射频和微波波谱学

波谱学名词

射频和微波波谱学是通过射频或微波电磁场与物质的共振相互作用，研究物质的性态、结构和运动的物理学分支学科，简称波谱学。它研究的对象可以是原子、分子及其凝聚态，也可以是中子、质子、电子、原子核和等离子体等。实验观察既可以在稳定状态，也可以在动态甚至在短暂的瞬态中进行。射频和微波电磁波的频率范围约为104～1012Hz，随着理论和实验技术的发展，波谱学正在向更高频段延伸。

基本信息

通过射频或微波电磁场与物质的共振相互作用，研究物质的性态、结构和运动的物理学分支学科，简称波谱学。它研究的对象可以是原子、分子及其凝聚态，也可以是中子、质子、电子、原子核和等离子体等。实验观察既可以在稳定状态，也可以在动态甚至在短暂的瞬态中进行，射频和微波电磁波的频率范围约为10～10Hz，随着理论和实验技术的发展，波谱学正在向更高频段延伸。

波谱学的研究主要分为：①原子、分子（稀薄气体、原子束、分子束）的共振发射或吸收；②电子自旋共振(电子顺磁共振)；③核磁共振；④核电四极矩共振；⑤双共振和多重共振（见光磁共振）。本条仅述及与波谱学相关的原子、分子物理学的重要发展以及波谱学的应用问题。

简史　20世纪30年代末期以前，原子物理的光谱学实验主要在可见光波段内进行,它以测量波长为主，当时只能观察和初步测量一些核的磁超精细结构及少数核的电四极矩对其的影响(见原子光谱的超精细结构)，测量准确度不高；在分子物理方面，因分子带状光谱主要在红外波段,当时观察仪器的灵敏度和分辨率都较差,准确测量分子结构和超精细作用等更为不易。

历史发展

1933年C.E.克利顿和N.H.威廉斯首先在微波波段探索氨分子的谱线，成为微波波谱学的先河。1938年I.I.拉比等人的著名实验开创了原子束和分子束对电磁波共振的研究。第二次世界大战以后，由于电子学和微波技术的进展，探测仪器的灵敏度、分辨率有了大幅度的提高，又因实验技术的革新，除碰撞法（见电子同原子碰撞）外的原子和分子物理重要实验，主要是在微波波段内以共振方法进行的。И.К.扎沃伊斯基(1945)对电子自旋共振、F.布洛赫和E.M.珀塞耳(1946)对核磁共振、H.G.德梅尔特和H.克吕格尔(1951)对核电四极矩共振实验观察的成功，使波谱学迅速扩展到射频波段。A.卡斯特勒（1950）光抽运的倡始（见激光器），射电星际波谱(1951)的出现，使波谱学内容更加丰富充实。波谱学的测量以频率为主,这种测量的准确度比可见光和红外波段内测量波长所得的结果，一般提高百万倍以上。因测量准确度的提高，观察到的新现象接踵出现。

原子磁超精细结构的测定　早在1927年，人们由铋(戵Bi)离子的光谱实验中发现了原子谱线的磁超精细结构。采用原子微波共振法进行测量后，测量准确度提高很多,突出的成就是对铯的基态超精细跃迁频率的测量,准确度可达1×10；并测定了许多前所未测的原子。1954年还测得碘 (屭I)、铟(屟In)、镓(Ga)等原子磁八极矩的影响。

兰姆移位　微波原子波谱实验的另一突出成就是测出辐射场对原子态的影响,发现兰姆移位,如氢的2sS态对2pP态的移位为1057.845±0.009MHz（依玻尔和狄喇克理论这二态是重合的），导致了量子电动力学理论的建立。1960年激光问世后，采用新的技术，又发现和测定了氢原子基态1sS的兰姆移位。

、变异　由实验测定结合理论计算，发现电子和±子自旋因子（应为2）和精细结构常数的变异。测定电子的为2×（1.001159622±0.000000027）（见原子磁矩）,氢原子基态跃迁的精细结构常数的倒数为137.0357±0.0008。

核电四极矩超精细结构的准确测定　自然界中有许多原子核电荷的分布偏离球形对称，早在20世纪30年代在铕离子(懹Eu)的磁超精细结构的异变中发现,理论上借核电四极矩和它周围电场梯度相互作用（简称核电四极矩耦合）的能量校正，得到解释。用原子束在微波波段进行频率测量后，提高了准确度，并测得了许多核电四极矩耦合常数。用射频核四极共振直接测量频率后，工作开展得更快,除大幅度提高了测量准确度外,还测出核电四极矩耦合受化学结构、固体点阵温度、相变、位错、缺陷、掺杂、纯度、热振动等影响。1954年，又测出了核电十六极矩的影响（见核电四极矩共振）。

分子结构的准确测定　利用微波分子波谱方法对分子结构作了大量的高准确测定。如用微波共振法对CsCl分子测定了Cl 和Cl 的同位素质量比为 0.9459781±0.0000030，测定OCS分子中的键长为：还准确测量了分子中原子的质量和超精细结构常数等。

射频和微波波谱学星际分子波谱的研究　星际波谱学是射频波谱学渗透到天文学中的边缘学科。1951年首次发现太空中存在氢原子基态1420MHz（21cm 波段）超精细跃迁的受激发射。1963年由星际波谱确认太空中存在(OH)基团,这是60年代天文学上四大发现之一。此后陆续发现宇宙空间中还存在有H、CO、HCN、HCO 等60多种分子或原子团。有些分子和原子团(自由基)如HCgN、NHC和HCO等是在地面上的实验室从来没有发现过的或极不稳定的，但在星际空间极为稳定，能长期存在。星际分子波谱的研究向人们提供了了解星际分子的激发机理、分子的形成或分解过程及其机理的信息。这些知识关系到天体演化、生命起源和原子核的形成和动态反应等极有意义的问题；是天文学、物理学、化学和生物学上相互关联的活跃的前沿研究课题。

和其他学科的关系　波谱学的研究，导致微波受激发射放大（量子放大）的出现，实现了超低噪声放大和超纯频率的高稳定振荡、导致激光的问世，并开辟了量子电子学这一新兴学科。氢激射器的研制建立，得到截至2019年长期频率稳定度最优(达10)的自激型的原子钟。光抽运铷激光器的成功运转，建立了秒以下短期频率稳定度最佳（优于10）的频率标准。

波谱学上频率的准确测定提高了物理学基本单位和基本常数的准确度，验证了相对论，推动了原子、分子及其凝聚态的结构和运动的准确实验和理论计算，激励了量子电动力学的产生，对自然科学、应用科学和工程技术的高精度和高准确计量，起了先导的作用。

波谱学理论和分析技术应用于化学方面，可分析有机分子的立体结构、催化机理、瞬态反应等；应用于生物学方面,可分析酶、激毒、细胞膜等生物大分子,并有助于对癌的早期诊断和开展遗传工程的研究；核磁共振的自旋密度成像技术及核磁显微镜为生物医学研究和应用提供了绝妙的手段。此外还可用作各种材料高纯度的准确测定、超痕量杂质的分析、同位素的高效分离、药物纯度的高准确鉴定、环境污染的痕量分析和土壤成分的细致分析等。

波谱学的前沿研究有高激发态原子、分子的探测；强电磁场下原子态的研究；高分辨激光光谱，激光高速冷却，囚禁和测量单个原子，高分辨固体核磁共振和核电四极共振，以及质子核磁成像和超导、超流情态下的共振等。配合傅里叶变换和计算机的控制和分析，灵活应用双共振和多重共振，还可使波谱学的分析能力、准确度、探测效率不断地提高。

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