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量子吸收帶的奧秘：為什麼光線會在不同波長上消失？
在光譜學中，吸收帶是電磁波譜中一系列特定波長、頻率或能量範圍，這些範圍代表某一物質的能級轉變。根據量子力學，原子和分子只能擁有特定數量的能量，也即只能存在於特定狀態。當電磁輻射的量子被原子或分子吸收時，輻射能量的變化將改變原子或分子的狀態，從而推動其從初始狀態轉變為最終狀態。
當電磁輻射被原子或分子吸收時，輻射的能量改變了原子或分子的狀態。
吸收帶的概述
對於氣體或稀釋系統而言，特定能量範圍中的狀態數量是離散的，擁有明確的能量等級。而對於凝聚系統，如液體或固體，則具有連續的狀態分佈。一種物質要改變其能量，必須通過吸收光子來逐步完成。這一過程可以將粒子，如電子，從佔用狀態轉移到空置狀態；也可以將整個分子，從一種振動或旋轉狀態轉移到另一種，甚至可能創建出如聲子或等離子子等準粒子。
電磁轉變
一旦光子被吸收，其電磁場便消失，隨之而來的是這一系統狀態的變化。這過程中，能量、動量、角動量以及偶極矩等物理量都由光子轉移至該系統。由於需滿足保守律，這一轉變需遵循一系列約束，這導致了一系列選擇規則的產生。
吸收過程的強度主要受兩個因素的影響：一是改變偶極矩的轉變通常比改變電偶極矩的轉變要弱，二是不同轉變的過程具有不同的轉變矩陣元、吸收係數或發射強度。
帶型和線型
各種吸收帶和線型存在，對這些帶和線型的分析可用來獲得關於所觀察系統的信息。許多情況下，可以假設窄光譜線遵從洛倫茲或高斯型分佈，取決於衰減機制或因溫度效應造成的多普勒展寬。對光譜密度、強度、寬度和形狀的分析常常能夠提供有關系統的重要數據。
各類轉變
電子轉變
原子、分子和凝聚物質中的電磁轉變主要發生在UV和可見光譜對應的能量範圍內。原子中的核心電子以及很多其他現象在X射線範圍中被不同的XAS技術觀測到。
振動轉變
振動轉變和光學聲子轉變主要發生在紅外光譜的範圍內，波長在1至30微米之間。
旋轉轉變
旋轉轉變主要出現在遠紅外和微波區域。
其他轉變
無線電頻率範圍的吸收帶可在核磁共振(NMR)光譜中被發現，頻率範圍和強度受核的磁矩、施加的磁場以及温度下的占據數差異影響。
應用
擁有寬吸收帶的材料在顏料、染料和光學濾光器中得到了廣泛應用。二氧化鈦、氧化鋅和染料基材料被用作防曬霜中的UV吸收劑和反射劑。
吸收帶與大氣物理學
在雙氧水中，有多個著名的吸收帶，例如：霍普菲爾德帶、舒曼—倫格連續帶等，這些吸收帶對於研究大氣層的結構和特性具有重要作用。
結語
量子吸收帶的現象揭示了能量的量子化及其在不同波長下的消失，這不僅有助於深度理解元素及化合物的結構，更能在未來的材料科學及光學技術上打下基礎。那麼，光的消失是否只是表象，而其背後又隱藏了多少未知的物理規律呢?
