光化学和光物理 概念、研究和应用PDF电子书下载

1简介 1

1.1 科学技术中的光化学和光物理 1

1.2 发展历史 1

1.3 化学和物理的一个新维度 2

1.4 光的本质 4

1.5 光的吸收 6

1.6 量子产率、效率、激发态反应性 6

参考文献 8

2基本分子轨道理论 10

2.1 引言 10

2.2 氢原子 10

2.3 多电子原子 12

2.4 从原子到分子 15

2.5 同核双原子分子的电子构型 18

2.6 异核双原子分子的电子构型 21

2.7 简单多原子分子和群论基础 22

2.7.1 群论 22

2.7.2 水 25

2.7.3 氨 27

2.8 典型的有机分子 28

2.8.1 甲烷 28

2.8.2 乙烯 30

2.8.3 苯 31

2.8.4 甲醛 33

2.9 过渡金属配合物 35

2.9.1 基本概念 35

2.9.2 典型的金属配合物 41

参考文献 44

3光吸收和激发态失活 46

3.1 光吸收 46

3.1.1 选择规则 48

3.1.2 对称选择规则 48

3.1.3 旋转选择规则 49

3.1.4 富兰克-康顿（Franck-Condon）原理 50

3.1.5 光化学反应的势能面的形象化 51

3.2 雅布隆斯基图 53

3.3 激发态失活 55

3.3.1 振动弛豫 55

3.3.2 非辐射失活 56

3.3.3 辐射失活 58

3.3.4 辐射寿命 59

3.4 化学反应 60

3.5 动力学方面 60

3.6 溶剂和温度的影响 61

3.6.1 溶致变色位移 61

3.6.2 能级态的交叉 64

3.6.3 温度对激发态寿命的影响 65

3.6.4 热激活的延迟荧光 65

3.7 特定分子 66

3.7.1 氧 66

3.7.2 萘 68

3.7.3 二苯甲酮 70

3.7.4 锌（Ⅱ）四苯基卟啉 72

3.7.5 [Cr（en）3]3＋ 74

3.7.6 [Co（NH3）6]3＋ 76

3.7.7 [Ru（bpy）3]2＋ 77

3.8 半导体 79

参考文献 82

4激发态：物理和化学性质 86

4.1 作为一种新分子的激发态 86

4.2 寿命 86

4.3 能量 86

4.4 几何结构 88

4.4.1 小分子 88

4.4.2 乙烯 89

4.4.3 乙炔 89

4.4.4 苯 91

4.4.5 甲醛 91

4.4.6 平面正方形金属配合物 92

4.5 偶极矩 93

4.6 电子转移 94

4.7 质子转移 96

4.8 激基缔合物和激基复合物 99

参考文献 101

5从分子体系到超分子体系 103

5.1 超分子（多组分）体系和大分子 103

5.2 混合价态化合物中的电子相互作用 105

5.3 在给体-受体复合物中的电子相互作用 106

5.4 激发态的电子刺激和电子相互作用 108

5.5 超分子体系中激基缔合物和激基复合物的形成 110

参考文献 112

6分子和超分子体系中的猝灭和敏化过程 114

6.1 引言 114

6.2 双分子猝灭 115

6.2.1 斯顿-伏尔莫（Stern-Volmer）公式 115

6.2.2 动力学情况 117

6.2.3 静态与动态猝灭 118

6.2.4 敏化过程 119

6.2.5 自旋情况 119

6.3 超分子体系中的猝灭和敏化过程 120

6.4 电子转移动力学 123

6.4.1 马库斯（Marcus）理论 123

6.4.2 量子力学理论 126

6.5 能量转移 129

6.5.1 库仑机理 130

6.5.2 交换机理 132

6.6 桥的作用 134

6.7 催化失活 135

参考文献 136

7分子有机光化学 139

7.1 引言 139

7.2 烯烃和相关化合物 139

7.2.1 基本概念 139

7.2.2 双键的光异构化 140

7.2.3 电环化过程 142

7.2.4 σ移位重排 143

7.2.5 二-π-甲烷反应 143

7.2.6 光致环加成反应 143

7.2.7 光诱导亲核、质子和电子加成 144

7.3 芳香族化合物 144

7.3.1 简介 144

7.3.2 光取代 147

7.3.3 光致重排 148

7.3.4 光致转换 148

7.3.5 光致环加成 149

7.4 羰基化合物 150

7.4.1 简介 150

7.4.2 光化学基本过程 151

7.5 其他有机化合物的光化学 152

7.5.1 含氮化合物 152

7.5.2 饱和的氧和硫的化合物 153

7.5.3 卤化物 154

参考文献 156

8金属配合物的光化学和光物理 158

8.1 金属配合物 158

8.2 光物理性能 158

8.3 光化学反应性 159

8.4 电化学与光化学的关系 160

8.4.1 钴（Ⅲ）配合物 160

8.4.2 铜（Ⅰ）配合物 161

8.4.3 钌（Ⅱ）多吡啶配合物 162

8.4.4 激发态氧化还原电势 164

8.5 发光的金属配合物 166

8.5.1 多吡啶金属配合物 166

8.5.2 环金属配合物 168

8.5.3 卟啉配合物 177

8.5.4 铬（Ⅲ）配合物 180

8.5.5 镧系配合物 182

8.6 光化学过程 185

8.6.1 光化学反应类型 185

参考文献 188

9双分子氧化还原过程中光能与化学能的相互转化 193

9.1 作为反应物的光 193

9.2 作为产物的光 194

9.3 光能向化学能的转化 194

9.4 化学发光 196

9.5 电化学发光 196

9.6 光吸收的敏化剂 198

9.7 光发射的敏化剂 200

参考文献 202

10光驱动的分子器件和机器 204

10.1 分子、自组织和共价合成设计 204

10.2 光输入和输出：读、写和擦除 205

10.3 信息处理的分子器件 205

10.3.1 光致变色系统用于分子记忆 205

10.3.2 分子逻辑门 207

10.4 基于能量转换的分子器件 213

10.4.1 导线 213

10.4.2 开关 214

10.4.3 插头/插座系统 214

10.4.4 捕光天线 215

10.5 基于电子转移的分子器件 216

10.5.1 导线 216

10.5.2 开关 219

10.5.3 延长电缆 221

10.6 光驱动型分子机器 223

10.6.1 概述 223

10.6.2 光的作用 223

10.6.3 基于光致顺反异构的旋转马达 223

10.6.4 线型运动：分子梭及相关体系 225

10.6.5 光控阀门、盒子及相关系统 227

参考文献 229

11自然光合成和人工光合成 234

11.1 太空船地球的能源 234

11.2 自然的光合成 236

11.2.1 光能的捕获：吸收和能量转换 237

11.2.2 光诱导电子转移引发电荷分离 237

11.2.3 光合成效率 240

11.3 人工光合成 241

11.3.1 人工天线 243

11.3.2 人工反应中心 244

11.3.3 人工天线和反应中心的结合 249

11.3.4 单光子电荷分离与多电子水裂解的结合 250

11.4 通过半导体光催化剂裂解水 251

参考文献 252

12实验技术 256

12.1 仪器设备 256

12.1.1 光源 256

12.1.2 单色器、滤光片和溶剂 262

12.1.3 比色皿和辐射设备 264

12.1.4 检测器 266

12.2 稳态吸收和发射光谱学 268

12.2.1 吸收光谱学 268

12.2.2 发射光谱 270

12.3 时间分辨的吸收和发射光谱 276

12.3.1 瞬态吸收光谱 276

12.3.2 发射寿命检测方法 279

12.4 基于偏振光的吸收和发射波谱检测 285

12.4.1 线性二向色性 285

12.4.2 荧光各向异性技术 286

12.5 反应量子产率测量法和显影测量法 287

12.5.1 反应量子产率 287

12.5.2 辐射光值测定 289

12.6 其他技术 292

12.6.1 光热方法 292

12.6.2 单分子光谱法 294

12.6.3 荧光相关光谱法 295

12.6.4 X射线技术 296

参考文献 297

13生物学相关过程的光调控 301

13.1 引言 301

13.2 视觉 301

13.2.1 基本原理 301

13.2.2 主要光化学反应 302

13.3 光、皮肤和防晒霜 303

13.4 生命系统中的光化学伤害 303

13.4.1 对DNA的光化学伤害 303

13.4.2 对蛋白质的光化学伤害 304

13.5 利用光的治疗方法 304

13.5.1 光线疗法 304

13.5.2 牛皮癣的光化学疗法 305

13.5.3 光动力疗法 306

13.5.4 光控释放 307

13.6 应用于环境保护的光催化 308

13.6.1 基本原理 308

13.6.2 太阳能消毒（SODIS） 309

13.6.3 光辅助的芬顿（Fenton）反应 309

13.6.4 多相光催化 309

13.7 DNA的光致裂解和电荷传递 310

13.7.1 核酸的光致裂解剂 310

13.7.2 DNA中光诱导的电子转移过程 311

13.8 荧光 311

13.9 生物发光 311

参考文献 312

14光化学与光物理的技术应用 316

14.1 引言 316

14.2 光致变色 316

14.3 荧光传感器 318

14.3.1 基本原理 318

14.3.2 信号放大 319

14.3.3 风洞研究 320

14.3.4 温度计 320

14.3.5 测试血样分析物 322

14.3.6 探测化学战剂 324

14.3.7 检测爆炸物 326

14.4 荧光增白剂 327

14.5 大气光化学 327

14.5.1 涉及氧气的自然过程 327

14.5.2 臭氧层空洞 328

14.6 太阳能电池 329

14.6.1 无机光伏（PV）电池 329

14.6.2 有机太阳能电池（OSC） 330

14.6.3 染料敏化太阳能电池（DSSC） 331

14.7 电致发光材料 332

14.7.1 发光二极管（LED） 332

14.7.2 有机发光二极管（OLED） 333

14.7.3 发光电化学电池（LEC） 334

14.8 聚合物与光 336

14.8.1 光聚合 336

14.8.2 光降解 336

14.8.3 商业聚合物的稳定性 336

14.8.4 光化学固化 337

14.8.5 其他光诱导过程 338

14.8.6 光刻 338

14.8.7 立体光刻技术 339

14.8.8 全息术 339

14.9 光化学合成 341

14.9.1 聚合物的光氯化 341

14.9.2 己内酰胺的合成 341

14.9.3 维生素的合成 341

14.9.4 香料 342

参考文献 342

15绿色（光）化学 347

15.1 定义、起源和目的 347

15.2 绿色化学合成中的光化学 348

15.3 光催化 349

15.3.1 多相光催化 350

15.3.2 均相光催化 350

15.4 合成中的光催化 350

15.4.1 烷烃 350

15.4.2 烯烃 351

15.4.3 炔烃 352

15.4.4 硫化物 352

15.5 光催化污染治理 353

15.6 绿色合成中太阳能的利用 353

参考文献 355

16研究前沿 359

16.1 引言 359

16.2 聚集诱导发光 359

16.3 通过晶体设计的纯有机磷光材料 360

16.4 二维聚合物的合成 362

16.5 光控的非对称分子线相对单向穿过分子环 363

16.6 由可见光通过能量转移驱动的分子马达 364

16.7 多功能化合物中的协同和干扰 366

16.8 单重态裂变 367

16.9 单色光致变色系统 370

16.10 具有可调控相转换的电子转移的光调控 371

16.11 染料敏化光电合成电池（DSPEC） 374

参考文献 376

索引 380