自旋多重度
目录
简介
在光谱学和量子化学中，能级的多重性定义为 2S+1，其中 S 是总自旋角动量。 重数为1、2、3、4、5的状态分别称为单重态、双重态、三重态、四重态和五重态。
在原子或分子的基态中，未成对的电子通常都具有平行自旋。 在这种情况下，多重性也等于未成对电子的数量加一。
原子
多重性通常等于总自旋相对于总轨道角动量 L 的可能方向的数量，因此等于仅在自旋-轨道相互作用能方面不同的近退化能级的数量。
例如，碳原子的基态是3P。 上标三（读作三重态）表示重数 2S+1 = 3，因此总自旋 S = 1。这个自旋是由于两个不成对的电子，作为有利于单一填充的洪德规则的结果 的退化轨道。 三重态由三个状态组成，自旋分量沿总轨道角动量的方向为 +1、0 和 –1，总轨道角动量也是 1，如字母 P 所示。总角动量量子数 J 可以从 L+S 变化 = 2 到 L–S = 0 的整数步长，因此 J = 2、1 或 0。
然而，仅当 S ≤ L 时，多重性才等于自旋方向的数量。 L 只有 2L+1 个可能的总角动量方向，范围从 S+L 到 S-L。 氮原子的基态是4S态，其中2S + 1 = 4处于四重态，S = 3/2由于三个不成对电子。 对于 S 状态，L = 0，因此 J 只能是 3/2，即使重数为 4，也只有一层。
分子
大多数稳定的有机分子具有完整的电子壳层，没有不成对的电子，因此具有单线态基态。 对于仅包含主族元素的无机分子也是如此。 重要的例外是分子氧 (O2) 以及亚甲基 (CH2) 和其他卡宾。
然而，较高的自旋基态在过渡金属的配位络合物中非常常见。 晶体场论提供了对此类配合物自旋态的简单解释。
分子氧
双氧的最高占据轨道能级是一对反键合 π* 轨道。 在分子氧的基态下，这个能级被同自旋的两个电子占据，如分子轨道图所示。 因此，该分子有两个不成对的电子，处于三重态。
相反，双氧的xxx和第二激发态都是单线态氧。 每个电子在 π* 能级中都有两个自旋相反的电子，因此 S = 0，因此多重性为 2S + 1 = 1。
在xxx激发态下，两个π*电子在同一轨道上配对，因此没有未配对的电子。 然而，在第二激发态下，两个 π* 电子占据具有相反自旋的不同轨道。 因此，每个都是一个不成对的电子，但总自旋为零，尽管有两个不成对的电子，但多重性为 2S + 1 = 1。 因此，第二激发态的多重性不等于其未成对电子的数量加一，通常适用于基态的规则不适用于该激发态。
卡宾
在有机化学中，卡宾是具有碳原子的分子，其价壳中只有六个电子，因此不遵守八位位组规则。 卡宾通常分为单线态卡宾和三线态卡宾，以其自旋多重性命名。 两者都有两个非键合电子； 在单线态卡宾中，它们以孤对形式存在并且自旋相反，因此没有净自旋，而在三线态卡宾中，这些电子具有平行自旋。