为什么共轭双键会导致颜色？ 第1页

正好知乎算法把这个问题推荐给我了，表示有点兴趣引申来讲一下，但是我也不是研究这个方向的，没办法来班门弄斧，只能勉强抛砖引玉。

因为我看到几乎所有的科普，关于吸光、荧光之类的解释，要么基于化学领域的HOMO-LUMO，要么基于物理领域的价带理论，两者统一于电子的跃迁。

这么解释是完全没有问题的，只不过忽略了一个非常重要的事实：生活中，绝大部分材料，都不是均匀的（homogenous）。因此我觉得有必要在这上面写两句。

不知道有没有发现：绝大部分关于吸收光和荧光的讨论，都是基于有机小分子的，包括本题：共轭双键。为什么？因为有机小分子要么自己是液体，要么可以以很高的浓度溶于溶剂。这种存在形式导致小分子的空间分布是均匀的，因此假设你有100毫升的材料，它的性质和你有一个有机小分子几乎没有区别（所谓的聚集诱导发光算个特例，但是也太不影响这个结论）。因此，有机小分子是最容易出现颜色或者荧光的物质。

那你有没有过这个疑问：为什么同样是固态水，为什么冰块是透明的，雪却是白的？

再问：同样是二氧化硅，为什么沙子是不透明的，石英却是透明的？

再问：金子是什么颜色的？一定是金色吗？那纳米金子是什么颜色的？看下图：

最后再问一个：孔雀羽毛的颜色怎么来的？是组成羽毛本身的分子带颜色吗？

这些例子证明了一个很重要的点：一个材料在宏观尺度上的颜色/透明度，既取决于他本身的物理化学性质，同时又取决于组成材料的微观粒子的形貌以及粒子的堆叠。

回到这个问题上，正如其他答案所说的那样，共轭双键会导致颜色。但这并不是绝对的，举个例子，如果你把含共轭双键的有机物均匀分散一层在一个金属导体上，十有八九他就会变成黑色的。这也是为什么材料科学和物理/化学不能混为一谈，各有各的作用。

事实上，任何跃迁，都是可以吸收光能，只不过在不同的区域。

分子的转动和天平动（libration），吸收的是微波和远红外光，比如水的libration在远红外 ；^[1]；（——这也是微波炉的加热机理，就是促使加快食物中水分子的转动从而加热）

分子的振动，吸收的是中红外光，而一些overtone能到近红外区域甚至可见光区域——这也是为何水是蓝色的；

外层电子能级跃迁，吸收的是可见光或者紫外光；

内层电子能级跃迁，吸收的是X射线；

原子核的能级跃迁，吸收的是伽玛射线。

那么现在问题就变成了，为什么需要共轭双键才能吸收可见光产生颜色？假设有一堆共轭双键，总共的长度为L

下面我们就来求一维无限深势箱。这里我给大家推荐一个超级简单的方法，不需要解薛定谔方程。

因为我们知道，根据德布罗意的物质波观点，每个分立的能级是因为生成了驻波，那么我们就有

根据物质波公式

所以能级的能量就是 ，怎么样？这样求解是不是简单多了？而且类似的方法用来求环势箱也会很方便哦。

然后我们知道，跃迁是发生在HOMO和LUMO之前，下面我们就用实例来演示一下。下图中的例子，每增加一个重复结构（r 增加1），分子就增长248 pm。根据最后的计算我们可以发现，当共轭结构越来越大时，分子的吸收峰会红移。如果一开始共轭结构很小时，会在紫外区域吸收，则没有颜色（因为紫外光对于人眼不可见）；当共轭结构逐渐增大时，吸收峰就会移动到可见光区域，从而产生颜色。

参考

1. ^PCCP：Experimentally probing the libration of interfacial water: the rotational potential of water is stiffer at the air/water interface than in bulk liquid https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/cp/c6cp01004k