光与分子的相互作用及吸收光谱

大气层的状态是由光与分子的相互作用这种基本物理学现象来决定的。光与分子的相互作用遵从量子物理学的定律，要想说明一切，需要相当复杂的知识。然而，若只是从定性的方面进行探讨，则弄懂这种作用还是很简单的。下面就定性论述一下。

地球大气层中混合有各种气体。这些气体混合体包含着程度不一的多种分子，如氮分子（N2）、氧分子（O2）（这两种气体占大气层的99.9%）。二氧化碳分子（CO2）、水分子（H2O）、臭氧分子（O3）和甲烷分子（CH4）。此外还有一些处于游离状态下的氧原子（O）、氢原子（H）、和惰性气体原子（如Ar）。

鉴于气体的基本性质，这些分子可以自由移动，极少相遇和相撞。

大气分子由几个原子集合而成。原子集合体显示出不同的几何形状，如哑铃状的双原子分子（N2和O2）和三角状（CO2和H2O）。原子间的连接并不牢固，原子可以转动、振动和相对移动，然后重新回到一般状态上去。

然而，根据量子物理学定律，原子的运动不是随意的。运动的类型和次数都是确定的。由于每次运动消耗的能量是一定的，分子在释放或吸收能量时便只能采取跃迁的方式。当我们说一个分子的能态被“量子化”了，这就是说分子的能态形成了犹如梯子横档那样的一系列不同能态。要从一种能级过渡到另一种能级，就应当在一次推动中，向该体系提供足够的能量使自己的脚能一下子蹬到上面的横档。在梯子下面的横档上连续使小劲儿轻轻踏步是毫无用处的，这样做，你是无论如何也踏不上去的！

分子的情况也是这样，要使它从一种能态过渡到另一种能态，应该一次供给必需的能量。

光就是在这时起作用的。(www.xing528.com)

光由多种振波混合而成的。每种振波都有自己的波长，即自己的颜色（颜色由光的频率决定的）。我们知道光可以传播能量，这样，每种颜色都在传递着自己特有的能束，也就是说，能束值因颜色不同而不同。于是，开展至为精细的显微观测，我们便可以看到这种大自然“量子化”性状的又一显示。

分子可以吸收光能，但自然规律不允许它随意吸收。分子将在光的各种颜色中进行“选择”。选择的颜色，其能量要在数值上与空闲的“中间横档”吻合一致。借助这些能束，分子可以激发，过渡到更高一级的能态。

与此同时，穿过分子气体的光将会失掉（至少是部分地失掉）相应的颜色。譬如光在入射为白色，则射出时会显示出色彩来。气体愈浓厚，光线颜色被吸收得就愈多。

这种现象使一定的颜色和吸收系数与分子相适应。在组成白色光的多种波长中，每个分子都有一系列的吸收射线，其组合称作分子的“吸收光谱”。

这种吸收光谱可以用来表征某一种分子，每一种分子都有自己的特征光谱。穿过分子气体的光线，其某些成分会被剔除，那么气体自身会发生什么样的突然变化呢？气体在吸收光能之后便获得了能量。气体分子因获得能量而被激发，扰动得更强烈。一种气体的分子扰动度可简称为这种气体的温度，当我们用有着“合适”波长的光线照射一种气体时，这种气体会受热，温度升高。

由以上我们可以看出：光在穿过一种气体时会失掉部分有色组分，造成气体分子温度增高。每一类分子各自吸收自己的颜色。这种基本机制是，光能的某些组分发生量子传递，使分子在分子能级的范围里从一个能级跳到另一个能级。于是，臭氧对紫外线能起过滤作用以及大气温度能固定不变等现象便可以得到说明。