光子的能量要“对得上”
2.2.3 节说过：原子只吸收能量正好等于两个电子能级之差的光子。分子也是这样，只是分子的能量不止一种：除了电子的能量，分子还在不停地振动和转动，振动和转动的能量也是量子化的，只能取一些特定的值。
一个光子能被分子吸收，它的能量 E = hν = hc/λ 必须正好等于分子某两个能级之间的差。不同的能级间隔不同，所以不同区域的电磁波引起分子不同的变化。
三种能级，三个区域
- 转动能级rotational energy levels之间的差最小，对应能量最低的微波。分子吸收微波后转动得更快。
- 振动能级vibrational energy levels之间的差较大，对应红外光。分子吸收红外光后，化学键的伸缩、弯曲振动更剧烈。
- 电子能级electronic energy levels之间的差最大，对应可见光和紫外光。分子吸收后，价电子跃迁到能量更高的能级，这叫电子跃迁electronic transition。
各区域的大致波长取自 Wikipedia “Electromagnetic spectrum”，每摩尔光子的能量按 E = hcN_A/λ 计算。区域之间没有截然的界线，例如可见光也常写作 380–750 nm。
| 区域 | 大致波长 | 每摩尔光子的能量 | 引起的变化 | 例子 |
|---|---|---|---|---|
| 微波 | 1 mm – 1 m | 约 0.0001 – 0.12 kJ/mol | 转动 | 微波炉加热食物中的水 |
| 红外光 | 700 nm – 1 mm | 约 0.12 – 171 kJ/mol | 振动 | CO₂ 吸收地面发出的红外辐射 |
| 可见光 | 400 – 700 nm | 约 171 – 299 kJ/mol | 电子跃迁 | I₂ 蒸气呈紫色 |
| 紫外光 | 10 – 400 nm | 约 299 – 1.2 × 10⁴ kJ/mol | 电子跃迁（能量高的还能断键、电离） | 臭氧层吸收太阳的紫外光 |
典型的共价键键能是几百 kJ/mol（例如 H–Cl 的平均键能是 431 kJ/mol）。微波和红外光子的能量远不够断键，也不够让电子跃迁。能量更高的紫外光和 X 射线还能把电子从分子或原子中打出来，这正是 U1.6 光电子能谱的原理。
拖动波长，看光子的能量和它让 HCl 分子发生的变化；再切换到第二个模式，比较 和 ：
区域边界取自 Wikipedia “Electromagnetic spectrum”，各区域之间没有截然的界线。图中的分子是 HCl。
为什么有的物质有颜色
白光含有各种波长的可见光。物质如果吸收了其中一部分，其余的光透过或被反射，混合起来就是我们看到的颜色。所以看到的颜色是没被吸收的光，大致是被吸收的颜色的互补色。
- 的电子能级之间的差较小，可见光中的一部分光子能量正好合适，被吸收用来让电子跃迁，其余的光混合起来呈紫色。
- 的电子被三键束缚得很紧，电子能级之间的差很大，可见光光子的能量都不够，只有紫外光才能被吸收。可见光全部透过， 无色。
大多数无色的物质（、、）都只在紫外区有电子跃迁。
光谱：测出分子吸收了哪些波长
吸收光谱absorption spectrum记录的是物质在不同波长下吸收光的多少。吸收峰出现在光子能量正好等于某个能级差的波长处：
- 红外光谱的吸收峰对应不同化学键的振动，O–H、C=O 等键各在特定的波长范围吸收，可以用来判断分子中有哪些化学键。
- 紫外–可见光谱的吸收峰对应电子跃迁。吸收最强的波长叫 λmax，U3.13 测溶液浓度时就在 λmax 下测量。
例题 1：红外光子能断开化学键吗？
某分子吸收了波长 5.0 μm 的辐射。求一个光子的能量和每摩尔光子的能量，判断它引起分子的哪种变化，能否使 H–Cl 键（431 kJ/mol）断裂。
-
换算单位，判断区域。 λ = 5.0 μm = 5.0 × 10⁻⁶ m，在 700 nm 到 1 mm 之间，属于红外区。
-
一个光子的能量。
-
每摩尔光子的能量。 乘以阿伏加德罗常数，再换算成 kJ：
-
和键能比较。 24 kJ/mol 只有 H–Cl 键能（431 kJ/mol）的约 1/18，不能断键，也不够让电子跃迁。
-
结论。 这个能量和分子振动能级之间的差相当，吸收后化学键的振动更剧烈，这正是红外光谱的原理。
例题 2：I₂ 和 N₂ 的颜色
蒸气呈紫色， 无色。用电子能级说明原因。
-
颜色从哪里来。 物质吸收了可见光中的一部分，剩下的光混合起来就是看到的颜色。能吸收可见光的是电子跃迁，前提是能级差正好等于光子的能量。
-
可见光光子的能量范围。 波长 400～700 nm，换算成每摩尔光子约 171～299 kJ/mol。
-
比较两种分子。
- ：电子能级差较小，落在可见光光子的能量范围内，吸收一部分可见光（主要是黄绿光），剩下的光呈紫色。
- ：电子能级差很大，超过任何可见光光子的能量，只吸收紫外光，可见光全部透过，所以无色。
-
注意。 理由是“能级差和光子能量是否对得上”，不是“分子大小”或“状态不同”。
- 微波炉中波长 12 cm 的微波
微波对应转动能级。
- 波长 10 μm 的辐射
属于红外区，对应振动能级。
- 波长 250 nm 的辐射
属于紫外区，能让价电子跃迁。
- 一种溶液吸收了 600 nm 的橙光
吸收可见光的是电子跃迁。
- CO₂ 吸收地面发出的红外辐射
红外光使化学键振动更剧烈。
- 频率 2.4 × 10¹⁰ Hz 的辐射
λ = c/ν = 1.25 cm，属于微波。
- I₂ 蒸气吸收绿光
可见光引起电子跃迁。
- 频率 3.0 × 10¹³ Hz 的辐射
λ = c/ν = 10 μm，属于红外区。
- 防晒霜中的分子吸收 300 nm 的光
紫外光引起电子跃迁。
- 波长 3.0 mm 的辐射
属于微波区。
- 用红外光谱判断分子中有没有 O–H 键
不同的化学键在不同的红外波长处振动吸收。
常见误区
误区 1：“红外光能使化学键断裂。” 红外光子每摩尔的能量最多一百多 kJ，大多只有几到几十 kJ，比典型的键能（几百 kJ/mol）小得多。红外光使化学键振动更剧烈，不会把键打断。
误区 2：“分子吸收红外光后，电子跃迁到更高的能级。” 电子能级之间的差大，要紫外光或可见光才行。红外光对应的是振动能级。
误区 3：“物质的颜色就是它吸收的光的颜色。” 看到的是没被吸收、透过或反射出来的光。吸收绿光的 呈紫色，不是绿色。
即时小测
下列对应关系中，哪一组完全正确？
能级间隔从小到大：转动 < 振动 < 电子，对应的光子能量从小到大：微波 < 红外 < 可见、紫外。
蒸气呈紫色， 却无色。下列解释最好的是？
吸收可见光要靠电子跃迁，关键是能级差和光子能量是否对得上。A、B 的质量、状态都不是原因（碘蒸气同样是紫色）；D：振动对应的是红外光。
某气态分子吸收了波长 4.3 μm 的辐射。吸收后最可能发生的是？
4.3 μm 属于红外区，对应振动能级。B：红外光子能量远小于键能；C：电子跃迁要紫外或可见光；D：转动对应微波。
按光子能量从小到大排列，正确的是？
E = hc/λ，波长越短能量越大。波长从长到短：微波、红外光、可见光、紫外光。
波长 300 nm 的紫外光，每摩尔光子的能量约为？
E = hc/λ = (6.626 × 10⁻³⁴)(3.00 × 10⁸) ÷ (3.00 × 10⁻⁷) = 6.63 × 10⁻¹⁹ J，乘以 6.022 × 10²³ 得 3.99 × 10⁵ J/mol = 399 kJ/mol。A 只算了一个光子而且单位错了；B、D 是 J 和 kJ 换算错了。
一种溶液呈蓝色。它最可能吸收了哪种可见光？
看到的颜色是没被吸收的光，大致是被吸收的颜色的互补色，蓝色的互补色是橙色。A 正是误区 3；C、D 不是可见光，不影响我们看到的颜色。
AP 自由作答题
依次用三种辐射照射一种无色的气态分子 X：① λ = 1.0 cm；② λ = 10. μm；③ λ = 250 nm。
(a) 每种辐射属于电磁波谱的哪个区域？分别主要引起 X 的哪种变化？
(b) 计算辐射 ③ 中一个光子的能量。
(c) 一位学生说：“用辐射 ② 照射后样品变热了，说明辐射 ② 使 X 的化学键断裂了。”X 中最弱的化学键键能约为 350 kJ/mol。通过计算评价这个说法。
(d) 用电子能级说明 X 为什么无色。
参考答案与评分要点
(a) ① 微波，使分子转动得更快；② 红外光，使化学键振动更剧烈；③ 紫外光，使价电子跃迁到能量更高的能级。
(b)
(c) 每摩尔光子的能量 = hcN_A/λ = (6.626 × 10⁻³⁴)(3.00 × 10⁸)(6.022 × 10²³) ÷ (1.0 × 10⁻⁵) J/mol = 1.2 × 10⁴ J/mol = 12 kJ/mol，远小于 350 kJ/mol，不能断键。说法错误：红外光使化学键振动更剧烈，分子的能量增加，样品变热，但化学键没有断。
(d) X 的电子能级之间的差大于任何可见光光子的能量，可见光不能被吸收，全部透过，所以 X 无色（它只吸收紫外光）。
评分要点： (a) 三个区域和三种变化都对应正确；(b) 7.95 × 10⁻¹⁹ J；(c) 算出约 12 kJ/mol，和键能比较，指出变热是振动加剧；(d) 能级差大于可见光光子的能量。
小结
- 分子的能量是量子化的：转动能级间隔最小，振动其次，电子能级间隔最大。光子的能量必须正好等于能级差才能被吸收。
- 微波—转动；红外光—振动；可见光和紫外光—电子跃迁。能量更高的紫外光还能断键或使分子电离。
- 红外光子的能量远小于键能，不能断键，也不能让电子跃迁。
- 物质有颜色，是因为它的电子跃迁吸收了一部分可见光；看到的是没被吸收的光。 呈紫色， 无色。
AP 提示： 题目问“某种辐射引起什么变化”，先由波长或频率判断区域，再写出对应的变化：微波—转动，红外—振动，紫外/可见—电子跃迁。“红外光使化学键断裂”和“红外光引起电子跃迁”都是常见的错误选项。