配合物的電子光譜與磁性

自旋選擇定則(spin selection rule)

當光把一個電子推到更高的軌道時,電子被允許改變它所處的位置——但通常不被允許在這個過程中翻轉自己的自旋。自旋選擇定則抓住的正是這一點:一個電子躍遷只有在總自旋不變時才被允許。用符號說,總自旋 S 的變化必須為零,這意味著跳躍前後未成對電子的數目保持不變。

自旋是每個電子攜帶的一點點內稟磁性,指向上或向下。一個離子的總自旋,以及與之相關的自旋多重度(按 2S+1 計算,作為前導上標出現在譜項符號裡),是對有多少電子未成對的一種記帳。光主要與電子的位置打交道,而不與它的自旋打交道,所以一個需要電子翻轉自旋的躍遷——把一對電子變成兩個未成對的,或反過來——是自旋禁阻的。一個保持自旋數目不變的躍遷則是自旋允許的。這就是為什麼大多數被觀察到的 d-d 譜帶連接的是多重度相同的狀態。

這條規則之所以重要,是因為它在 Laporte 規則之上解釋了第二層的微弱。一切有色離子中最淡的,是那些唯一可用的躍遷既 Laporte 禁阻又自旋禁阻的。教科書的範例是八面體場中的錳(II):它的高自旋 d5 離子的每一個 d 躍遷都需要翻轉自旋,所以 [Mn(H2O)6]2+ 是著名的幾乎看不出的極淡粉色。這條規則並非絕對——自旋-軌道耦合把不同自旋的狀態混在一起,放過一絲強度——但它強到足以讓雙重禁阻的譜帶比完全允許的弱約一千倍。

[Mn(H2O)6]2+ 是高自旋 d5,有五個未成對電子(六重態,2S+1 = 6)。每一個 d-d 躍遷都得讓兩個電子配對、減少自旋,所以它的所有譜帶既 Laporte 禁阻又自旋禁阻——這就是為什麼溶液幾乎無色,只是一抹勉強可辨的粉。

高自旋 d5 的錳(II):雙重禁阻,故幾乎無色。

自旋規則對較重元素會減弱:自旋-軌道耦合隨原子序數增大,所以對第一過渡系金屬看不見的自旋禁阻譜帶,到了第二、第三過渡系同族元素和鑭系就變得可見。

又稱
spin-multiplicity ruledelta-S = 0 rule自旋多重度规则自旋多重度規則