Введение

Формальное ограничение на возможные переходы системы из одного квантового состояния в другое. В физике и химии правило отбора, или правило перехода, формально ограничивает возможные переходы системы из одного квантового состояния в другое. Правила отбора были выведены для электромагнитных переходов в молекулах, атомах, атомных ядрах и так далее. Правила отбора могут различаться в зависимости от используемого метода наблюдения за переходом. Правило отбора также играет роль в химических реакциях, где некоторые из них формально являются спин-запрещенными, то есть реакциями, в которых спиновое состояние меняется как минимум один раз от реагентов к продуктам. В дальнейшем основное внимание уделяется атомным и молекулярным переходам.

Электронные спектры

Правило Лапорта — это правило отбора, формально сформулированное следующим образом: в центросимметричной среде переходы между одинаковыми атомными орбиталями, такими как s–s, p–p, d–d или f–f, запрещены. Правило Лапорта (закон) применимо к переходам электрического диполя, поэтому оператор имеет симметрию u (то есть нечетную). p-орбитали также обладают симметрией u, следовательно, симметрия функции переходного момента определяется тройным произведением u × u × u, которое также имеет симметрию u. Таким образом, эти переходы запрещены. Аналогично, d-орбитали имеют симметрию g (то есть четную), поэтому тройное произведение g × u × g также имеет симметрию u, и переход запрещен. Волновая функция одного электрона является произведением пространственной волновой функции и спиновой волновой функции. Спин имеет направление и может считаться обладающим нечетной четностью. Следовательно, переходы, при которых изменяется "направление" спина, запрещены. Формально, "спин-разрешенными" являются только состояния с одинаковым полным спиновым квантовым числом. В теории кристаллического поля d–d переходы, запрещенные по спину, значительно слабее спин-разрешенных переходов. Оба типа переходов могут наблюдаться, несмотря на правило Лапорта, поскольку реальные переходы связаны с колебаниями, которые являются антисимметричными и обладают той же симметрией, что и оператор дипольного момента.

Вибрационные спектры

В вибрационной спектроскопии наблюдаются переходы между различными вибрационными состояниями. В фундаментальной вибрации молекула возбуждается из своего основного состояния (v = 0) в первое возбужденное состояние (v = 1). Симметрия волновой функции основного состояния совпадает с симметрией молекулы. Следовательно, она является основой для полностью симметричного представления в точечной группе молекулы. Отсюда следует, что для того, чтобы вибрационный переход был разрешен, симметрия волновой функции возбужденного состояния должна совпадать с симметрией оператора дипольного момента. В инфракрасной спектроскопии оператор дипольного момента преобразуется как x и/или y и/или z. Волновая функция возбужденного состояния также должна преобразовываться как минимум одним из этих векторов. В Рамановской спектроскопии оператор преобразуется как один из членов второго порядка в крайнем правом столбце таблицы характеров, представленной ниже. Анализ таблицы характеров показывает, что все четыре вибрации являются Рамановски активными, но только вибрации T2 наблюдаются в инфракрасном спектре. В гармоническом приближении можно показать, что обертоны запрещены как в инфракрасном, так и в Рамановском спектрах. Однако, при учете агармоничности, переходы становятся слабо разрешенными. В Рамановской и инфракрасной спектроскопии правила отбора предсказывают, что определенные колебательные моды будут иметь нулевую интенсивность в Рамановском и/или ИК-спектрах. Отклонения от идеальной структуры могут приводить к ослаблению правил отбора и появлению этих неожиданных фононных мод в спектрах. Таким образом, появление новых мод в спектрах может служить полезным индикатором нарушения симметрии.

Ротационные спектры

Правило отбора для вращательных переходов, вытекающее из симметрий вращательных волновых функций жесткого ротора, имеет вид ΔJ = ±1, где J — вращательное квантовое число.

Сцепленные переходы

Существует множество типов связанных переходов, таких как те, что наблюдаются в вибрационно-вращательных спектрах. Волновая функция возбужденного состояния является произведением двух волновых функций, например, колебательной и вращательной. Общий принцип заключается в том, что симметрия возбужденного состояния определяется как прямое произведение симметрий составляющих волновых функций. В ровибронических переходах возбужденные состояния включают три волновые функции. Инфракрасный спектр газообразного хлороводорода демонстрирует ротационную тонкую структуру, наложенную на колебательный спектр. Это типично для инфракрасных спектров гетероядерных диатомных молекул. На нем наблюдаются так называемые P- и R-ветви. Q-ветвь, расположенная на частоте колебаний, отсутствует. Симметричные верхние молекулы проявляют Q-ветвь. Это вытекает из применения правил отбора. Резонансная рамановская спектроскопия включает в себя вид вибронического взаимодействия. Это приводит к значительному увеличению интенсивности основных и обертоновых переходов, поскольку колебания "забирают" интенсивность у разрешенного электронного перехода. Несмотря на кажущуюся разницу, правила отбора остаются такими же, как в обычной рамановской спектроскопии.

Поверхность

В поверхностной вибрационной спектроскопии правило отбора по поверхности используется для идентификации пиков, наблюдаемых в вибрационных спектрах. Когда молекула адсорбируется на подложке, она индуцирует в подложке противоположные по знаку обратные заряды. Дипольный момент молекулы и обратные заряды, перпендикулярные поверхности, взаимно усиливаются. Напротив, дипольные моменты молекулы и обратные заряды, параллельные поверхности, компенсируют друг друга. Следовательно, в вибрационном спектре будут наблюдаться только молекулярные колебания, порождающие динамический дипольный момент, направленный перпендикулярно поверхности.