电子跃迁

电子跃迁

组成矿物的原子一旦接收一定的电磁辐射能量，原子中的电子就可以在不同的能量级之间进行跃迁。在元素周期表中，所有的过渡元素都能产生电子跃迁现象，并形成一定的吸收带。由于晶体或分子结构对特定的离子能级的影响，在遥感应用中，主要研究晶体场效应、电荷转移、共轭键等对光谱特征的影响。

1.晶体场效应

在分子及许多固定原子中，邻近原子的价电子配对形成化学键，将原子束缚在一起，这一配对导致价电子的吸收带常常在紫外区和可见光区。对于铁、铬、铜、镍等过渡金属元素，其原子的内壳层只是部分填充，在这些未满的内壳层中保留有未配对的电子，它们的激发态多处在可见光区。这些激发态易受周围静电场的影响，而这一静电场则取决于周围的晶体结构。对于同样的离子，不同晶体场能级的组合不同，导致出现不同的光谱。“选择定则”给出特定的跃迁能否发生的信息。其中关系最大的是与能级中的电子自旋有关的选择定则。该选择定则指出：具有相同自旋的能级之间的跃迁是允许的，而自旋不同的能态间的跃迁是禁戒的。由该选择定则可以推断，允许跃迁在光谱中产生强谱带，而禁戒跃迁不产生谱带，如果产生，谱带也极弱。

晶体场效应不只限于过渡金属离子的电子。如果电子被结构性的缺陷（例如一个离子空位或杂质）所捕获，则产生类似于过渡元素的能级，这样的异常点称为色心或F中心。数目有限的赋色物质，特别是卤化物，在可见光区所显示的光谱特征不能用它们的化学特性或存在的杂质来解释，即是由色心这一电子现象引起的。

2.电荷转移

电荷转移，或元素之间的电子跃迁，指的是这样的过程，即吸收的能量使电子在相邻离子之间、或离子与配位基之间发生迁移。在可见光和近红外波段，分子轨道产生光谱特征的一个机制是离子间的电荷转移。这个机制的一个例子是那些既有二价铁离子又有三价铁离子的物质。在这两种铁离子间电荷的转移导致深蓝到黑色的颜色变化，例如磁铁矿（黑色的铁矿石）。电荷转移产生的光谱特征一般较强，比晶体场效应的光谱特征强几百或上千倍。

3.共轭键

分子轨道跃迁对生物颜料和许多有机物的光谱响应起主要的作用。这些物质中的碳（有时是氮）原子由单双键交替相连，称为共轭键。因为每个键代表一对共享的电子，将每个双键上的一对电子移到相邻的单键上，得到的是一个等价物，只是键的序列逆转了。这类结构的最佳表述应是：所有原子以单键相连，多余的电子对分布在整个分子轨道体系中，这样的分子轨道称为π轨道。

正轨道在共轭键体系中的延展性要降低电子对的激发能，导致可见光区的吸收。很多生物色素的光谱性质来源于π轨道的延展性，植物中的叶绿素和血液中的血红蛋白即是如此。