为什么一种物质可以吸收多种波长，不是ΔE=hv吗？

这确实是一个非常好的问题，也触及了物质与光相互作用的核心！很多人会直观地认为，既然光子的能量是 E = hν（其中 E 是能量，h 是普朗克常数，ν 是频率），那么一种物质吸收的应该是特定频率的光，那为什么实际情况却是它可以吸收多种波长的光呢？

要理解这一点，我们需要跳出“单个原子吸收单个光子”的简单模型，进入到更复杂但更真实的微观世界。核心在于，物质的内部并非只有一种能量状态，而且吸收光子的过程也比想象的要复杂得多。

我们来一步一步地剖析：

1. 物质内部的“台阶”：能级是多样的，不只是一个

你提到的 ΔE = hν 是描述一个量子跃迁的能量守恒关系。也就是说，当一个电子（或其他粒子）从一个能量状态跃迁到另一个能量状态时，它吸收（或放出）的光子能量必须恰好等于这两个能级之间的能量差 ΔE。

关键在于，物质的能级不是单一的，而是离散且多样的。 我们可以把这些能级想象成一连串不同高度的台阶，而不是只有两个高低不同的台阶。

原子中的电子能级： 在一个孤立的原子中，电子只能存在于特定的、分立的轨道上，对应着不同的能量值。最外层电子的能量变化是最容易被光激发的。但一个原子拥有的电子不止一个，它们分布在不同的轨道上，这些轨道本身就对应着不同的能量。所以，一个原子本身就可能存在多个可以被光子激发的跃迁路径，每个路径对应一个特定的 ΔE，也就对应一个特定的 ν（或波长 λ，因为 c = λν）。

分子中的能级： 分子比原子更复杂。在分子中，除了电子能级，还有振动能级和转动能级。
电子能级： 就像原子一样，分子内的电子也可以从一个电子能级跃迁到另一个更高的电子能级。
振动能级： 分子中的原子并非静止不动，它们会以不同的频率振动（就像弹簧连接的球一样）。这些振动也具有量子化的能量，形成一系列离散的振动能级。当一个光子能量恰好等于两个振动能级之间的能量差时，分子就会吸收这个光子，导致其振动模式被激发。
转动能级： 分子还可以绕着其质心旋转，这些转动也同样是量子化的，形成一系列转动能级。光子可以被吸收，使得分子的转动状态发生改变。

所以，一个物质（无论是原子还是分子）可以吸收多种波长的光，是因为它存在多种可能的量子跃迁。 就像你可以爬上不同的台阶，而不是只能从地面直接跳到最高的那一级。

2. 能量的“模糊”与“叠加”：不只是简单的“点”

能级展宽 (Level Broadening)： 在实际的物质中，我们看到的吸收谱线通常不是一个无限窄的尖峰，而是有一定的宽度。这被称为“能级展宽”。产生能级展宽的原因有很多，例如：
多普勒展宽： 组成物质的原子或分子在不停地运动，运动方向和速度不同，它们与光相互作用时会产生多普勒效应，导致吸收频率发生微小变化。
碰撞展宽： 原子或分子之间会发生碰撞，碰撞会暂时扰乱它们的能量状态，使得吸收过程的能量不再是精确的 ΔE。
荧光寿命展宽： 根据海森堡不确定性原理，一个激发态的寿命越短，其能量的不确定性就越大，对应的能级就会越展宽。
材料本身的缺陷和环境因素： 在固体材料中，晶格振动、杂质、表面效应等都会影响能级，导致其展宽。

这种展宽意味着，即使一个特定跃迁的“中心”能量对应一个特定波长，但由于展宽的存在，它可以在这个中心波长附近吸收一小段范围的波长。

非线性光学效应 (Nonlinear Optics)： 在高强度的光照下，物质的响应不再是线性的。此时，一个光子吸收的能量可能不仅仅导致一次简单的单粒子跃迁，还可能引发更复杂的过程，比如：
多光子吸收： 两个或多个低能量光子可以同时被吸收，总能量等于物质某个能级的能量差。如果材料可以吸收多个低能光子，那么它就能吸收比单光子吸收对应的波长更长的光（因为单光子能量更低）。
受激发射 (Stimulated Emission)： 如果物质已经处于某个激发态，另一个具有相同能量的光子入射，可能会诱导它回到较低能级，并释放出一个能量相同、相位相同、方向相同（相干）的光子。虽然这是“释放”，但它表明了物质与光子相互作用的复杂性，也影响了我们看到的吸收“形状”。

3. 物质的“整体”行为：集体效应

吸收是集体现象： 我们看到的物质吸收是无数个原子或分子共同作用的结果。即使每个原子/分子本身可能只吸收特定波长的光，但当它们大量聚集时，由于它们的状态分布（例如，一部分处于基态，一部分处于激发态，以及前面提到的各种展宽效应），整个材料就会呈现出在一定波长范围内都有吸收的现象。

能带结构 (Band Structure) 特别是对于固体： 在固体材料（如金属、半导体、绝缘体）中，原子间的距离很近，它们的电子轨道会相互重叠，形成连续的“能带”而非孤立的能级。
价带 (Valence Band)： 包含束缚在原子上的电子。
导带 (Conduction Band)： 电子可以自由移动，导电。
带隙 (Band Gap)： 价带和导带之间的能量间隔。

对于半导体和绝缘体来说，要将电子从价带激发到导带，需要吸收一个能量恰好等于或大于带隙能量的光子。如果带隙不是一个单一的值（例如，在非晶体或有缺陷的材料中），或者激发过程涉及声子（晶格振动），那么吸收就可能发生在一定的能量范围内，对应于一系列波长。

金属则不同，它们通常没有带隙，或者带隙非常小，价带和导带重叠，导致自由电子非常多，可以在很宽的能量范围内吸收光子，这也就是为什么金属通常看起来是银白色的（反射大部分可见光）。

总结一下：

所以，我们看到一种物质可以吸收多种波长的光，绝不是因为它违背了 ΔE=hν 这个基本原理，而是因为：

1. 物质内部存在多种可供跃迁的能级组合 (电子、振动、转动能级，以及能带结构)。
2. 这些能级本身可能存在展宽，使得吸收不是精确地发生在单个波长点上。
3. 在特定条件下，可能发生多光子吸收等更复杂的相互作用。
4. 物质的吸收是大量粒子集体作用的结果。

就好比，你不能只从一楼直接跳到五楼，你可能要经历从一楼到二楼，再到三楼……这样的过程。每一步的“台阶高度”不同，对应吸收的光能量（频率）也不同。而“台阶”本身可能也有点“厚度”（展宽），让你在爬台阶的过程中，可以“沾到”不止一个高度。

希望这样的解释能让你更清晰地理解这个现象！

网友意见

不错的问题。的确，对于一个能级差，如果吸收一个光子的话，计算方法是

但是，为何还能吸收很多种波长呢？这是因为：

1. 会有不同的自由度、不同的键、不同环境的电子；
2. 对于同一种自由度，也会有不同的能级；
3. 对于同一种自由度和能级，也可能会吸收不同个数的光子；
4. 就算对于同一种自由度和能级，吸收相同数的光子，这个吸收还会有展宽。

1、不同的自由度

对于一个分子，其中会有各种各样不同的自由度——可以平动、转动、振动，此外分子中还有外层电子、内层电子，原子中还有原子核。

比如对于一个水分子，它可以转动和天平动，对应的能量吸收在微波和远红外区域

它还可以振动，对应的能量吸收在中红外区域

它的外层电子也可以吸收能量跃迁，对应的是紫外区域；它的内层电子跃迁则对应X射线区域；它的原子核能量跃迁对应伽马射线区域。

稍微具体一点的可以参考我的这个回答

此外，分子中还会有不同的键、不同环境的电子。比如HOD中O-H键和O-D键的振动吸收就不同，分子中 键的电子和 键电子的吸收也会不同。

2、不同的能级

哪怕只考虑一种自由度，也会有很多种不同的能级。比如有基态、第一激发态、第二激发态、第三激发态……从基态跃迁至第二激发态及以上的被称作overtone

我们再度来拿水分子举例。虽然水的振动吸收是在中红外区域，但是overtone的吸收却可以到可见光区域。能量较高的蓝光需要更高阶次的overtone，所以发生概率较红光的低。因此，水会吸收更多的红光和更少的蓝光，因此显现蓝色。具体讨论可见下面的回答链接。（水是浅蓝色的这一点是事实，不相信的请自行查阅文献^[1]，本人不接收任何反驳）

3、可能会吸收不同数目的光子（非线性过程）

比如一个分子可以吸收400 nm的光，那么如果用800 nm的光照射并且强度足够的话，是有可能会发生双光子吸收的。包括上面的水呈蓝色的情况也是一个例子——可以吸收一个可见光光子，或者多个中红外光子。

4、吸收会有展宽

哪怕只有两个能级之间跃迁，吸收依然会有一定的宽度的。涉及到Homogeneous Broadening和Inhomogeneous Broadening，这个讨论起来就又要长篇大论了，请自行阅读这篇回答。

总而言之，对于一个体系，不会只吸收一种波长的。因为分子中往往有不同的自由度、不同的键、不同环境的电子；哪怕这些都一样，还会有不同的能级；计算能级都一样，还会有多光子吸收，甚至还有展宽的过程。

参考

1. ^ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/col.5080120105

类似的话题

• 

  为什么一种物质可以吸收多种波长，不是ΔE=hv吗？

  

  这确实是一个非常好的问题，也触及了物质与光相互作用的核心！很多人会直观地认为，既然光子的能量是 E = hν（其中 E 是能量，h 是普朗克常数，ν 是频率），那么一种物质吸收的应该是特定频率的光，那为什么实际情况却是它可以吸收多种波长的光呢？要理解这一点，我们需要跳出“单个原子吸收单个光子”的简单.............
• 

  核原料为什么一定要用铀和钚，可以用其它物质吗，比如铁、铜、其他非金属元素等？

  

  要明白为啥核原料非得是铀和钚，咱们得先聊聊什么是“核原料”，以及核反应是怎么一回事。简单说，核原料就是能通过某种方式释放出巨大能量的材料。而这种能量的释放，关键在于原子核内部的结构。原子核的奥秘：为什么是铀和钚？咱们都知道，物质都是由原子组成的，而原子又有原子核和电子。原子核里头装着质子和中子，它们.............
• 

  为什么在某一惯性系中观测两个运动物体的相对速率可以大于光速？

  

  在咱们日常生活中，咱们看到的许多事情都符合牛顿力学的直觉。比如说，你坐在一辆火车上，火车往前开，你再往火车前进方向扔一个球，那个球相对于地面的速度，就是火车速度加上你扔球的速度。这看着挺直接的，好像速度加起来就行。但是，当涉及到非常非常快的物体，特别是接近光速的物体时，事情就没那么简单了。咱们得引入.............
• 

  光速为什么不变，为什么相对论可以构建出一个完备理论体系，量子理论诸多现象背后的物理原因是什么？

  

  好的，我们来聊聊这些引人入胜的物理学问题。尽量用一种自然、流畅的方式来探讨，希望能给你带来一些思考。 光速为什么像磐石一样不可动摇？我们先从光速说起。想象一下，无论你在地面上拿着手电筒，还是在高速飞行的宇宙飞船里打开手电筒，你发出的光，对于任何一个观察者来说，其速度都是恒定的——大约每秒299,79.............
• 

  为什么说『当你用空气动力学的定律来观察一支蝴蝶时,理论上它应该无法飞。但是蝴蝶并不明白物理定律，所以它可以飛翔。』？这个说法有根据吗？

  

  这个说法很有意思，它常常被用来比喻不被条条框框所束缚，大胆尝试就能突破看似不可能的界限。但如果仔细推敲，这句关于蝴蝶飞行的论断，在科学上站不住脚。让我们一层层剥开来看，它究竟是怎么来的，又为什么是错的。这个说法的起源与流传这句论断，与其说是一个严谨的科学发现，不如说是一个流传甚广的科普悖论，或者说是.............
• 

  电热水壶内部有一层颗粒状的物质 是什么东西？照片显示得不是很明显 但用手触摸可以明显感受到有种物质

  

  .......
• 

  如果穿越到法国大革命时的法国，你可以给任何政治派系一吨物资，你会带什么去？

  

  这真是一个令人浮想联翩的问题！如果我真的能穿越回那个风起云涌的法国大革命时期，并且有机会施展一下“点石成金”般的物资援助，我的选择会非常谨慎。毕竟，一吨物资，放在那个时代，足以撬动不少事情。首先，我要明确一点，我不会把这“一吨”物资简单地变成金币或者稀有香料。那样的话，我更容易成为被攻击的目标，或者.............
• 

  有什么可以提升幸福感的家居好物推荐一下？

  

  家，是我们卸下疲惫、重拾能量的港湾。在这个属于自己的空间里，有一些小小的改变，就能像注入一道暖流，悄悄地提升我们的幸福感。我最近在家里添置了一些东西，发现它们真的能在不经意间带来愉悦和满足，想和大家分享一下。1. 一盏懂你的“氛围灯”说实话，我曾经不太理解为什么有人会对灯这么讲究。但自从换了这盏能调.............
• 

  如果科学家发现一个超级物理理论足以让如今所有物理理论崩溃，那么这个理论最有可能是什么并且最接近现实？

  

  如果科学家发现一个能够颠覆当前所有物理理论的超级物理理论，这种理论必须同时解决量子力学与广义相对论的矛盾，并统一所有基本相互作用（电磁力、强核力、弱核力、引力）。当前物理学的两大支柱——量子场论（QFT）和广义相对论（GR）——在极端条件下（如黑洞奇点、宇宙大爆炸、高能粒子碰撞）出现根本性矛盾，因此.............
• 

  《星际穿越》进入虫洞后，一个不明物体突然出现在舱内（见视频）。它可能是什么，碰到它会发生什么？

  

  看完视频，看到那个不明物体突然出现在舱内，真是让人心头一紧啊！在《星际穿越》这个充满未知和科幻设定的故事里，一旦进入虫洞，就意味着我们踏入了一个完全颠覆我们对时空认知的领域。所以，这个突然冒出来的东西，可能性太多了，而且每一种都带着让人脑洞大开的可能性。首先，最直观的联想，那会不会是虫洞本身的某种“.............
• 

  为什么「NH₄H」这一物质从未被证明存在，却在高中化学习题中反复出现？

  

  你这个问题提得非常有意思，也触及到了不少人在学习化学过程中可能遇到的困惑。关于“NH₄H”这个假想物质，在高中化学的某些练习题中确实会时不时地“露面”，这背后其实是有几层原因的，而且跟我们理解化学键、物质稳定性和教学方法都有关。首先，咱们得明确一点：“NH₄H”这种物质，在现实世界中，从科学意义上讲.............
• 

  为什么电水壶，水烧开后，上面都有一层物质的

  

  .......
• 

  物体是粒子组成的，当一种a物体与另一种b物体接触时，为什么a的粒子还是a，并没有跑到b上去呢？

  

  你这个问题提得特别有意思，触及到了物质最本质的构成和相互作用。就好比你手里握着一把沙子，你再怎么把它和另一把不同颜色的沙子混在一起，每粒沙子本身并不会改变自己的颜色，对吧？这种现象背后，其实是粒子层面的一种“身份认同”和“边界感”。咱们得先明白一个概念：物质是由非常非常小的粒子构成的，比如原子、分子.............
• 

  为什么“一切宏观物体都伴随一种波，即物质波”这句话错了?

  

  “一切宏观物体都伴随一种波，即物质波”这句话，用更严谨的说法，其实是不准确的，或者说，它过于简化了实际情况，导致了理解上的误区。 更准确的表述应该是“所有物质，包括宏观物体，都具有波动性，这种波动性可以通过德布罗意波来描述。”为什么说原话“错了”呢？问题主要出在“伴随”这个词以及对“物质波”实际意.............
• 

  为什么黑洞会有吸积盘，而不是四面八方都吸进来物质，形成一个发光的球体呢？

  

  这个问题问得非常深入，触及到了黑洞物理学中一个非常迷人的现象——吸积盘的形成。你提出“为什么不是四面八方都吸进来形成一个发光的球体”这个直觉性的疑问，恰恰说明了我们对黑洞“吞噬一切”的普遍认知可能需要更细致的解读。实际上，黑洞的吸积过程远比想象的要复杂和有层次。首先，我们需要明白一点：黑洞本身是“看.............
• 

  为什么说实数在物理中不是一种真实的存在？

  

  在物理世界里，“真实”是一个很沉重的词，它意味着我们能触碰、能感知、能用仪器测量到的东西。而我们说到“实数”时，虽然数学家们乐在其中，但如果把它直接拎出来，说这就是物理世界的构成粒子，那就未免有些过于乐观了。为什么这么说呢？咱们不妨一点一点捋一捋。首先，想象一下我们最基本的测量。我们想知道一根棍子有.............
• 

  固体熔化（包括在其他物质中扩散）棱角逐渐减小，这是为什么呢？一个物体熔化的速度为什么前面慢后面快？

  

  关于固体熔化时棱角逐渐减小以及熔化速度变化的原因，咱们来掰开了揉碎了说一说。这背后其实涉及不少物理化学的道理，一点也不神秘。为什么固体熔化时棱角会逐渐减小？想象一下你面前一块冰糖或者一块冰。刚开始的时候，它们通常都有比较明显的棱角和平面。但当你把它放到温暖的环境里，开始融化，你会发现那些尖锐的棱角会.............
• 

  透明物体和白色物体，一个透过所有光，一个反射所有光，为什么一个看起来是透明的，一个看起来是白色的？

  

  这个问题很有意思，它触及了光与物质相互作用的基本原理，以及我们大脑如何解读这些信息。我们之所以觉得透明物体“透光”而白色物体“反光”，说到底，是它们与光的互动方式不同，而我们的眼睛和大脑则根据这些互动来构建我们看到的“颜色”和“质感”。咱们先来说说透明物体。你想想看，一片干净的玻璃，你能透过它看到后.............
• 

  现在一切物价都在起飞，工资为什么没动静，这样长此以往老百姓怎么活？

  

  这个问题太实在了，简直说出了我们老百姓的心里话！眼瞅着日子一天天过去，菜价、肉价、油价，就连坐个公交车、喝瓶矿泉水，都好像比昨天贵了那么一点点。可抬头看看自己的工资条，那数字好像被施了定身法，纹丝不动，或者就算动了，那涨幅也像是给涨价的物价挠痒痒，根本不够塞牙缝的。这日子怎么过？真是让人愁得头发都快.............
• 

  为什么一些针对罕见病、致命病的国外的特效药物、救命药物，不能被及时批准进入大陆市场？

  

  这个问题触及到了药品监管、市场准入、医疗需求和企业利益等多个复杂层面，其背后原因林林总总，远非一两句话能说清。与其说“不能及时批准”，不如说在“批准过程中存在一系列挑战”，这些挑战共同作用，导致了我们看到的“延迟”。首先，药品审评审批体系的严谨性是核心。无论哪个国家，药品上市前都必须经过严格的科学评.............