Как объяснить гладкий спектр поглощения природы (растений и т. д.), в то время как атомы имеют дискретные линии поглощения?

Я собираюсь пойти с намеренно провокационным ответом. Атомы не имеют дискретных линий поглощения. Ничто не имеет дискретных линий поглощения. Любое состояние, которое может распадаться или возбуждаться, обязательно имеет конечное время жизни.$\Delta t$, и поэтому его энергия неопределенна на величину$\Delta E$которая может быть оценена из простого аргумента Фурье как

На самом деле широкие спектры типичных материалов, конечно, объясняются вопросами, затронутыми в ответе Вадима: у вас есть «классическое» уширение за счет смешивания спектров из разных источников, а также действительно «квантовое» уширение, которое возникает из-за связи между системами. с такими же спектрами. Обратите внимание, что последнее по сути является той же физикой, которую я описал выше, поскольку локализованные состояния составной системы имеют конечное время жизни из-за связи между подсистемами.

Две основные причины:

• Материалы, состоящие из атомов, не имеют таких же спектров, как сами атомы, из-за взаимодействия между составляющими их атомами. Например, кристаллы, даже состоящие из атомов одного типа, имеют целые спектральные полосы, определяющие диапазоны частот, в которых они могут или не могут поглощать. Для аморфных материалов границы спектра выражены еще менее четко. Молекулы имеют дискретные линии, но более сложные, чем просто сочетание линий составляющих их атомов: за счет взаимодействий, а также за счет сложения вращательных и колебательных степеней свободы.
• Планеты состоят из многих типов материалов и атомов, которые имеют очень разные спектры.

Типичный спектр одиночной молекулы будет выглядеть так, как показано в этой статье . Эти спектры поглощения состоят из множества линий, соответствующих многим вибронным переходам. Поскольку спектры обычно снимают в растворе, линии неоднородно уширяются за счет взаимодействия с молекулами растворителя. Они также могут быть однородно расширены эффектами времени жизни или связью с фононным континуумом.

Существует несколько причин ширины, наблюдаемой в спектре.

Во-первых, всегда есть ширина просто из-за точности измерения. Если измерение было проведено с плохим разрешением, вы получите широкий спектр, даже если основная молекула имеет палочкообразный спектр. В этом случае ширина является характеристикой не молекулы, а вашего измерительного прибора, и измерение имеет очень ограниченное информационное содержание. Если разрешение плохое, палочки сливаются, и вместо этого вы получаете один широкий пик. Вы можете определить, так ли это, если выполните измерение с более высоким разрешением. Пики станут более узкими, а ваш широкий пик разделится на несколько пиков меньшей ширины.

Кроме того, существует также естественный предел ширины пиков из-за ограниченного времени жизни возбужденных состояний. Ответ Марка Митчисона очень точно касается этого вопроса. Время жизни возбужденных состояний ограничивает ширину пика до минимума, и вы не можете уменьшить ширину пиков ниже этого предела, независимо от того, насколько хороша ваша установка. Эта ширина является свойством вашей молекулы и позволяет вам определять/определять время жизни возбужденного состояния.

Кроме того, у нас есть уширение из-за окружения молекулы и просто из-за того, что мы обычно измеряем всю группу молекул сразу, а не одну одиночку. Измерения отдельных молекул/атомов возможны, но требуют передовых экспериментальных методов. Эти измерения больше похожи на палочные спектры, известные для атомов, но типичные измерения органических молекул проводятся при комнатной температуре в растворе. В этом сценарии эффекты окружающей среды/растворителя оказывают большое влияние на форму спектра.

В показанном примере я бы предположил, что измерение было сделано при комнатной температуре в растворе. В этом случае каждая молекула имеет различное локальное окружение, которое влияет на энергию состояний, дающих вклад в спектр поглощения. Таким образом, широкий спектр, который мы видим, можно рассматривать как сумму многих (допустим, у нас есть концентрация один миллимоль ~ 10 ^ 20 молекул) слегка сдвинутых спектров. Это суммирование приведет к очень широкому спектру, даже если у вас есть хорошая точность для одного заданного спектра. Просто представьте себе сумму 10^20 гауссов с небольшой шириной, разбросанной вокруг центральной частоты, сумма будет равна одному широкому гауссиану, если разброс заметен.

Таким образом, присвоение пиков состояниям не является прямым, особенно в молекулах, где у вас есть электронные состояния, колебательные состояния, вращательные состояния, спиновые состояния ... Большинство состояний смешиваются под одним широким сигналом и могут быть четко разделены только на отдельные пики. если экспериментальная установка тщательно спроектирована для этого.