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光化学 - 姜月顺、李铁津 等编
出版日期:2005年1月
前言
光化学是研究光与物质相互作用时所发生的物理和化学过程的科学。近代光化学已经发展成为与典型的物理、化学和生物化学等基础研究以及激光技术、光电信息存储技术和太阳能的光电转换技术等高技术相关连的多学科交叉、有重大理论和应用前景的研究领域。近年来光化学研究的新动向表明，十分注意基础研究成果向高新技术应用的转化。
在20世纪，随着近代物理和化学取得的辉煌成就，有关光化学的理论和实验取得了重要进展。例如，对光的本质的认识。研究表明，光像原子或电子等其他基本粒子一样显示粒子和波动两重性质。在光化学事件中的光，要视为光量子（光子）。又如，对原子内部的电子态、对分子以至生物分子内部化学键和分子间相互作用物理化学本质的认识。这样，人们不仅有可能确定基态，而且也能确定激发态的三维的动态分子结构。对光化学反应过程中基态和激发态分子势能变化的解析，人们可以看出被光诱导的电子的转移通道。
从实验技术角度看，除了自然界的光生物现象（如光合作用）是以太阳作为光子源以外，在光化学研究实验中主要用的是各种人造光源。由于光子与某物质（如原子、分子）相接触并被分子吸收，和处于激发态分子的原初过程都是非常快速的，所以，只有当脉冲光源问世后，研究取得了重大进展；例如，像脉冲闪光灯以及皮秒（ps）和飞秒（fs）脉冲激光器的发明，使人们才有条件揭示分子内和分子间的能量转移和电子转移以及复杂的光诱导分子动态学的快速过程。
值得提出的是，某种光合细菌的光反应中心的高精度的三维分子结构已经测定，另外，与光反应中心协同作用的吸光天线系统的三维分子结构也被揭示。研究表明，它们全是超分子组装的有序的纳米结构系统。从光物理与光化学的分子动态学观点看，它们显然有极其深刻的内涵。该领域的研究进展，将会对其他光生物课题以及相关光电子学高技术领域研究有重要启示。
本书包含理论基础、实验技术和专题介绍等内容。涉及光化学、光物理和光生物领域有关的基础知识以及近代蓬勃发展的某些热门研究领域。
本书的编写分工如下：第1章、第2章、第3章、第4章、第7章、第13章姜月顺；第5章、第6章、第9章李铁津；第8章杨文胜、江林；第10章杨文胜、陆子阳；第11章庄家骐、菅文平；第12章白玉白、刘兆阅。由于作者水平有限，书中疏漏在所难免，请读者批评指正。
编者
2004年7月光化学目录
第1章 分子轨道与吸收光谱1
11 有机化合物的分子轨道1
111 轨道相互作用原理1
112 吸电子取代基对于共轭体系前线轨道的影响3
113 推电子取代基对于共轭体系前线轨道的影响5
114 共轭取代基对于共轭体系前线轨道的影响6
115 具有推拉电子取代基的D-π-A型分子7
12 配位化合物的前线轨道7
121 第一种配位体的正八面体配合物8
122 第二种配位体的正八面体配合物10
123 第三种配位体的正八面体配合物13
124 金属卟啉14
13 吸收光谱的原理17
131 辐射的吸收和Lambert-Beer定律17
132 辐射跃迁的选择定则和吸收强度19
133 Franck-Condon原理和谱带形状21
134 溶剂对于吸收光谱的影响21
135 聚集作用对于吸收光谱的影响21
14 有机化合物的吸收光谱21
141 共轭多烯22
142 链状D-π-A型分子23
143 偶氮苯衍生物24
144 苯及取代苯25
15 配位化合物的吸收光谱25
151 过渡金属配合物的d→d吸收带26
152 过渡金属配合物的电荷转移吸收带27
153 金属卟啉的吸收光谱30
参考文献31
第2章 分子激发态的命运--光物理和光化学过程33
21 激发态的光物理和光化学行为33
211 激发态的能量耗散机制33
212 辐射与无辐射跃迁的速率34
213 无辐射跃迁的选择定则36
214 光化学反应37
22 发射光谱37
221 辐射的发射与荧光光谱的测试37
222 Franck-Condon原理和电子光谱的形状38
223 二萘嵌苯、二苯甲酮和蒽的发射光谱39
224 Ru (bpy) 2+3衍生物的发射光谱40
23 激发态的猝灭和激基缔合物的光物理41
231 激发态的猝灭41
232 吡的激基缔合物的势能图42
233 吡的吸收光谱和稳态发射光谱43
234 吡的时间分辨荧光光谱44
24 激发态的能量转移45
241 激发态的能量转移机制45
242 Ru (bpy) 2+*3→Cr (CN) 3-6→O2的能量转移47
243 3C*60 (T1）与分子氧的能量转移48
25 激发态的电子转移48
251 首次电子转移的热力学48
252 首次电子转移的动力学51
253 光诱导电荷分离和电子传递53
参考文献55
第3章 有机光化学反应56
31 顺-反异构化反应56
311 光化学的无辐射跃迁势能示意图56
312 烯烃的顺-反异构化反应58
313 共轭多烯的顺-反异构化反应60
314 偶氮苯的顺-反异构化62
32 苯的价键异构化反应63
33 光环化与光开环66
331 二芳基乙烯的光环化反应66
332 俘精酸酐的光环化66
34 光致变色67
341 光致变色的特点67
342 螺吡喃和螺嗪的光致变色67
343 俘精酸酐的光致变色71
344 二芳基乙烯的光致变色71
345 希夫碱的光致变色72
35 羰基化合物的光化学反应73
351 光反应原初过程中轨道相互作用73
352 氢提取反应74
353 与胺的电子提取反应75
354 与富电子烯的环加成反应75
355 与缺电子烯的环加成反应75
36 ［2+2］环加成76
37 电子转移反应78
371 3C*60与NADH型分子的光氧化-还原反应78
372 3C*60与AcrH2的光氧化-还原反应79
373 3C*60与胺的反应80
374 聚噻吩衍生物PCBET的光降解81
375 C60与聚噻吩的二重光诱导电子转移82
参考文献83
第4章 无机和半导体材料的光化学与光电化学85
41 配位化合物的光化学85
411 d→d*激发态的光化学行为85
412 MLCT激发态的光化学行为87
413 LMCT激发态的光化学行为88
414 金属卟啉衍生物的光化学行为89
42 半导体材料的光物理90
421 半导体材料的能级结构90
422 半导体材料的光吸收91
423 半导体材料的吸收光谱和量子尺寸效应92
424 半导体材料的发射光谱94
43 半导体材料的光化学97
431 半导体材料的光诱导电荷分离97
432 半导体材料的光诱导氧化还原作用99
433 紫精衍生物的光催化还原101
434 OH-、SCN-和X-的光催化氧化103
44 TiO2微粒的光催化103
441 PB/TiO2/CH3OH体系的光诱导氧化还原104
442 光催化分解水104
443 CO2的光催化还原105
444 光催化氧化分解有机污染物105
445 茜素/TiO2纳米晶薄膜106
446 CdS/TiO2复合半导体107
45 半导体材料的光电化学107
451 TiO2纳米晶电极108
452 联吡啶钌衍生物/TiO2纳米晶电极110
453 CdSe纳米棒和P3HT混合物光电池112
参考文献114
第5章 激光化学与分子动态学115
51 化学反应的激光控制115
511 模式选择的化学116
512 立体动态学的控制117
513 量子控制119
52 来自分子光离解的自旋极化氢原子122
53 强激光光场与物质的相互作用124
54 气相离子亲核位移反应动态学127
541 动力学128
542 微溶剂化130
55 氢键网络的分子动态学131
56 从单量子态的碳隧穿135
57 化学反应动态学的量子理论139
571 量子反应动态学140
572 简单反应140
573 多原子反应141
574 时间分辨动态学143
参考文献144
第6章 飞秒化学145
61 超短脉冲激光的发展145
62 飞秒激光系统145
63 飞秒激光与分子束的联合装置146
64 飞秒化学的研究范畴148
65 飞秒化学研究的范例151
651 化学键断裂的动态学151
652 NaI研究中的发现153
653 马鞍形点的过渡态153
654 测不准原理的论点157
655 双分子反应，成键和断键157
656 有机化学的反应158
657 电子和质子转移159
658 无机和大气化学160
659 介观相：团簇和纳米结构162
6510 凝聚相：浓流体、液体和高分子163
66 新研究领域的探索165
661 从超快速电子衍射 (UED）探察瞬态结构165
662 反应控制166
663 生物动态学169
67 飞秒化学引入的一些新理念171
671 时间分辨--达到过渡态的极限171
672 原子尺度的分辨172
673 方法的普遍性172
674 关于物理和化学的几个概念172
参考文献175
第7章 有机分子体系的光电子转移催化176
71 光电子转移催化反应的类型176
72 光电子转移催化反应的例子178
721 光电子转移催化取代反应178
722 光电子转移催化异构化反应179
723 环加成和开环180
参考文献182
第8章 超分子组装体系的光物理和光化学过程183
81 非共价相互作用诱导的超分子组装体系183
82 超分子组装体系的光物理和光化学过程185
821 超分子的光化学185
822 无机超分子组装体的光化学和光物理过程187
823 有机超分子组装体的光化学和光物理过程190
83 有机纳米晶的光化学和光物理过程196
参考文献203
第9章 光和表面与界面化学205
91 真实表面205
911 表面态的寿命206
92 吸附表面207
921 吸附过渡态209
922 在金属表面的水分子212
923 在疏水表面上的水分子216
93 光活性表面218
931 电子转移218
932 光诱导生成双亲性表面220
933 在光活性表面上光驱动液体的运动222
94 表面化学反应225
941 化学诱导激发225
942 振动激发227
参考文献229
第10章 摄影感光材料化学231
101 银盐感光材料231
1011 卤化银231
1012 成像原理235
1013 彩色显影237
102 影响感光度的主要因素240
1021 光吸收240
1022 潜影形成效率244
1023 最小潜影中心的尺寸248
103 非银盐影像材料249
1031 感光树脂249
1032 重氮盐成像材料251
1033 自由基照相252
104 电子照相技术255
1041 电子相机256
1042 电子打印技术258
参考文献262
第11章 光信息存储材料和技术265
111 光存储介质--有机光致变色材料266
1111 光致变色染料体系267
1112 非染料体系的光致变色有机分子衍生物269
1113 光致变色液晶共聚物272
112 无机光质变色材料273
1121 WO3和MoO3的光致变色性能274
1122 WO3和MoO3的无机复合体系276
1123 WO3和MoO3的有机复合体系277
113 生物光致变色材料--视紫红质278
1131 细菌视紫红质(BR)的结构和生物功能278
1132 视紫红质的应用280
1133 BR的光致变色分子材料280
1134 BR在信息存储方面的应用282
114 新型光信息存储技术284
1141 突破衍射局限--SIL和SNOM285
1142 纳米孔286
1143 多级存储287
1144 全息存储288
1145 杂化记录289
1146 非热效应型光学存储机制289
1147 小结291
参考文献292
第12章 纳米晶光电化学太阳能转换295
121 电化学太阳能电池的发展295
122 太阳光谱296
123 光电化学太阳能电池的评价参数297
124 半导体的电子性质298
1241 带边位置298
1242 空间电荷层和带弯299
1243 平带电位301
1244 半导体的光致电荷分离302
125 染料敏化纳米晶光电化学太阳能电池的结构和工作原理303
1251 p-n结固态太阳能电池的结构和工作原理303
1252 染料敏化纳米晶光电化学太阳能电池 (DSC）的结构304
1253 染料敏化纳米晶光电化学太阳能电池的能带结构和工作
原理304
126 纳米晶半导体电极305
1261 纳米晶半导体电极的特点305
1262 纳米晶半导体电极的制备306
1263 纳米晶半导体电极的光致电荷分离307
1264 核壳、混合半导体电极对光生电荷复合的抑制308
127 敏化剂311
1271 敏化剂的特点311
1272 敏化剂在半导体电极表面的吸附311
1273 多吡啶钌络合物敏化剂312
1274 有机染料敏化剂313
1275 窄带隙半导体敏化剂315
128 电解质315
1281 液体电解质315
1282 空穴传输材料316
1283 p-型半导体材料316
1284 高分子凝胶电解质317
1285 室温离子液体电解质318
129 结论319
参考文献320
第13章 光合作用324
131 紫色光合细菌的光反应中心324
1311 光反应中心的立体结构325
1312 RC的光诱导电荷分离和电子传递327
1313 类胡萝卜素的光保护作用329
132 紫色光合细菌的光系统329
1321 LH-II的结构330
1322 紫色光合细菌的光系统331
1323 光系统中能量转移332
133 光系统II和光系统I332
1331 PSII的RC332
1332 LHC-II的结构与能量转移333
1333 PSI的RC和核心聚光天线复合物334
134 植物光合作用中电子转移和质子转移336
1341 类囊膜上光电子和质子转移336
1342 PSI、PSII和紫色光合细菌的氧化还原性质337
1343 植物光反应中电子传递337
1344 植物光反应中质子传递和光合磷酸化339
参考文献340 本书可供光化学教学、科研和管理人员参考使用。光化学内容介绍:
本书介绍光化学、光物理和光生物领域的有关基础知识。具体内容包括：分子轨道和吸收光谱；分子激发态的命运--光物理和光化学过程；有机光化学反应；无机和半导体材料的光化学与光电化学；激光化学与分子动态学；飞秒化学；有机分子体系的光电子转移催化；超分子组装体系的光物理和光化学过程；光和表面与界面化学；摄影感光材料化学；光信息存储材料和技术；纳米晶光电化学太阳能转化；光合作用。
本书可供光化学教学、科研和管理人员参考使用。
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