从能级角度解释,水为什么是透明的?


水只是在人眼中是无色透明的,换句话说是在可见光区透明。换个波段,比如红外区或远紫外区,那就不一定了。

这个“无色透明”至少涉及两个问题:对可见光的吸收弱,对可见光的反射也很弱。

我们从电磁波谱(如下)开始。

各波段与物质的相互作用机制如下:

因为懒得打字,所以直接从维基上截来了。

紫外 - 可见光区对应化学键中的电子、原子价电子、半导体导带电子的跃迁,所以光谱分析中紫外光谱和可见光谱经常放在一起分析,也就是紫外 - 可见分光光度法(UV-Vis Spectroscopy)。

如果要使水分子的电子被激发,所需的光子能量至少要能使水分子最高占据轨道的电子跃迁到最低空轨道,也就是下图中

的跃迁。

是非键轨道,来自于 O 的

,相当于价键理论里的孤对电子;

是反键轨道,相当于一个

。所以这个

跃迁对应到 UV-Vis 光谱的几种跃迁形式中是比较困难的

跃迁。对水分子而言这个跃迁所需能量超过 6.5 eV,对应的电磁波波长小于 190 nm。而光谱分析中最常用的 UV-Vis 波段在 200-800 nm,也就是说水不仅对可见光透明,在一段紫外光中也是透明的,因此水在 UV-Vis 光谱分析中是很常用的溶剂。

水的分子轨道能级示意,简化了一些记号

也就是说,可见光无法引起水分子跃迁,或者说水不吸收可见光。

但是大部分金属也不吸收可见光,但金属并不透明。这是因为金属把可见光都反射掉了,而且反射率极高,这种强烈的反光造就了我们眼中的“金属光泽”。

金属对可见光的强反射来自于等离子体振荡:金属可以视为自由电子和金属阳离子的等离子体,当电磁波射向金属,如果频率足够高就会被金属吸收,同时产生特定频率

的等离子体振荡;而如果光子的频率不足以引发金属的等离子体振荡,就会被反射掉。不考虑电子热运动的话,

是金属的固有性质,和自由电子浓度

有关

,其中

为电子电量,

为真空介电常数,

称为电子有效质量,是个很吊诡的东西,直接当是电子质量也行。金属中自由电子浓度相当高,因此金属的

也远高于可见光,基本上会把所有可见光都反射掉,呈银白色。个别金属会因为和可见光作用发生电子跃迁而显现出一些特定的颜色,像金这种,可以吸收一部分蓝紫光发生跃迁,因而呈黄色。当然,这部分说的是宏观尺寸的金属,当金属颗粒被处理到微米甚至纳米级别的时候,情况就完全不一样了,把金搞出彩虹色也不是不可能,有机会再另行讨论。

等离子体振荡也可以放到其他物质上讨论:

分别表示载流子浓度、载流子约化电荷量和载流子有效质量。比如水,水存在自偶电离,可以视为极稀薄的等离子体,载流子可以视为电离出来的

,电量和电子无异,但浓度极低且质量极大,因此水的

也极低,意味着水基本没有反射可见光的资格。

所以水既不怎么吸收可见光,也基本不反射可见光,在我们眼里当然就是透明的。

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