Wie kann man das glatte Absorptionsspektrum der Natur (Pflanzen usw.) erklären, während die Atome diskrete Absorptionslinien haben?

Ich werde mit einer absichtlich provokanten Antwort gehen. Atome haben keine diskreten Absorptionslinien. Nichts hat diskrete Absorptionslinien. Jeder Zustand, der zerfallen oder angeregt werden kann, hat notwendigerweise eine endliche Lebensdauer$\Delta t$, und daher ist seine Energie um einen Betrag ungewiss$\Delta E$das kann aus einem einfachen Fourier-Argument abgeschätzt werden

In Wirklichkeit werden die breiten Spektren typischer Materialien natürlich durch die in Vadims Antwort angesprochenen Punkte erklärt: Sie haben eine "klassische" Verbreiterung durch Mischen der Spektren aus verschiedenen Quellen sowie die echte "Quanten" -Verbreiterung, die sich aus der Kopplung zwischen Systemen ergibt mit den gleichen Spektren. Beachten Sie, dass letzteres im Wesentlichen die gleiche Physik ist, wie ich sie oben beschrieben habe, da lokalisierte Zustände eines zusammengesetzten Systems aufgrund der Kopplung zwischen Subsystemen eine endliche Lebensdauer haben.

Die beiden Hauptgründe sind:

• Materialien aus Atomen haben aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Atomen nicht die gleichen Spektren wie die Atome selbst. Beispielsweise haben Kristalle, selbst wenn sie aus einer Art von Atomen bestehen, ganze Spektralbänder, die Frequenzbereiche definieren, in denen sie absorbieren können oder nicht. Für die amorphen Materialien sind die spektralen Grenzen noch weniger klar definiert. Moleküle haben diskrete Linien, die jedoch komplexer sind als nur eine Kombination aus denen der konstituierenden Atome: aufgrund von Wechselwirkungen sowie aufgrund der Addition der Rotations- und Vibrationsfreiheitsgrade.
• Planeten bestehen aus vielen Arten von Materialien und Atomen, die alle sehr unterschiedliche Spektren haben.

Ein typisches Einzelmolekülspektrum würde wie in diesem Artikel gezeigt aussehen . Diese Absorptionsspektren bestehen aus vielen Linien, die vielen vibronischen Übergängen entsprechen. Da Spektren üblicherweise in Lösung aufgenommen werden, werden die Linien durch Wechselwirkung mit Lösungsmittelmolekülen inhomogen verbreitert. Sie können auch durch Lebensdauereffekte oder durch Kopplung an das Phononenkontinuum homogen verbreitert werden.

Es gibt mehrere Gründe für die in einem Spektrum beobachtete Breite.

Zunächst einmal gibt es einfach aufgrund der Genauigkeit der Messung immer eine Breite. Wenn die Messung mit schlechter Auflösung durchgeführt wurde, erhalten Sie ein breites Spektrum, selbst wenn das zugrunde liegende Molekül ein Stick-Spektrum hat. In diesem Fall ist die Breite kein Merkmal des Moleküls, sondern Ihres Messgeräts und die Messung hat nur einen sehr begrenzten Informationsgehalt. Wenn die Auflösung schlecht ist, verschmelzen die Sticks und Sie erhalten stattdessen eine breite Spitze. Sie können feststellen, ob dies der Fall ist, wenn Sie die Messung mit höherer Auflösung durchführen. Die Peaks werden schmaler und Ihr breiter Peak teilt sich in mehrere Peaks mit geringerer Breite auf.

Außerdem gibt es aufgrund der begrenzten Lebensdauer angeregter Zustände auch eine natürliche Grenze für die Breite der Peaks. Die Antwort von Mark Mitchison spricht diesen Punkt sehr genau an. Die Lebensdauer der angeregten Zustände begrenzt die Peakbreite auf ein Minimum und Sie können die Peakbreite nicht unter diese Grenze verringern, egal wie gut Ihr Setup ist. Diese Breite ist eine Eigenschaft Ihres Moleküls und ermöglicht es Ihnen, die Lebensdauer eines angeregten Zustands zu bestimmen/definieren.

Außerdem haben wir eine Verbreiterung aufgrund der Umgebung eines Moleküls und einfach der Tatsache, dass wir normalerweise eine ganze Reihe von Molekülen auf einmal messen und nicht ein einzelnes einsames. Messungen einzelner Moleküle/Atome sind möglich, erfordern jedoch fortgeschrittene experimentelle Techniken. Diese Messungen sehen eher aus wie Stabspektren, die man von Atomen kennt, aber typische Messungen von organischen Molekülen werden bei Raumtemperatur in Lösung durchgeführt. In diesem Szenario haben Umgebungs-/Lösungsmitteleffekte einen großen Einfluss auf die Form des Spektrums.

Im gezeigten Beispiel würde ich davon ausgehen, dass die Messung bei Raumtemperatur in Lösung durchgeführt wurde. In diesem Fall hat jedes Molekül eine andere lokale Umgebung, die die Energie der zum Absorptionsspektrum beitragenden Zustände beeinflusst. Das breite Spektrum, das wir sehen, kann somit als Summe vieler (sagen wir, wir haben eine Konzentration von einem Millimol ~ 10^20 Molekülen) leicht verschobenen Spektren gesehen werden. Diese Summierung führt zu einem sehr breiten Spektrum, selbst wenn Sie eine gute Genauigkeit für ein einzelnes gegebenes Spektrum haben. Stellen Sie sich einfach die Summe von 10 ^ 20 Gaußschen mit geringer Breite vor, die um eine zentrale Frequenz verteilt sind. Die Summe wird eine breite Gaußsche sein, wenn die Streuung merklich ist.

Das Zuordnen von Peaks zu Zuständen ist daher nicht einfach, insbesondere nicht in Molekülen, wo Sie elektronische Zustände, Schwingungszustände, Rotationszustände, Spinzustände haben ... Die meisten Zustände werden unter einem breiten Signal zusammengefasst und können nur klar in einzelne Peaks getrennt werden wenn der Versuchsaufbau sorgfältig darauf ausgelegt ist.