射頻和微波波譜學是通過射頻或微波電磁場與物質的共振相互作用，研究物質的性態、結構和運動的物理學分支學科，簡稱波譜學。它研究的對象可以是原子、分子及其凝聚態，也可以是中子、質子、電子、原子核和電漿等。實驗觀察既可以在穩定狀態，也可以在動態甚至在短暫的瞬態中進行。射頻和微波電磁波的頻率範圍約為104～1012Hz，隨著理論和實驗技術的發展，波譜學正在向更高頻段延伸。
基本介紹
- 中文名：射頻和微波波譜學
- 外文名：RF and microwave spectroscopy
- 研究對象：原子、分子及其凝聚態，中子、質子、電子、原子核和電漿
- 簡稱：波譜學
基本信息,歷史發展,
基本信息
通過射頻或微波電磁場與物質的共振相互作用，研究物質的性態、結構和運動的物理學分支學科，簡稱波譜學。它研究的對象可以是原子、分子及其凝聚態，也可以是中子、質子、電子、原子核和電漿等。實驗觀察既可以在穩定狀態，也可以在動態甚至在短暫的瞬態中進行，射頻和微波電磁波的頻率範圍約為10～10Hz，隨著理論和實驗技術的發展，波譜學正在向更高頻段延伸。
波譜學的研究主要分為：①原子、分子（稀薄氣體、原子束、分子束）的共振發射或吸收；②電子自旋共振(電子順磁共振)；③核磁共振；④核電四極矩共振；⑤雙共振和多重共振（見光磁共振）。本條僅述及與波譜學相關的原子、分子物理學的重要發展以及波譜學的套用問題。
簡史 20世紀30年代末期以前，原子物理的光譜學實驗主要在可見光波段內進行,它以測量波長為主，當時只能觀察和初步測量一些核的磁超精細結構及少數核的電四極矩對其的影響(見原子光譜的超精細結構)，測量準確度不高；在分子物理方面，因分子帶狀光譜主要在紅外波段,當時觀察儀器的靈敏度和解析度都較差,準確測量分子結構和超精細作用等更為不易。
歷史發展
1933年C.E.克利頓和N.H.威廉斯首先在微波波段探索氨分子的譜線，成為微波波譜學的先河。1938年I.I.拉比等人的著名實驗開創了原子束和分子束對電磁波共振的研究。第二次世界大戰以後，由於電子學和微波技術的進展，探測儀器的靈敏度、解析度有了大幅度的提高，又因實驗技術的革新，除碰撞法（見電子同原子碰撞）外的原子和分子物理重要實驗，主要是在微波波段內以共振方法進行的。И.К.扎沃伊斯基(1945)對電子自旋共振、F.布洛赫和E.M.珀塞耳(1946)對背邀元核磁共振、H.G.德梅爾特和H.克呂歡汽格爾(1951)對核電四極矩共振實驗觀察的成功，使波譜學迅速擴展到射頻波段。A.卡斯特勒（1950）光抽運的倡始（見雷射器），射電星際波譜(1951)的出現，使波譜學內容更加豐富充實。波譜學的測量以頻率為主,這種測量的準確度比可見光和紅外波段內測量波長所得的結果，一般提高百萬倍以上。因測量準確度的提高，觀察到的新現象接踵出現。
原子磁超精細結構的測定 早在1927年，人們由鉍(戵Bi)離子的光譜實驗中發現了原子譜線的磁超精細結構。採用原子微波共振法進行測量後，測量準確度提高很多,突出的成就是對銫的基態超精細躍遷頻率的測量,準確度可達1×10；並測定了許多前所未測的原子。1954年還測得碘 (屭I)、銦(屟In)、鎵(Ga)等原子磁八極矩的影響。
射頻和微波波譜學
射頻和微波波譜學
蘭姆移位 微波原子波譜實驗的另一突出成就是測出輻射場對原子態的影響,發現蘭姆移位,如氫的2sS態對2pP態的移位為1057.845±0.009MHz（依玻爾和狄喇克理論這二態是重合的），導致了量子電動力學理論的建立。1960年雷射問世後，採用新的技術，又發現和測定了氫原子基態1sS的蘭姆移位。
、變異 由實驗測定結合理論計算，發現電子和±子自旋因子（付嚷鞏遙應為2）和精細結構常數的變異。測定電子的為2×（1.001159622±0.000000027）（見原子磁矩）,氫原子基態躍遷的精細糠槓霸定結構常數的倒數為137.0357±0.0008。
核電四極矩超精細結構的準確測定 自然界中有許多原子核電荷的分布偏離球形對稱，早在20世紀30年代在銪離子(懹Eu)的磁超精細結構的異變中發現,理論上借核電四極矩和它周圍電場梯度相互作用（簡稱核電四極矩耦合）的能量校正，得到解釋。用原子束在微波波段進行頻率測量後，提高了準確度，並測得了許多核電四極矩耦合常數。用射頻核四極共振直接測量頻率後，工作開展得更快,除大幅度提高了測量準確度外,還測出核電四極矩耦合受化學結構、固體點陣溫度、相變、位錯、格危乘缺陷、摻雜、純度、熱振動等影響。1954年，又測出殃霉諒了核電十六極矩的影響（見核促匪蒸電四極矩共振）。
分子結構的準確測定 利用微波分子波譜方法對分子結構作了大量的高準確測定。如用微波共振法對CsCl分子測定了Cl 和Cl 的同位素質量比為 0.9459781±0.0000030，測定OCS分子中的鍵長為：還準確測量了分子中原子的質量和超精細結構常數等。
射頻和微波波譜學星際分子波譜的研究 星際波譜學是射頻波譜學滲透到天文學中的邊緣學科。1951年首次發現太空中存在氫原子基態1420MHz（21cm 波段）超精細躍遷的受激發射。1963年由星際波譜確認太空中存在(OH)基團,這是60年代天文學上四大發現之一。此後陸續發現宇宙空間中還存在有H、CO、HCN、HCO 等60多種分子或原子團。有些分子和原子團(自由基)如HCgN、NHC和HCO等是在地面上的實驗室從來沒有發現過的或極不穩定的，但在星際空間極為穩定，能長期存在。星際分子波譜的研究向人們提供了了解星際分子的激發機理、分子的形成或分解過程及其機理的信息。這些知識關係到天體演化、生命起源和原子核的形成和動態反應等極有意義的問題；是天文學、物理學、化學和生物學上相互關聯的活躍的前沿研究課題。
射頻和微波波譜學
和其他學科的關係 波譜學的研究，導致微波受激發射放大（量子放大）的出現，實現了超低噪聲放大和超純頻率的高穩定振盪、導致雷射的問世，並開闢了量子電子學這一新興學科。氫激射器的研製建立，得到截至2019年長期頻率穩定度最優(達10)的自激型的原子鐘。光抽運銣雷射器的成功運轉，建立了秒以下短期頻率穩定度最佳（優於10）的頻率標準。
波譜學上頻率的準確測定提高了物理學基本單位和基本常數的準確度，驗證了相對論，推動了原子、分子及其凝聚態的結構和運動的準確實驗和理論計算，激勵了量子電動力學的產生，對自然科學、套用科學和工程技術的高精度和高準確計量，起了先導的作用。
波譜學理論和分析技術套用於化學方面，可分析有機分子的立體結構、催化機理、瞬態反應等；套用於生物學方面,可分析酶、激毒、細胞膜等生物大分子,並有助於對癌的早期診斷和開展遺傳工程的研究；核磁共振的自旋密度成像技術及核磁顯微鏡為生物醫學研究和套用提供了絕妙的手段。此外還可用作各種材料高純度的準確測定、超痕量雜質的分析、同位素的高效分離、藥物純度的高準確鑑定、環境污染的痕量分析和土壤成分的細緻分析等。
波譜學的前沿研究有高激發態原子、分子的探測；強電磁場下原子態的研究；高分辨雷射光譜，雷射高速冷卻，囚禁和測量單個原子，高分辨固體核磁共振和核電四極共振，以及質子核磁成像和超導、超流情態下的共振等。配合傅立葉變換和計算機的控制和分析，靈活套用雙共振和多重共振，還可使波譜學的分析能力、準確度、探測效率不斷地提高。
、變異 由實驗測定結合理論計算，發現電子和±子自旋因子（應為2）和精細結構常數的變異。測定電子的為2×（1.001159622±0.000000027）（見原子磁矩）,氫原子基態躍遷的精細結構常數的倒數為137.0357±0.0008。
核電四極矩超精細結構的準確測定 自然界中有許多原子核電荷的分布偏離球形對稱，早在20世紀30年代在銪離子(懹Eu)的磁超精細結構的異變中發現,理論上借核電四極矩和它周圍電場梯度相互作用（簡稱核電四極矩耦合）的能量校正，得到解釋。用原子束在微波波段進行頻率測量後，提高了準確度，並測得了許多核電四極矩耦合常數。用射頻核四極共振直接測量頻率後，工作開展得更快,除大幅度提高了測量準確度外,還測出核電四極矩耦合受化學結構、固體點陣溫度、相變、位錯、缺陷、摻雜、純度、熱振動等影響。1954年，又測出了核電十六極矩的影響（見核電四極矩共振）。
分子結構的準確測定 利用微波分子波譜方法對分子結構作了大量的高準確測定。如用微波共振法對CsCl分子測定了Cl 和Cl 的同位素質量比為 0.9459781±0.0000030，測定OCS分子中的鍵長為：還準確測量了分子中原子的質量和超精細結構常數等。
射頻和微波波譜學星際分子波譜的研究 星際波譜學是射頻波譜學滲透到天文學中的邊緣學科。1951年首次發現太空中存在氫原子基態1420MHz（21cm 波段）超精細躍遷的受激發射。1963年由星際波譜確認太空中存在(OH)基團,這是60年代天文學上四大發現之一。此後陸續發現宇宙空間中還存在有H、CO、HCN、HCO 等60多種分子或原子團。有些分子和原子團(自由基)如HCgN、NHC和HCO等是在地面上的實驗室從來沒有發現過的或極不穩定的，但在星際空間極為穩定，能長期存在。星際分子波譜的研究向人們提供了了解星際分子的激發機理、分子的形成或分解過程及其機理的信息。這些知識關係到天體演化、生命起源和原子核的形成和動態反應等極有意義的問題；是天文學、物理學、化學和生物學上相互關聯的活躍的前沿研究課題。
射頻和微波波譜學
和其他學科的關係 波譜學的研究，導致微波受激發射放大（量子放大）的出現，實現了超低噪聲放大和超純頻率的高穩定振盪、導致雷射的問世，並開闢了量子電子學這一新興學科。氫激射器的研製建立，得到截至2019年長期頻率穩定度最優(達10)的自激型的原子鐘。光抽運銣雷射器的成功運轉，建立了秒以下短期頻率穩定度最佳（優於10）的頻率標準。
波譜學上頻率的準確測定提高了物理學基本單位和基本常數的準確度，驗證了相對論，推動了原子、分子及其凝聚態的結構和運動的準確實驗和理論計算，激勵了量子電動力學的產生，對自然科學、套用科學和工程技術的高精度和高準確計量，起了先導的作用。
波譜學理論和分析技術套用於化學方面，可分析有機分子的立體結構、催化機理、瞬態反應等；套用於生物學方面,可分析酶、激毒、細胞膜等生物大分子,並有助於對癌的早期診斷和開展遺傳工程的研究；核磁共振的自旋密度成像技術及核磁顯微鏡為生物醫學研究和套用提供了絕妙的手段。此外還可用作各種材料高純度的準確測定、超痕量雜質的分析、同位素的高效分離、藥物純度的高準確鑑定、環境污染的痕量分析和土壤成分的細緻分析等。
波譜學的前沿研究有高激發態原子、分子的探測；強電磁場下原子態的研究；高分辨雷射光譜，雷射高速冷卻，囚禁和測量單個原子，高分辨固體核磁共振和核電四極共振，以及質子核磁成像和超導、超流情態下的共振等。配合傅立葉變換和計算機的控制和分析，靈活套用雙共振和多重共振，還可使波譜學的分析能力、準確度、探測效率不斷地提高。
