事实上,任何跃迁,都是可以吸收光能,只不过在不同的区域。
分子的转动和天平动(libration),吸收的是微波和远红外光,比如水的libration在远红外 \rm 834\ cm^{-1} ; [1] ;(——这也是微波炉的加热机理,就是促使加快食物中水分子的转动从而加热)
分子的振动,吸收的是中红外光,而一些overtone能到近红外区域甚至可见光区域——这也是为何水是蓝色的;
外层电子能级跃迁,吸收的是可见光或者紫外光;
内层电子能级跃迁,吸收的是X射线;
原子核的能级跃迁,吸收的是伽玛射线。
那么现在问题就变成了,为什么需要共轭双键才能吸收可见光产生颜色?假设有一堆共轭双键,总共的长度为L
\rm C=C-C=C-C=C-C=C-C=C
下面我们就来求一维无限深势箱。这里我给大家推荐一个超级简单的方法,不需要解薛定谔方程。
因为我们知道,根据德布罗意的物质波观点,每个分立的能级是因为生成了驻波,那么我们就有
\lambda=\frac{2L}{n}
根据物质波公式 p=\frac{h}{\lambda}=\frac{nh}{2L}
所以能级的能量就是 E_n=\frac{p^2}{2m}=\frac{n^2h^2}{8mL^2} ,怎么样?这样求解是不是简单多了?而且类似的方法用来求环势箱也会很方便哦。
然后我们知道,跃迁是发生在HOMO和LUMO之前,下面我们就用实例来演示一下。下图中的例子,每增加一个重复结构(r 增加1),分子就增长248 pm。根据最后的计算我们可以发现,当共轭结构越来越大时,分子的吸收峰会红移。如果一开始共轭结构很小时,会在紫外区域吸收,则没有颜色(因为紫外光对于人眼不可见);当共轭结构逐渐增大时,吸收峰就会移动到可见光区域,从而产生颜色。
参考
- ^ PCCP:Experimentally probing the libration of interfacial water: the rotational potential of water is stiffer at the air/water interface than in bulk liquid https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/cp/c6cp01004k