¿Cómo explicar el espectro de absorción suave de la naturaleza (plantas, etc.) mientras que los átomos tienen líneas de absorción discretas?

Voy a ir con una respuesta intencionalmente provocativa. Los átomos no tienen líneas de absorción discretas. Nada tiene líneas de absorción discretas. Cualquier estado que pueda decaer o ser excitado necesariamente tiene un tiempo de vida finito$\Delta t$, y por lo tanto su energía es incierta por una cantidad$\Delta E$que se puede estimar a partir de un simple argumento de Fourier como

En realidad, los espectros amplios de los materiales típicos se explican, por supuesto, por los puntos planteados en la respuesta de Vadim: tiene un ensanchamiento "clásico" al mezclar los espectros de diferentes fuentes, así como el ensanchamiento verdaderamente "cuántico" que surge del acoplamiento entre sistemas con los mismos espectros. Tenga en cuenta que esta última es esencialmente la misma física que describí anteriormente, ya que los estados localizados de un sistema compuesto tienen una vida finita debido al acoplamiento entre los subsistemas.

Las dos razones básicas son:

• Los materiales hechos de átomos no tienen los mismos espectros que los propios átomos, debido a las interacciones entre los átomos constituyentes. Por ejemplo, los cristales, incluso hechos de un tipo de átomos, tienen bandas espectrales completas que definen rangos de frecuencias donde pueden o no absorber. Para los materiales amorfos, los límites espectrales están aún menos definidos. Las moléculas tienen líneas discretas, pero más complejas que una simple combinación de las de los átomos que las constituyen: debido a las interacciones, así como debido a la suma de los grados de libertad rotacional y vibracional.
• Los planetas están hechos de muchos tipos de materiales y átomos, los cuales tienen espectros muy diferentes.

Un espectro típico de una sola molécula se vería como se muestra en este documento . Estos espectros de absorción consisten en muchas líneas que corresponden a muchas transiciones vibrónicas. Como los espectros generalmente se toman en solución, las líneas se ensanchan de manera no homogénea por la interacción con las moléculas del solvente. También pueden ampliarse homogéneamente por efectos de vida o por acoplamiento al continuo de fonones.

Hay múltiples razones para el ancho observado en un espectro.

En primer lugar, siempre hay un ancho simplemente debido a la precisión de la medida. Si la medición se tomó con una resolución deficiente, obtendrá un amplio espectro incluso si la molécula subyacente tiene un espectro de barras. En ese caso, el ancho no es una característica de la molécula sino de su aparato de medición y la medición tiene solo un contenido de información muy limitado. Si la resolución es mala, los palos se fusionan y obtienes un pico ancho en su lugar. Puede determinar si ese es el caso si realiza la medición con una resolución más alta. Los picos se volverán más angostos y su pico ancho se separará en múltiples picos con un ancho más pequeño.

Además de eso, también existe un límite natural para el ancho de los picos debido a la duración limitada de los estados excitados. La respuesta de Mark Mitchison aborda ese punto con mucha precisión. La vida útil de los estados excitados limita el ancho del pico al mínimo y no puede disminuir el ancho de los picos por debajo de este límite sin importar qué tan buena sea su configuración. Este ancho es una propiedad de su molécula y le permite determinar/definir el tiempo de vida de un estado excitado.

Además de esto, tenemos una ampliación debido al entorno de una molécula y simplemente al hecho de que normalmente medimos un montón de moléculas a la vez y no una sola. Las mediciones de moléculas/átomos individuales son posibles pero requieren técnicas experimentales avanzadas. Estas medidas se parecen mucho más a los espectros de barras que se conocen a partir de los átomos, pero las medidas típicas de las moléculas orgánicas se realizan a temperatura ambiente en solución. En ese escenario, los efectos ambientales/disolventes tienen un gran efecto en la forma del espectro.

En el ejemplo que se muestra, asumiría que la medición se realizó a temperatura ambiente en solución. En ese caso, cada molécula tiene un entorno local diferente que afecta la energía de los estados que contribuyen al espectro de absorción. El amplio espectro que vemos puede verse como la suma de muchos (digamos que tenemos una concentración de un milimol ~ 10^20 moléculas) espectros ligeramente desplazados. Esta suma dará como resultado un espectro muy amplio incluso si tiene una buena precisión para un solo espectro dado. Solo imagine la suma de 10 ^ 20 gaussianos con un ancho pequeño distribuido alrededor de una frecuencia central, la suma será un gaussiano amplio si la propagación es notable.

Por lo tanto, asignar picos a estados no es sencillo, especialmente en moléculas donde tiene estados electrónicos, estados vibracionales, estados rotacionales, estados de espín... La mayoría de los estados se mezclan bajo una señal amplia y solo se pueden separar claramente en picos individuales. si la configuración experimental está cuidadosamente diseñada para hacerlo.