2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子科學與工程中的材料光學性質考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填在題后的括號內。每小題2分，共20分）1.當光照射到材料上時，下列哪一項不是材料吸收光能的主要途徑？A.電子從價帶躍遷到導帶B.分子振動能級從低態(tài)躍遷到高態(tài)C.分子轉動能級從低態(tài)躍遷到高態(tài)D.原子核自旋狀態(tài)改變2.物質呈現特定顏色的直觀原因通常與以下哪個因素密切相關？A.材料對可見光區(qū)域的反射率B.材料對可見光區(qū)域的透射率C.材料對可見光區(qū)域的吸收率，特別是吸收峰的位置D.材料內部載流子的濃度3.在分子結構中，共軛體系（如π-π共軛）的延長通常會導致以下哪種光學效應增強？A.光的反射B.光的散射C.光的選擇性吸收，并可能產生熒光D.光的透射4.下列哪種光學現象是由于分子振動能級與入射光頻率發(fā)生共振而引起的？A.熒光B.拉曼散射C.紫外-可見吸收D.磷光5.衡量發(fā)光材料發(fā)光效率的物理量是？A.發(fā)光強度B.光譜寬度C.量子產率D.發(fā)光顏色6.與普通熒光相比，磷光的最大特點在于？A.發(fā)光波長更長B.發(fā)光強度更強C.發(fā)光持續(xù)時間極短D.需要借助催化劑才能發(fā)生7.拉曼光譜與紅外光譜的主要區(qū)別在于它們分別探測的是？A.電子躍遷和振動/轉動能級躍遷B.振動/轉動能級躍遷和電子躍遷C.吸收和散射D.反射和透射8.在熒光光譜測量中，通常使用激發(fā)光源照射樣品，然后測量哪種光？A.激發(fā)光B.散射光C.反射光D.發(fā)射光9.對于具有推-拉共軛結構的有機半導體材料，通常認為其電子給體部分和受體部分分別主要貢獻？A.電子給體部分貢獻吸收邊，受體部分貢獻熒光發(fā)射B.電子給體部分貢獻熒光發(fā)射，受體部分貢獻吸收邊C.兩者均主要貢獻吸收邊D.兩者均主要貢獻熒光發(fā)射10.影響材料光致發(fā)光量子產率的主要內在因素不包括？A.材料的純度B.材料的結晶度C.材料的聚集狀態(tài)（晶態(tài)/非晶態(tài)）D.環(huán)境溫度二、填空題（請將答案填在題后的橫線上。每空2分，共20分）1.材料對可見光的選擇性吸收，使得物質呈現出__________顏色。2.分子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時，可以通過發(fā)射__________或__________釋放能量。3.紫外-可見吸收光譜主要反映了物質中電子能級躍遷的情況，通常與材料的__________結構有關。4.熒光發(fā)射通常遵循__________規(guī)律，即發(fā)射光譜總是位于激發(fā)光譜的__________側，且發(fā)射光譜形狀與激發(fā)光譜形狀相似。5.衡量光散射強度的物理量是__________，它與入射光頻率的四次方成正比。6.拉曼散射光譜中，頻率相對于入射光頻率向__________偏移的峰稱為拉曼散射峰（反斯托克斯峰），向__________偏移的峰稱為斯托克斯峰。7.量子產率（Φ）定義為發(fā)出的光子數與吸收的光子數之比，其數值范圍為__________。8.材料的表面態(tài)和缺陷通常會對材料的光學性質，特別是__________光譜產生顯著影響。9.非線性光學效應是指材料的光學響應強度與入射光強度__________的關系。10.在分子設計中，通過調控材料的__________和__________，可以精確調控其光學性質。三、名詞解釋（請給出下列名詞的簡要定義或解釋。每小題3分，共15分）1.光吸收2.共振散射3.量子產率(QuantumYield)4.斯托克斯位移(StokesShift)5.拉曼散射四、簡答題（請簡要回答下列問題。每小題5分，共20分）1.簡述分子振動能級躍遷對紅外吸收光譜產生的影響。2.與熒光相比，磷光具有哪些不同的產生機制和特性？3.解釋什么是拉曼散射，并簡述其與紅外吸收光譜的主要區(qū)別。4.簡述材料的光學性質（如顏色、熒光）與其分子結構（如共軛程度、發(fā)色團）之間的關系。五、論述題（請就下列問題進行較為詳細的論述。每小題10分，共20分）1.綜合說明影響有機材料光致發(fā)光量子產率的因素有哪些，并闡述其內在原因。2.闡述紫外-可見光譜和熒光光譜在分子結構與性能關系研究中的應用，并舉例說明。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.C5.C6.A7.A8.D9.A10.D二、填空題1.特定（或顏色）2.熒光；磷光3.共軛（或分子）4.斯托克斯；長5.散射截面6.高；低7.0到1之間（或0≤Φ≤1）8.熒光（或光致發(fā)光）9.成正比10.共軛體系；發(fā)色團（或取代基）三、名詞解釋1.光吸收：光與物質相互作用，導致物質內部分子（或原子）從低能量狀態(tài)躍遷到高能量狀態(tài)的現象。2.共振散射：當入射光頻率與物質中某個振動（或轉動）能級的頻率相匹配或非常接近時，光子被分子散射，并且散射光的頻率發(fā)生改變的現象，通常稱為共振散射。3.量子產率(QuantumYield)：衡量發(fā)光材料發(fā)光效率的物理量，定義為每吸收一個光子所發(fā)射出的光子數（或能量）。Φ=(發(fā)射光子數/吸收光子數)。4.斯托克斯位移(StokesShift)：熒光發(fā)射光譜的最大波長（或頻率）與激發(fā)光譜的最大波長（或頻率）之間的差值，通常發(fā)射波長長于激發(fā)波長，故為正位移。5.拉曼散射：光與物質相互作用時，一部分散射光的頻率與入射光頻率不同，這種頻率發(fā)生改變（紅移或藍移）的散射現象稱為拉曼散射。四、簡答題1.解析思路：分子振動能級躍遷只能在特定的振動頻率（波數）處發(fā)生。當入射光的頻率（或波數）與分子某個允許的振動能級躍遷的頻率相匹配時，光子會被吸收，導致分子從振動基態(tài)躍遷到振動激發(fā)態(tài)。因此，紅外吸收光譜中會出現一系列離散的吸收峰，每個峰對應一個特定的振動模式（由分子的結構和對稱性決定）及其對應的振動頻率（波數）。吸收峰的位置直接反映了分子振動能級的存在和間隔。2.解析思路：磷光與熒光的主要區(qū)別在于產生機制和特性。熒光是激發(fā)態(tài)分子通過系間竄越（通常涉及自旋選規(guī)則禁阻的躍遷）到達第一激發(fā)單重態(tài)，然后通過發(fā)射光子返回基態(tài)的過程。這個過程通常非?？欤{秒量級），且受重原子效應影響較大。磷光是激發(fā)態(tài)分子通過系間竄越到達第一激發(fā)三重態(tài)，然后通過發(fā)射光子返回基態(tài)的過程。由于三重態(tài)與單重態(tài)之間存在能量交換，使得系間竄越的概率大于發(fā)射的概率，導致磷光發(fā)射的概率低于熒光。因此，磷光通常具有更長的壽命（毫秒甚至秒量級）、更長的波長（紅移）、更依賴于重原子，且需要通過禁阻躍遷才能發(fā)生（可能需要催化劑如氧或摻雜劑）。3.解析思路：拉曼散射是光與物質相互作用時，光子被分子散射，其頻率發(fā)生改變的現象。入射光中的一部分光子被分子散射后，頻率高于入射光頻率（紅移，反斯托克斯峰），另一部分光子頻率低于入射光頻率（藍移，斯托克斯峰）。其中，頻率發(fā)生紅移的斯托克斯峰最為顯著。拉曼散射探測的是分子的振動和轉動能級躍遷，而不是像紅外吸收那樣選擇性地吸收特定頻率的光。紅外光譜和拉曼光譜都探測分子的振動模式，但一個是選擇性地吸收（紅外）與振動頻率共振的光，另一個是散射頻率發(fā)生改變的光（拉曼）。對于紅外活性振動，通常伴隨著弱的拉曼散射（斯托克斯峰），對于紅外非活性但拉曼活性的振動，則只出現拉曼散射峰。4.解析思路：材料的光學性質與其分子結構密切相關。分子結構中的共軛體系（如π-π共軛）的長度和擴展程度直接影響電子躍遷的能量，從而決定了材料的主要吸收邊位置和吸收強度。共軛體系越長，吸收邊越向長波方向移動（能量越低）。分子中的發(fā)色團（生色團）是吸收光能的主要單元，其種類和數量影響吸收光譜的形狀和強度。材料的聚集態(tài)結構（晶態(tài)、非晶態(tài)）會影響分子間相互作用，進而影響振動和轉動能級的能量以及電子躍遷的微擾，從而影響吸收光譜精細結構和熒光發(fā)射的位置、強度和壽命。取代基的種類和位置也會通過超共軛效應、空間位阻、雜原子效應等影響電子云分布和能級結構，進而調控光學性質。例如，引入給電子基團通常使吸收邊紅移，引入吸電子基團則使吸收邊藍移。五、論述題1.解析思路：影響有機材料光致發(fā)光量子產率（Φ）的因素主要包括：*系間竄越概率（k<0xE2><0x82><0x97>）：這是影響Φ的最主要因素之一。系間竄越是激發(fā)態(tài)分子從單重態(tài)無輻射地到達三重態(tài)的過程，該過程遵循自旋選規(guī)則，通常比熒光發(fā)射快得多。分子中重原子、π-π共軛體系、偶極矩變化小的躍遷會增加系間竄越概率，從而降低Φ。*能量損失：激發(fā)態(tài)分子可以通過振動弛豫、內部轉換等方式將能量傳遞給晶格，損失能量而不發(fā)光。*非輻射復合：激發(fā)態(tài)分子可以通過與溶劑分子或基態(tài)分子碰撞等方式發(fā)生非輻射復合。*分子結構穩(wěn)定性：分子結構的扭曲或異構化可能導致激發(fā)態(tài)能量降低，不利于發(fā)光。*聚集狀態(tài)：分子間的相互作用（如偶極-偶極作用）會影響激發(fā)態(tài)能量和發(fā)光速率。通常，有序的晶態(tài)結構有利于發(fā)光，而非晶態(tài)或無序結構則可能導致能量損失增加和Φ降低。*雜質和缺陷：雜質和缺陷可以作為非輻射復合中心，捕獲激發(fā)態(tài)能量，導致Φ降低。*激發(fā)態(tài)壽命：激發(fā)態(tài)壽命與Φ有關（Φ≈k_f/(k_f+k<0xE2><0x82><0x97>+k_int+...))。壽命過長可能導致更多的能量損失，壽命過短則來不及發(fā)光。通過調控結構（如引入重原子抑制k<0xE2><0x82><0x97>，或設計穩(wěn)定結構延長壽命）可以提高Φ。*溶劑效應：溶劑的極性、粘度等會影響分子間相互作用、激發(fā)態(tài)能量和發(fā)光速率。提高量子產率通常需要從以上幾個方面入手，例如，設計具有合適能級結構、低系間竄越概率、高結構穩(wěn)定性的分子，并優(yōu)化其聚集態(tài)和制備條件。2.解析思路：紫外-可見（UV-Vis）光譜和熒光光譜在分子結構與性能關系研究中應用廣泛：*UV-Vis光譜應用：*鑒定官能團和共軛結構：UV-Vis光譜中吸收峰的位置（最大吸收波長λ_max）和強度與分子中電子躍遷的類型（π→π*,n→π*,σ→σ*）密切相關?？梢酝ㄟ^特征吸收峰鑒定分子中的特定官能團（如羰基、偶氮基）或共軛體系（如苯環(huán)、共軛雙鍵鏈）的存在和extent。吸收峰強度可以提供發(fā)色團濃度或電子躍遷概率的信息。*研究分子結構：共軛體系的長度、取代基效應、氫鍵等都會影響電子躍遷能量，從而改變UV-Vis吸收光譜的位置和形狀。通過分析UV-Vis光譜的變化，可以推斷分子結構的變化、構象異構、聚集行為等。*定量分析：在最大吸收波長處，樣品的吸光度（A）與濃度（c）符合比爾-朗伯定律（A=εbc），可以利用UV-Vis光譜進行待測物質的定量測定。*評價材料純度：雜質通常具有不同的UV-Vis吸收光譜，可以通過觀察是否有額外的吸收峰、肩峰或吸收峰形狀的變化來評價材料的純度。*熒光光譜應用：*研究電子結構和激發(fā)態(tài)性質：熒光發(fā)射光譜的最大發(fā)射波長（λ_em）與激發(fā)態(tài)分子的電子結構、振動弛豫程度有關。λ_em通常位于激發(fā)光譜（λ_ex）的長波側（斯托克斯位移），位移的大小可以反映激發(fā)態(tài)振動弛豫的程度。熒光峰的位置和形狀可以提供關于激發(fā)態(tài)分子內電子云分布、分子間相互作用等信息。*鑒定分子：熒光光譜具有較好的選擇性，不同分子通常具有特征性的熒光光譜（峰位、強度、壽命、光譜形狀），因此可以用于分子的鑒定和識別。*研究分子間相互作用：當兩種或多種分子靠近時，它們之間的相互作用（如偶極-偶極作用、能量轉移）會影響熒光強度、光譜位置和壽命。通過測量熒光的變化，可以研究分子間的相互作用、自聚集行為、成核過程等。