生σ→σ*躍遷的物質在200nm以上波長區沒有吸收，故常採用飽和烴類化合物作紫外一可見吸收光譜分析時的溶劑（如正己烷、環己烷、正庚烷等）。

2、n——σ*躍遷

n→σ*躍遷是非鍵的n電子從非鍵軌道向o+反鍵軌道的躍遷，即分子中未共用n電子躍遷到σ*軌道；凡含有n電子的雜原子（如N、O、S、P、X等）的飽和化合物都可發生n→σ*躍遷。由於n→σ*躍遷比σ→σ*所需能量較小，所以吸收的波長會長一些，λ_max可在200nm附近，但大多數化合物仍在小於200nm區域內，λ_max隨雜原子的電負性不同而不同，一般電負性越大，n電子被束縛得越緊，躍遷所需的能量越大，吸收的波長越短，如CH₃ CI的λ_max為173nm，CH₃ Br的λ_max為204nm．CH₃I的λ_max為258nm。n→σ*躍遷所引起的吸收，摩爾吸收係數一般不大，通常為100～300 L^.mol^{- 1.}cm^-1。一般相當於150～250nm的紫外光區，但躍遷機率較小，κ值在l0²～l0³ L^.mol^{- 1.}cm^-1，屬於中等強度吸收。

3、π——π*躍遷

成鍵π電子由基態躍遷到π*軌道；凡含有雙鍵或叄鍵的不飽和有機化合物（如C═C、C≡C等）都能產生π→π*躍遷。π→π*躍遷所需的能量比σ→σ*躍遷小，一般也比n→σ*躍遷小，所以吸收輻射的波長比較長般在200nm附近，屬強吸收。此外，π→π*還具有以下特點：

①吸收波長一般受組成不飽和鍵的原子影響不大，如HC-CH及N-CH的λ_max都是175nm；
②摩爾吸收係數都比較大，通常在1×l0⁴ L^.mol^{- 1.}cm^-1以上；
③對於多個雙鍵而非共軛的情況，如果這些雙鍵是相同的，則λ_max基本不變，而κ變大，且一般約以雙鍵增加的數目倍增。如：
1-己二烯CH₂=CH-(CH₂)₃-CH₃ λ_max為177nm κ=ll800 L·mol-¹·cm^-1
1，5一己二烯CH₂=CHCH₇CH₂CH=CH₂ λ_max為178nm κ=26000L·mol-¹·cm^-1

對於共軛情況，由於共軛形成了大π鍵，π電子進一步離域，π*軌道有更大的成鍵性質，降低了π*軌道的能量，因此使ΔE降低，吸收波長向長波長的方向移動，稱為紅移。而且共軛體系使分子的吸光截面積加大，即κ變大。如：
乙烯CH₂ =CH₂λ_max為170nm左右，κ=1×l0⁴L·mol-¹·cm^-1 1，3一丁二烯CH₂=CH-CH=CH₂ λ_max為210nm κ=2.1×l0⁴ L·mol-¹·cm^-1 通常每增加一個共軛雙鍵，_λmax增加30nm左右。環共軛比鏈共軛的λ_max長。

4、n——π*躍遷

n→π*躍遷是未共用n電子躍遷到π*軌道。含有雜原子的雙鍵不飽和有機化合物能產生這種躍遷。如含有C═O、C═S、-N=O、-N=N-等雜原子的雙鍵化合物。躍遷的能量最小，吸收峰出現在200～400nm的紫外光區，屬於弱吸收。此外，n→π*還具有以下特點：

①λ_max與組成π鍵的原子有關，由於需要由雜原子組成不飽和雙鍵，所以n電子的躍遷就與雜原子的電負性有關，與n→σ*”躍遷相同，雜原子的電負性越強，λ_max越小；
②n→π*躍遷的機率比較小，所以摩爾吸收係數比較小，一般為10 ～100L·mol-¹·cm^-1，比起π→π*躍遷小2～3個數量級。摩爾吸收係數的顯著差別，是區別π→π*躍遷和n→π*躍遷的方法之一。
除了上述價電子軌道上的電子躍遷所產生的有機化合物吸收光譜外，還有分子內的電荷轉移躍遷。

吸收帶

（1）R吸收帶(R—bands)：含有n→π共軛的基團n→π*躍遷產生的吸收帶稱為R吸收帶，該帶發生在近紫外及可見區，其特徵是吸收強度弱，ε_max<100。並且隨著溶劑的極性增強，它的最大吸收波長藍移。
（2）K吸收帶(K—bands)：當分子中存在有π→π共軛結構時，能發生較強的π→π*吸收帶，稱為K吸收帶。這種吸收帶也出現在含有發色基團的芳香族化合物中，例如苯乙烯、苯乙酮等。K帶的特徵是ε_max>10000，是一強吸收帶。

由烯酮產生的K帶和由多烯產生的K帶的區別，可以通過觀察在極性不同的溶劑中所作的紫外光譜來得到。多烯鍵的K帶基本上與溶劑的極性無關，因為碳氫化合物的雙鍵是非極性的。烯酮類的K帶吸收波長則隨著溶劑的極性增加而發生紅移，同時吸收強度也隨著增加。
（3）B吸收帶(Benzenoid bands)：芳環結構的特徵譜帶分為B吸收帶和E吸收帶兩種。
B帶是芳環結構的特徵吸收帶，是由π→π*躍遷引起的。B帶為一寬峰，並出現若干小峰或稱精細結構。一般出現在230～270 nm之問，頂峰在256 nm左右，ε值為250左右。B帶是芳環化合物的特徵吸收，在溶液狀態時或有官能團取代時精細結構消失。
（4）E吸收帶(Ethylenic bands)：E帶也是芳環結構的特徵吸收帶，是由苯環上三個乙烯組成的環狀共軛結構所引起的，為π→π*引起：E帶又分E₁和E₂帶。E₁帶出現在180 nm左右(ε約為6000)，E₂出現在200nm附近(ε為8000)。當芳環上帶有助色基團時，可使E₂帶紅移。

躍遷實例

電子躍遷的一個例子就是焰色反應。某些金屬或它們的揮發性化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現特徵的顏色的反應.灼燒金屬或它們的揮發性化合物時,原子核外的電子吸收一定的能量,從基態躍遷到具有較高能量的激發態,激發態的電子回到基態時,會以一定波長的光譜線的形式釋放出多餘的能量,從焰色反應的實驗裡所看到的特殊焰色,就是光譜譜線的顏色.

每種元素的光譜都有一些特徵譜線,發出特徵的顏色而使火焰著色,根據焰色可以判斷某種元素的存在.如焰色洋紅色含有鍶元素,焰色玉綠色含有銅元素,焰色黃色含有鈉元素等. 如權能量子活化磁電子躍遷技術原理現在流行與各個行業當中最為普及的權能量子是高能生物陶瓷的能量材料，這種量子技術生產的工藝相當複雜,此產品是由近幾十種的稀有金屬經過特殊氧化的工藝後在2000度的高溫下綜合燒結為一體，這種特殊的材料具有卓越的電子躍遷屬性，有著超強光、力、磁、電吸收及催化維一體的敏感性能。

自然界有無數的放射源：宇宙星體、太陽、地球上的海洋、山嶺、岩石、土壤、森林、城市、鄉村、以及人類生產製造出來的各種物品，凡在絕對零度（-273.15℃）以上的環境，無所不有地發射出不同程度的紅外線。現代物理學稱之為熱射線。由能量守恆定律得知，宇宙的能量不能發生，也不會消失，只可以改變能量的方式。熱能便是宇宙能量的一種，可以用放射（輻射）、傳導和對流的方式進行轉換。在放射的過程中，便有一部份熱能形成紅外線、白金線。

幾十年前，航天科學家調查研究，太陽光當中波長為 8~14μm的遠紅外線是生物生存必不可少的因素。因此，人們把這一段波長的遠紅外線稱為“生命光波”。這一段波長的光線，與人體發射出來的遠紅外線的波長相近，能與生物體內細胞的水分子產生最有效的“共振”，同時具備了滲透性能，有效地促進動物及植物的生長。21世紀開始，權能量子帶領光譜領域進入新的紀元，材料科技研究進入奈米科技的等級，可生成比遠紅外線光譜更長的光譜，就是白金線被現代科學命名為“權能量子光譜”。新技術權能量子的發現，釋放波長為1000-1600μm，把躍遷的實際效能體現的淋漓盡致。

權能量子材料有多種形態體現和利用，如：用於微波爐、光波爐、炒鍋、電飯煲、烤箱水溶噴塗態；也有30%、50%、70%、100%的粉末態，用在與食品級ABS塑膠相溶，可注塑成千姿百態的、絕無塑化劑的隱患的環保製品；也有各種規格的顆粒狀權能量子球，光線大致可分為可見光及不可見光。可見光經三稜鏡後會折射出紫、藍、青、綠、黃、橙、紅顏色的光線（光譜）。紅光外側的光線，在光譜中波長自0.76μm至1μm的一段被稱為紅外光，又稱紅外線。光譜波長能自1000μm至1600μm，被稱為“權能量子能量”光譜。