物体吸收的光去哪了,发生了什么物理过程? -云顶yd2223线路检测
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一般来说,物质吸收的光被转换成了热或者又变回了光
下图是jablonski图,描述了分子不同电子态之间与振动能级之间的跃迁。图片下方的黑色实线描述了分子基态的振动能级,上面的黑色实线描述了分子 s_1 与 s_2 及振动能级,右侧黑实线为 t_1 的振动能级。
当物质吸收光子获得能量,如果光子能量恰与两能级差相匹配,则分子会从基态跃迁至激发态。上图绿色实线所代表的过程。处于激发态的分子是不稳定的,可能会通过如下几个途径释放能量:
- 荧光,分子从 s_1 跃迁回到基态 s_0 并以光子的形式释放能量,如上图左侧红色实线
- 磷光,分子从 t_1 跃迁回到基态并以光的形式释放能量,如上图右侧红实线
- 对于一些特殊的分子,还存在延迟荧光,这是分子先从 t_1 回到 s_1 再发出荧光。
- 从 s_1 到 t_1 的系间窜跃,放热,如上图深蓝色波浪线
- s_1 与 t_1 的非辐射跃迁,如上图天蓝色波浪线
- 从高能激发态 s_n 到 s_1 的内转换,放热,上图黄色波浪线。由于能差越大,内转换过程速率越慢,因此一般忽略从 s_1 到 s_0 的内转换
- 向其他分子传递能量,使另一分子从基态跃迁到激发态。可以分为偶极-偶极作用的能量传递与电子交换作用的能量传递。
- 振动弛豫,从高振动能级弛豫到振动基态
- 光化学反应
对于某个特定的分子,上面提到的过程不一定全部都会发生。有可能没有发生荧光过程和磷光过程,能量以热的形式释放;也可能存在荧光但不存在磷光,比如一些纯荧光材料;也可能只存在磷光,如一些过渡金属配合物。
光被物体吸收时,能量并不会消失,只是从光子的形式转化为其他形式的能量,包括热能和电子激发等。
1、转化为热能或其他形式的能量。这种能量转化通常导致物体温度的升高,这是因为物体内部的分子会因为光的吸收而开始振动,并且这种振动会引起温度升高。光子与物体分子之间相互作用,导致光子的能量被吸收并传递到物质分子中,使其分子的振动、转动和电子运动加剧,导致物体的温度升高。例如:小明和女朋友正在海滩上玩耍,小明穿着一件黑色的衣服,而女朋友穿着一件白色的衣服。当阳光照射到他们身上时,黑色衣服会吸收更多的光能量,而白色衣服会反射更多的光能量。在黑色衣服上,光子与衣服的分子相互作用,导致衣服的分子开始振动、转动和电子运动加剧。这个过程使衣服温度升高,同时衣服吸收的光子的能量也被转化为热能。这就是为什么黑色的衣服在夏天更容易感到炎热的原因。
2、物体中的电子会被激发,这种激发会导致电子从低能态跃迁到高能态。在这种情况下,物体可以通过发射其他形式的能量来释放这些激发的电子。这些激发的电子可以带有光的能量,它们将在物体中运动,直到它们再次被重新吸收或被释放出来。举一个不太准确的例子:打台球的时候,用白球(具有能量)击打其他颜色的球,将会使台上的球都滚起来。
一、光的基本介绍
光的本质是电磁波,由无数光子(photon)所组成,具有波粒二象性。光子的能量由波长(频率)所决定,可以通过以下方式计算:
e=hv=hc/λ
二、光与物质的作用
光与物质作用从宏观上来看,主要包括反射、折射、散射、透射、吸收以及衍射等多种作用形式。
其中光的反射,初中物理我们就了解过,当一束光线接近光滑的抛光表面时,光线被反射回来,这称为光的反射。并且,根据反射面的差异包括镜面反射和漫反射两种,这一概述偏宏观理解。
在微观上,反射是波前在两种不同介质之间的界面处的方向变化,使得波前返回到它起源的介质中。入射到材料上的光波在单个原子中引起极化的小振荡(或在金属中引起电子振荡),导致每个粒子向各个方向辐射小的二次波,最终导致反射。
三、光的吸收
在吸收过程中,入射光波的频率处于或接近物质中电子的能级,电子将吸收光波的能量并改变其能量状态,此时原子从基态变为激发态(也就是说不是所有光波都能被吸收,而需要满足一定条件)。
从宏观上来看,光如果被全部吸收,物质则表现为不透明或颜色变暗。如果不能被吸收,光会被反射或投射,那么就会显现颜色,比如绿色植物显示为绿色就是绿光被反射,而红光和紫光被吸收的结果。
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光被原子吸收后,整体能量上升,如果不继续从激发态回归到基态,放出光子,那么就会表现为体系温度上升,产生热量。
微观上,吸收取决于物体电子的状态,所有电子都以特定频率振动(固有频率),产生热量则是因为当光中的光子与相同频率的原子相互作用时,原子中的电子会被激发并开始振动。在这种振动过程中,原子的电子与相邻原子相互作用,并将这种振动能转化为热能。并且由于不同的原子和分子具有不同的固有振动频率,它们会选择性地吸收不同频率的可见光
光是一种能量,它以波的形式传播。当光射到一个物体上时,它有两种可能的结果:反射或吸收。反射意味着光保持了它的能量和颜色,并从物体表面弹回。吸收意味着光的能量被物体的粒子接收,并转化为热能,使物体升温。
那么,当物体吸收光时,具体发生了什么物理过程呢?根据不同的能量范围,我们可以将吸收过程分为以下几类:
1:电子跃迁:当光子的能量与原子或分子中电子从一个能级到另一个能级的能量差相匹配时,电子会吸收这个光子,并跃迁到更高的能级。这个过程称为电子跃迁。电子在高能级上通常不稳定,它会很快回到低能级,并在此过程中释放能量。能量的释放可以是以光子的形式发射出来(这就是荧光或磷光现象),或者以热能的形式散发出去(导致物体加热)。
2:振动激发:当光子的能量与分子中原子核之间的振动能级相匹配时,原子核会吸收这个光子,并增加它们之间的振动能量。这个过程称为振动激发。振动激发态也是不稳定的,它会很快回到基态,并在此过程中释放能量。能量的释放可以是以红外光子的形式发射出来(这就是红外辐射现象),或者以热能的形式散发出去(导致物体加热)。不同的分子有不同的振动模式,如伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等,因此它们对应的振动能级和红外光谱也不相同。通过测量物质的红外光谱,可以了解物质的分子结构和化学键类型 。
3:旋转激发:当光子的能量与分子中原子核之间的旋转能级相匹配时,原子核会吸收这个光子,并增加它们之间的旋转能量。这个过程称为旋转激发。旋转激发态也是不稳定的,它会很快回到基态,并在此过程中释放能量。能量的释放可以是以微波光子的形式发射出来(这就是微波辐射现象),或者以热能的形式散发出去(导致物体加热)。
4:光化学反应:当光子的能量足以引发物质中的化学反应时,这种现象被称为光化学反应。例如,光合作用就是一种光化学反应,植物通过吸收光子能量,将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。光化学反应可以改变物质的组成和结构,从而产生新的物质或能量。
当物体吸收光时,光子的能量会被物体中的原子或分子吸收,并发生各种物理过程,如电子跃迁、振动激发、旋转激发和光化学反应。这些过程会导致物体的内能、温度、颜色、结构和性质等发生变化。
物体吸收的光转换成了热和电,这是宇宙物体之间能量传递的唯二形式。远距离传输只有辐射热和电的效应,除此再无他法。光波的振动频率与物体电子绕核转动周期匹配的,电子被光波连续作用而能态升高,达到逸出极限时,有条件的流出形成电流,否则因运动状态变得剧烈而温度升温,转换成热能而被物体吸收。能量通过光、热和电在宇宙间传递起来,宇宙的能量趋于平衡,高处向低处通过光传导。热、电可致光(电光效应),热、光可致电(光电效应)。光电转换的无限循环,能量流动起来,整个宇宙便活了起来。都是电子在高、低能态间阶跃导致热、电和光的相互转化。宇宙的热点输出能量,宇宙的冷点获得能量,宇宙得以向平衡迈进。电子总向基态回归的本性促成了这一切。