Почему световые волны не захватываются и не поглощаются электронами атомов кислорода в воздухе?

Самый прямой ответ, который я нашел, заключается в том, что N2 и O2 — очень простые молекулы. 2 атома, тесно связанные, без углов.

Источник

Из источника:

Поскольку молекула газообразного азота очень проста, она мало что может сделать со световой энергией, которую поглощает. Он может вращаться или вибрировать только немного, растягиваясь и вытягиваясь. Кислород действует примерно так же.

Из-за своей структурной простоты азот и кислород, которые вместе составляют 99 процентов земной атмосферы, поглощают относительно небольшое количество энергии видимого света, исходящего от солнца и проходящего через воздух. Это оставляет «стекло» теплицы довольно чистым.

Однако водяной пар — это отдельная история. В воде (H2O) два атома водорода связаны с одним атомом кислорода. Атомы кислорода изогнуты, образуя угол 105 градусов.

Молекула воды может скручиваться, вращаться, вращаться, изгибаться, изгибаться и исполнять свой собственный маленький химический танец.

Если у фотона достаточно энергии, например, у коротковолнового ультрафиолетового света, он может расщепить O2 (или расщепить N2 с еще большей энергией), но у видимого света недостаточно энергии.

Источник

Поглощение – это процесс, посредством которого лучистая энергия передается веществу. Если вещество представляет собой газ, излучение может воздействовать на него несколькими способами. То, как он может поглощать энергию, зависит от размера и сложности молекулы газа. Молекула газа может вращаться, и в зависимости от природы молекулы могут возбуждаться различные колебательные моды. Если энергия достаточно сильна, молекула может быть разрушена. Каждый режим поглощения энергии происходит в определенной узкой полосе солнечного спектра. Таким образом, газы не похожи на черные тела, которые поглощают одинаково и полностью на всех длинах волн. Скорее, они поглощают только в определенных, часто узких диапазонах длин волн. Двухатомные молекулы, такие как азот и кислород (большая часть нашей атмосферы), могут поглощать энергию за счет увеличения вибрации связи между двумя атомами.

O2 + ультрафиолетовый свет = O + O

Это происходит в самых верхних слоях атмосферы, выше ста километров (см. рис. 8). В этом процессе участвует наиболее энергичная (самая коротковолновая) часть солнечного спектра. Азот поглощает только крайний ультрафиолет, которого очень мало в солнечном излучении. Кислород поглощает сильнее, чем азот, и в более широком диапазоне длин волн в ультрафиолете.

Квантовая механика говорит, что для возбуждения атома приемлемы только очень определенные длины волн, длины волн, которые не являются таковыми (большая часть спектра), проходят мимо атома, почти не взаимодействуя (лишь некоторое рассеяние в случае видимого света).

Разрешенные длины волн — это те, энергия которых очень близка к разнице энергий между двумя разрешенными орбитами.

Кислород и азот действительно поглощают «свет», но только в ультрафиолетовой области спектра ниже примерно 200 нм, области, невидимой для наших глаз, но легко наблюдаемой фотоумножителями и подобными детекторами. Это поглощение возникает, когда электрон из основного состояния молекулы переходит в одно из нескольких электронно-возбужденных состояний. Эти состояния обладают такой высокой энергией, что поглощаются только в ультрафиолете. Например, бром и хлор являются коричневыми и зелеными газами соответственно, поскольку они имеют более низкую энергию возбужденного состояния. Энергия электронных состояний определяется деталями электронного строения молекул и различна для каждого двухатомного вещества. (Какие состояния «связаны» излучением, зависит от «правил отбора», которые определяются сохранением энергии и углового момента)

Молекулы также имеют колебательные и вращательные энергетические уровни, но гомоядерные двухатомные молекулы не имеют постоянного или индуцированного диполя (в результате вибраций), поэтому они не поглощают фотоны с меньшей энергией (например, видимые (400-650 нм) или инфракрасные > 1000 нм). (Классически электрическое поле излучения взаимодействует с колеблющимся диполем правильной частоты, без колеблющегося диполя, без взаимодействия, без поглощения).

Между прочим, наличие диполя является причиной того, что CO2 действует как парниковый газ, потому что, хотя он линейный (O=C=O) без постоянного диполя, он имеет вибрационно-индуцированный диполь (O---C=O <-> (O= C---O) и поэтому поглощает инфракрасный свет.