光化学

光化学（英语：photochemistry），是化学的一个分支，是一门研究物质因受光的影响而产生化学效应的学科。这里的光通常指紫外光或可见光。光化学与其他化学的本质区别在于光化学涉及激发态。最早进行光化学研究的学者是意大利化学家贾科莫·恰米奇安，从1886年开始，他与意大利化学家Paolo Silber共同完成了“苯醌向对苯二酚的转化”以及“硝基苯在醇溶液中的光化学作用”等研究，他也可被认为是太阳能电池板之父。在1912年的第8届国际应用化学大会上，他以“光化学的未来”为题发表了一篇演讲，展望了光化学在未来可能起到的重要作用。光化学的定义有不同的表述。C. H. Wells认为，光化学研究的是“吸收了紫外光或可见光的分子所经历的化学行为和物理过程”。N. J. Turro则认为“光化学研究的是电子激发态分子的化学行为和物理过程”。由于电子激发态通常由分子吸收紫外光或可见光形成，所以上述两种定义的实质是一样的。激发态，即电子激发态。当分子中的电子排布不完全遵从构造原理时，则称此分子处于激发态。物质的基态分子吸收了可见光或紫外光后，其电子会被激发，跃迁到更高的能级，形成处于激发态的分子。物质和光的能量都是量子化的，也就是说其能量只能取特定的值。因此，物质可以吸收具有特定能量的光子到达具有特定能量的激发态。相应地，激发态也可以通过各种方式失去多余的能量回到基态。当一个光子的能量大于或等于两个分子轨道间的能量差时，分子可以吸收这个光子，产生处于激发态的分子。这一过程需要遵从光化学第一定律。普通光引起的吸收过程还要遵循光化学第二定律，但激光引发的吸收过程有可能引发双光子效应，亦即光化学第二定律不再严格适用。物质吸收光的能力可以用摩尔消光系数表征。这一能力与化合物发生跃迁的概率有关。而跃迁发生的概率由跃迁选择规则决定，但由于分子运动、旋轨耦合和旋旋耦合等因素，跃迁选择规则并不完全适用。单重态，也称单线态，指的是自旋多重性为1的分子。单重态分子的能级在磁场中不裂分，在光谱中只能看到一条能级线。绝大多数分子的基态是单重态。三重态，也称三线态，指的是自旋多重性为3的分子。三重态分子的能级在磁场中裂分，在光谱中原来的一条能级线裂分为三条线。当分子中含有两个未配对的、自旋方向相同的电子时，该分子处于三重态。这些激发态的寿命较短，会在非常短的时间内失去多余的能量回到基态构型，这个过程可以通过不同途径完成。如果失活过程中分子回到了其原始的基态，那么就是一个物理失活过程。物理失活过程可以分为：如果失活过程中形成了新的分子，则是化学失活过程。雅布隆斯基图（英文：Jablonski Diagram）是分子激发和失活过程的图示表示。研究物质因受光的影响而产生催化效应的一个学科。如TiO2是最常用的光催化剂，它无毒、价廉、抗腐蚀并具有较高的催化活性。