Изследователски обект
Микровълновата спектроскопия е клон на физиката, който изучава поведението, структурата и движението на материята чрез резонансно взаимодействие на радиочестотни или микровълнови електромагнитни полета с материята, наричано спектроскопия . Неговите обекти на изследване могат да бъдат атоми, молекули и тяхната кондензирана материя или неутрони, протони, електрони, атомни ядра и плазма. Експерименталното наблюдение може да се извърши или в стабилно състояние, или в динамично състояние, или дори в кратко преходно състояние. Честотният диапазон на радиочестотните и микровълновите електромагнитни вълни е около 10 до 10 Hz. С развитието на теорията и експерименталната технология, спектроскопията се разширява до по-високи честотни ленти.
Изследванията на спектроскопията се разделят основно на: ①резонансна емисия или абсорбция на атоми и молекули (разреден газ, атомен лъч, молекулярен лъч); ②електронен спинов резонанс (електронен парамагнитен резонанс); ③ядрено-магнитен резонанс ④Ядрен квадруполен резонанс; ⑤Двоен резонанс и множествен резонанс (вижте оптичен магнитен резонанс). Тази статия разглежда само важни развития в атомната и молекулярната физика и приложението на спектроскопията, свързано със спектроскопията.
Поддисциплината на физиката, която изучава поведението, структурата и движението на материята чрез резонансно взаимодействие на радиочестотни или микровълнови електромагнитни полета и материя. Нарича се спектроскопия. Обектите на изследване могат да бъдат атоми, молекули и тяхната кондензирана материя, но също така неутрони, протони, електрони, атомни ядра и плазма. Експерименталните наблюдения могат да се извършват в стабилно състояние, в динамично състояние или дори в кратко преходно състояние. Честотният диапазон на спектъра е 109～1011 Hz.
Дисциплинарна история
Преди 30-те години на миналия век спектроскопските експерименти в атомната физика се провеждаха главно във видимата светлина, като основно се измерваха дължини на вълните, измерваха фината структура и свръхфината структура на спектъра. Точността на измерване на молекулярни спектрите не са високи и точността на измерване на молекулните спектри не е висока. След Втората световна война електрониката и микровълновата технология постигнаха голям напредък, чувствителността и разделителната способност на инструментите за откриване бяха значително подобрени, а експерименталната технология също беше обновена. Микровълновата спектроскопия се основава главно на измерване на честотата. Той използва осцилатори, магнетрони, клистрони и др. за генериране на едночестотни микровълни. Чрез успоредни метални проводници, коаксиални проводници или вълноводи те проникват в резонансната кухина, съдържаща аналита, за да открият наличието на веществото. Реакцията на затихване на радиацията, причинена от бавно променящо се електрическо или магнитно поле във времето. С помощта на метода на микровълновата спектроскопия бяха точно измерени ултрафината структура на някои атоми, отместването на Ламб, аномалните магнитни моменти на електроните и мюоните, дължините на молекулните връзки и др.
Развитието на микровълновата спектроскопия доведе до появата на микровълновото квантово усилване, появата на лазерите, изобретяването на атомните часовници и установяването на честотни стандарти, което отвори нововъзникващата наука за квантовата електроника. Точното измерване на честотата доведе до значително повишаване на точността на физическите константи, което изигра важна роля в насърчаването на развитието на естествените науки, приложните науки и инженерните технологии.
Преди края на 30-те години на миналия век спектроскопските експерименти в атомната физика се провеждаха главно във видимата светлина. Основно измерва дължини на вълните. По това време само някои ядрени магнитни хиперфини структури и няколко Влиянието на ядрения електрически квадруполен момент върху него (виж ултра фината структура на атомния спектър), точността на измерване не е висока; в молекулярната физика, тъй като спектърът на молекулярната лента е главно в инфрачервената лента, чувствителността и разделителната способност на инструмента за наблюдение по това време са по-ниски, по-трудно е точното измерване на молекулната структура и ултра-фините ефекти.
През 1933 г. К. Е. Клитън и Н. Х. Уилямс за първи път изследват спектъра на молекулите на амоняка в микровълновата лента, което става първото в микровълновата спектроскопия. През 1938 г. известният експеримент на I.I. Раби и др. е пионер в изследването на резонанса на електромагнитните вълни от атомни и молекулярни лъчи. След Втората световна война, поради напредъка в електрониката и микровълновата технология, чувствителността и разделителната способност на инструментите за откриване са значително подобрени и поради иновациите на експерименталната технология, атоми, различни от метода на сблъсък (вижте сблъсъка на електрони с атоми ) са значително подобрени. И важни експерименти на молекулярната физика се извършват главно чрез резонансен метод в микровълновата лента. Zavojsky (1945) за електронния спинов резонанс, F. Bloch и EM Persel (1946) за ядрено-магнитния резонанс, HG De Meert и H. Kruger (1951) за квадрупола на ядрената енергия Успехът на наблюдението на експеримента за моментен резонанс позволи спектроскопията да бързо се разширява до радиочестотната лента. A. Castler (1950 г.), началото на оптичното изпомпване (виж лазер) и появата на радиомеждузвездната спектроскопия (1951 г.) обогатяват и обогатяват съдържанието на спектроскопията. Измерването на спектроскопията се основава главно на честотата. Точността на това измерване обикновено е повече от милион пъти по-висока от резултатите, получени чрез измерване на дължини на вълните във видимия и инфрачервения диапазон. Поради подобряването на точността на измерванията, едно след друго се появиха нови наблюдения.
Дисциплинарни постижения
Определяне на атомна магнитна хиперфина структура
Още през 1927 г. хората са използвали бисмутов (Bi) йон. Магнитната свръхфина структура на атомните линии е открита в спектроскопския експеримент. След като за измерване се използва методът на атомния микровълнов резонанс, точността на измерване се подобрява значително. Изключителното постижение е измерването на ултра фината преходна честота на основното състояние на цезий [914-1], като точността може да достигне 1×10; и са направени много безпрецедентни измервания. Измерен атом. През 1954 г. е измерено и влиянието на атомните магнитни октополни моменти като йод (I), индий (In) и галий (Ga).
Изместване на Ламб Друго изключително постижение на експеримента с микровълнова атомна спектроскопия е измерването на влиянието на радиационното поле върху атомното състояние и установяването, че изместването на Ламб, като например състоянието 2sS на водорода изместването на състоянието 2pP е 1057.845±0.009MHz (двете състояния на теорията на Бор и Дик съвпадат), което доведе до създаването на теорията на квантовата електродинамика. След появата на лазера през 1960 г., използвайки нова технология, беше открито и измерено 1sS Lamb изместване на основното състояние на водородния атом.
Вариация Според експериментално определяне и теоретично изчисление е установено, че коефициентът на електрон и подспин [kg2][kg2] (трябва да бъде [kg2]2) и константата на фината структура [ kg2][ kg2] вариация. Измерването на електроните е 2×(1,001159622±0,000000027) (вижте атомния магнитен момент), а реципрочната стойност на константата на фината структура на прехода на основното състояние на водородния атом е 137,0357±0,0008.
Точно определяне на ултрафината структура на ядрените квадруполи В природата има много разпределения на ядрения заряд, които се отклоняват от сферичната симетрия. Установено е в анормалната промяна на свръхфината структура, че [kg2] теоретично използва енергийната корекция на взаимодействието между квадруполния момент на ядрената енергия и околния градиент на електрическото поле (наричан свързването на квадруполния момент на ядрената енергия), за да получи обяснение. След използване на атомния лъч за измерване на честотата в микровълновата лента, точността е подобрена и са измерени много константи на свързване на квадруполния момент на ядрената енергия. След използването на радиочестотния ядрен квадруполен резонанс за директно измерване на честотата, работата беше извършена по-бързо. В допълнение към значителното подобряване на точността на измерването, той също така измерва химическата структура на квадруполното свързване на ядрената енергия, температурата на твърдата решетка, фазовата промяна, дислокацията и дефектите, допинга, чистотата, топлинните вибрации и т.н. През 1954 г. са измерени и радиочестотна и микровълнова спектроскопия.
Чрез изучаване на взаимодействието между микровълните и материята, науката за получаване на молекулярни ротационни енергийни нива (вижте молекулярна спектроскопия) и свързаната информация за прехода. Микровълните са вълни с дължини на вълните от 1 до 1000 милиметра, които са разделени на няколко ленти според техните дължини на вълните:
Микровълнова структура
Енергията на микровълновите фотони е много малка, което е почти същото при движението на молекулите. Разлика в нивото на енергия на въртене на тежки атомни молекули или по-малки, като например инверсия на NH3 (вижте молекулярна симетрия), разлика в нивото на енергия на движение и някои по-фини разлики в енергийните нива. Подобно на други електромагнитни вълни, поглъщането и излъчването на микровълните трябва да бъде придружено от промени в електрическите диполи или преходи като електрически квадруполи, ефекти на Zeeman и ефекти на Stark.
Микровълните се различават от далечните инфрачервени лъчи с по-къси дължини на вълните и обикновените радиовълни с по-дълги дължини на вълните при генериране, предаване и откриване, а инструментите за откриване, използвани в различни вълнови ленти, също са различни. Това е така, защото микровълновата печка се транспортира и предава във вълновода.
Вълноводът е правоъгълна метална тръба, а вътрешността на тръбата е гладко сребърна, за да се предотврати загубата на енергия. Напречното сечение на тръбата, използвана в S-лентата, е 76,2 mm × 25,4 mm, а напречното сечение на R-лентата е 7,02 mm × 3,15 mm. Микровълните се генерират от клистрони или магнетрони и тяхната монохроматичност е добра, така че не е необходимо да се използва спектроскопско оборудване като това, което се използва в оптичната спектроскопия. Микровълните обикновено се откриват от кристални диоди; или метод на модулация на Старк, който също може да намали шума и да увеличи чувствителността; понякога могат да се използват и други модулационни методи.
Област на приложение
Микровълновият спектър е много точен. Например, ротационният преход на основното състояние 1 ←0 на молекулата на въглеродния окис има честота 3,84553319 cm-1.
Енергийната разделителна способност на микровълновия спектър е много по-висока от тази на общия оптичен спектър, така че първо я използвахме, за да получим по-точни данни за молекулярния инерционен момент. Тези данни, съчетани с използването на изотопни ефекти, могат да определят разстоянието между ядрата в една молекула. Междуядреното разстояние, получено чрез този метод, все още е най-точно и може да достигне седмата и осмата значеща цифра. Като цяло разстоянието между ядрата на двуатомните молекули може да се получи директно и могат да се получат и триатомни молекули. За молекули с повече атоми трябва да се получи чрез изотопни молекули. Това е така, защото ротационният спектър може да даде само три момента на инерция.
В допълнение към въртеливото движение в молекулите, има много други движения, чиято разлика в енергийните нива е в обхвата на микровълновата енергия, като най-известното инверсионно парашутно движение на амоняка. Амонякът NH3 е молекула с форма на конус. Три Н атома са в равнина Н3, за да образуват равностранен триъгълник, а N атомът е на върха на конуса. Необходима е енергия за преодоляване на потенциалната бариера, когато N преминава през равнината H3. Тази енергия не е голяма. Следователно, когато температурата не е твърде ниска, N атомът може основно да премине през равнината H3, понякога над нея, а понякога под нея. Според квантовата механика съответното енергийно ниво се разделя на две в този момент. Това движение е като чадър, така че се нарича инверсионно движение на чадър. Разликата в енергийните нива на това разделяне може да се наблюдава от микровълновия спектър, като по този начин започва изследването на подобни потенциални бариери в няколко молекули.
При изследването на молекулярната структура, микровълновата печка може да се използва и при анализа на електрическа квадруполна фина структура и магнитна свръхфина структура, а ядреният магнитен момент може да бъде получен от анализа на свръхфина структура. Резултатите, получени чрез изследване на ефекта на Зееман и ефекта на Старк, могат да потвърдят заключението на изчислението на квантовата механика. В атомния спектър много спектрални линии попадат в микровълновата област, така че приложението му не се ограничава до молекули.
Тъй като микровълновият спектър е силно чувствителен и уникален, микровълните могат да се използват за анализ и идентификация (вижте фигурата например), както и за определяне на свободни радикали и междинни продукти от химични реакции. Най-яркият пример е, че междузвездната космическа химия възниква от изследването на микровълните. Първоначално в радиотелескопа е наблюдаван преходът на водородните атоми при дължина на вълната 21 cm, а след това е открит двулинейният преход Λ на OH групата. По-късно бяха открити последователно CH, CH+, CN, NH3, H2O, CH2O, CO, HCN, CH3OH, HCOOH, CH3CCH, HNCO, OCS и др. Те се измерват въз основа на лабораторни данни. Две неизвестни силни линии са открити през 1971 г. и никога не са били наблюдавани в лабораторията. След изчисления и експерименти беше доказано с много средства като C2H, че е произведен от групата C2H, което показва, че има много странни молекули в междузвездното пространство. По-късно бяха открити голям брой междузвездни космически съединения като N2H, HCO+, HNC, C3N, C4H и H(C2)nCN (n=0,1,2,3). Тези странни молекули може да са свързани с произхода на живота.
Тъй като разделителната способност на микровълновия спектър е много по-висока от тази на инфрачервения спектър, някои хора използват лазер с много стабилна честота и микровълнова печка, за да образуват двоен резонансен спектър, който не е само в спектралната област на лазера, но също има по-висока резолюция. .