自旋多重度
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在光譜學和量子化學中，能級的自旋多重度定義為2S+1，其中S是總自旋角動量。[1][2][3]自旋多重度為1、2、3、4、5的狀態分別稱為單重態，雙重態，三重態，四重態和五重態。[2]
原子 編輯
對於原子，自旋多重度通常等於總自旋相對於總軌道角動量L的可能取向的數量，因此等於僅因自旋-軌道作用而導致能量差異的近簡併能級的數量。
例如，碳原子的基態是3P態。上標3（讀作三重態）表示自旋多重度2S+1=3，因此總自旋量子數S=1。這種自旋歸因於兩個不成對的電子依據洪特規則以相同的自旋方向填充簡併軌道。組成三重態的三個狀態沿着總軌道角動量方向的自旋分量分別為+1、0和–1，總軌道角動量為為1，如字母P所示。總角動量量子數J的最值分別為L+S=2與L-S=0，每兩個可能的J之間相隔1，因此J=2、1或0。[1][2]
但是，僅當S≤L時，自旋多重度才等於自旋方向的數量。當S>L時，總角動量只可能有2L+1個方向，範圍從S+L到S-L。[2][3]氮原子的基態為4S四重態，有三個不成對的電子，由2S+1=4得S=3/2。對於光譜符號為S的態，L=0，因此J只能為3/2，即使自旋多重度為4，該態也只有一個能級。
分子 編輯
穩定的有機分子具有完整的電子殼層，沒有不成對的電子，因此基態均為單重態。對於僅包含主族元素的無機分子也是如此。重要的例外是氧分子（O2）以及亞甲基卡賓（CH2）等卡賓。
然而，具有較高自旋的基態在過渡金屬的配合物中非常普遍。晶體場理論提供了這種配合物自旋態的簡單解釋。
氧分子 編輯
氧分子的HOMO（最高佔據分子軌道）是一對簡併的π*軌道。基態下，該能級被自旋同向的兩個電子佔據。因此，該分子基態下處於三重態。
而氧分子的第一激發態在π*能級具有兩個自旋相反的電子，因此不存在自旋不成對的電子，是單重態，被稱為單重態氧。
亞甲基卡賓 編輯
在有機化學中，卡賓是碳原子僅具有六個價電子的分子，因此不遵守八隅律。[4]卡賓通常以其自旋多重性分為單線態和三線態。兩者都有兩個非鍵合電子，差別在於：在單線態卡賓中，這些電子以孤電子對形式存在並且自旋相反，因此沒有淨自旋；而在三線態卡賓中，這些電子具有自旋平行。[5]
參考文獻 編輯
- ^ 1.0 1.1 Atkins & de Paula 2006，第353頁.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Levine 1991，第308頁.
- ^ 3.0 3.1 multiplicity (spin multiplicity). IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). 2006 [30 March 2018]. doi:10.1351/goldbook.M04062. （原始內容存檔於2019-04-13）.
- ^ Clayden et al. 2001，第1055頁.
- ^ Clayden et al. 2001，第1061頁.
參考書目 編輯
- Atkins, Peter; de Paula, Julio. Atkins' Physical Chemistry 8th. United States: Oxford University Press. 2006. ISBN 0-7167-8759-8.
- Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart; Wothers, Peter. Organic Chemistry. United States: Oxford University Press. 2001. ISBN 0-19-850346-6.
- Levine, Ira N. Quantum Chemistry 4th. United States: Prentice-Hall. 1991. ISBN 0-205-12770-3.
- Miessler, Gary L.; Tarr, Donald A. Inorganic Chemistry 2nd. Prentice-Hall. 1999. ISBN 0-13-841891-8.