图4 电子从激发态跃迁至基态辐射光子[4]
释放光子的波长（λ）与原子轨道能级差（∆E）的关系是∆E = hν = hc/λ，其中h、ν和c分别为普朗克常数、频率和光速。不同元素中电子轨道的能级差不同，因此元素具有一系列特征光谱线。若光子的波长落在可见光范围内，则可被人眼感知。以金属Na为例，其特征光谱在可见光波段来自3p轨道和3s轨道间电子的跃迁，由于其精细结构导致光谱中出现双线，波长为589.0 nm和589.6 nm，均在黄色波段，所以我们在Na元素的焰色反应中看到了明黄色火焰。
那回到我们吃的肉，为什么会vb表现为不同的红色？这主要来源于肌红蛋白。首先，我们来了解一下肌红蛋白，它是由153个氨基酸组成的单链蛋白质，分子量为16700道尔顿。肌红蛋白存在于肌肉中可以储存和释放氧气，对肌肉运动发挥了重要的作用。肌红蛋白储存和释放氧气的过程伴随着其中铁元素配位的变化，如图5所示。
图5 肌红蛋白的结构[5]
当肌红蛋白未与氧气结合时，铁为正二价，每个亚铁离子与五个氮原子配位，形成(FeN)基团，结构为金字塔型。五个氮原子中四个来自吡咯环，一个来自多肽链中的组氨酸。而与氧气结合后，铁的价态存在争议，可能既有二价又有三价。此时铁离子除了与氮配位外，还直接与氧分子成键，形成(FeNO)基团，为八面体结构。下面我们详细分析其中电子的轨道排布：
当不结合氧气时，肌红蛋白中Fe离子的电子排布式为1s2s2p3s3p3d。一般而言，这些电子中3d电子对Fe离子理化性质的影响最明显。3d轨道又可以细分为d、d、d、d、d五个轨道。在孤立的Fe离子中，这5个轨道具有相同的能量，但电子云的形状或取向不相同，见图6。
图6 3d轨道的电子云[6]
当Fe离子与5个氮原子配位后，3d轨道电子云与氮原子相互作用使5个轨道的能量出现了差异，由低到高分别为d/d、d、d、d（d与d的能量相等）[7]，如图7左图所示。图中的横线代表电子轨道，它们的高低代表轨道能量的大小。每个箭头代表一个电子，它们的朝向代表了电子的自旋方向。图7左图中无氧Fe离子的电子排布仅展示了高自旋态的情形，实际的无氧肌红蛋白中Fe离子有多种电子排布。
图7 肌红蛋白铁离子配位基团中的电子排布[8]
另外一种情况，即氧气分子进入肌红蛋白。首先，对于氧气分子，来自不同氧原子2p轨道的电子间会形成σ/σ*键和π/π*键，电子按照σ键、π键、π*键、σ*键的顺序依次填充。填充的结果是σ键和π键被填满，σ*键上没有电子占据，而π*键只填充一半。当肌红蛋白与氧气结合时，铁离子与氧原子成键，此时O-O键中π*键上的两个电子又会和铁离子的3d电子成键，分别为：与d轨道成σ/σ*键，与d轨道成π/π*键。成键后，铁离子3d轨道与Fe-O键轨道形成了一个共同的Fe-O能级系统，系统内电子轨道的能量高低如图7中间所示。图中的电子排布仅展示了低自旋的情形，实际的Fe-O系统中电子也有多种排布方式。
现在我们讨论与肌红蛋白成色相关的电子跃迁。实验发现，无论在无氧Fe离子基团还是Fe-O系统中，电子都可以在图7所示的轨道间跃迁，跃迁过程可以吸收可见光。但是二者的能级排布不同，导致它们的吸收光谱不同。图8展示了含氧、无氧、高铁和一氧化氮肌红蛋白的吸收光谱。含氧肌红蛋白对波长小于600 nm的光有明显的吸收，导致其反射光也就是外观显红色（红色波段：622-770 nm）。相较而言，无氧肌红蛋白对波长小于550 nm的光吸收减弱，在600-700 nm波长范围内的光吸收相对含氧肌红蛋白增强，导致外观偏紫红色。活的动物体内由于肌红蛋白携带的氧含量充足所以肌肉呈现鲜红色。而运送到超市的鲜肉由于脱离母体的氧气供给，肌红蛋白释放氧气使它暂时呈现紫红色。久置于空气后，肉表面的无氧肌红蛋白会与空气中的氧气再次结合形成含氧肌红蛋白而呈现鲜红色，但肉的内部仍处于少氧状态，呈紫红色。当氧化过度例如制成腊肉后，肌红蛋白会转化成高铁肌红蛋白，呈现棕褐色。一些商家在腌制肉时，为了保持肉的红色，会添加一定量的亚硝酸盐。亚硝酸根经自身氧化还原反应后，一部分会转化成一氧化氮，一氧化氮会与肌红蛋白结合形成一氧化氮肌红蛋白，它的吸收光谱与含氧肌红蛋白相似，所以肉呈现红色。但是，亚硝酸盐对人体有一定的危害，国家对它的添加量有严格的限制。
