自旋选择定则(spin selection rule)
当光把一个电子推到更高的轨道时,电子被允许改变它所处的位置——但通常不被允许在这个过程中翻转自己的自旋。自旋选择定则抓住的正是这一点:一个电子跃迁只有在总自旋不变时才被允许。用符号说,总自旋 S 的变化必须为零,这意味着跳跃前后未成对电子的数目保持不变。
自旋是每个电子携带的一点点内禀磁性,指向上或向下。一个离子的总自旋,以及与之相关的自旋多重度(按 2S+1 计算,作为前导上标出现在谱项符号里),是对有多少电子未成对的一种记账。光主要与电子的位置打交道,而不与它的自旋打交道,所以一个需要电子翻转自旋的跃迁——把一对电子变成两个未成对的,或反过来——是自旋禁阻的。一个保持自旋数目不变的跃迁则是自旋允许的。这就是为什么大多数被观察到的 d-d 谱带连接的是多重度相同的状态。
这条规则之所以重要,是因为它在 Laporte 规则之上解释了第二层的微弱。一切有色离子中最淡的,是那些唯一可用的跃迁既 Laporte 禁阻又自旋禁阻的。教科书的范例是八面体场中的锰(II):它的高自旋 d5 离子的每一个 d 跃迁都需要翻转自旋,所以 [Mn(H2O)6]2+ 是著名的几乎看不出的极淡粉色。这条规则并非绝对——自旋-轨道耦合把不同自旋的状态混在一起,放过一丝强度——但它强到足以让双重禁阻的谱带比完全允许的弱约一千倍。
[Mn(H2O)6]2+ 是高自旋 d5,有五个未成对电子(六重态,2S+1 = 6)。每一个 d-d 跃迁都得让两个电子配对、减少自旋,所以它的所有谱带既 Laporte 禁阻又自旋禁阻——这就是为什么溶液几乎无色,只是一抹勉强可辨的粉。
高自旋 d5 的锰(II):双重禁阻,故几乎无色。
自旋规则对较重元素会减弱:自旋-轨道耦合随原子序数增大,所以对第一过渡系金属看不见的自旋禁阻谱带,到了第二、第三过渡系同族元素和镧系就变得可见。