Výzkumný objekt
Mikrovlnná spektroskopie je odvětví fyziky, které studuje chování, strukturu a pohyb hmoty prostřednictvím rezonanční interakce vysokofrekvenčních nebo mikrovlnných elektromagnetických polí s hmotou, označované jako spektroskopie . Jeho výzkumnými objekty mohou být atomy, molekuly a jejich kondenzované látky nebo neutrony, protony, elektrony, atomová jádra a plazma. Experimentální pozorování lze provádět buď v ustáleném stavu, nebo v dynamickém stavu nebo dokonce v krátkém přechodném stavu. Frekvenční rozsah vysokofrekvenčních a mikrovlnných elektromagnetických vln je asi 10 až 10 Hz. S rozvojem teorie a experimentální technologie se spektroskopie rozšiřuje i do vyšších frekvenčních pásem.
Výzkum spektroskopie se dělí především na: ①rezonanční emisi nebo absorpci atomů a molekul (vzácný plyn, atomový paprsek, molekulární paprsek); ②elektronová spinová rezonance (elektronová paramagnetická rezonance); ③jaderná magnetická rezonance ④jaderná kvadrupólová rezonance; ⑤Dvojitá rezonance a vícenásobná rezonance (viz optická magnetická rezonance). Tento článek se zabývá pouze důležitým vývojem v atomové a molekulární fyzice a aplikací spektroskopie související se spektroskopií.
Poddisciplína fyziky, která studuje chování, strukturu a pohyb hmoty prostřednictvím rezonanční interakce vysokofrekvenčních nebo mikrovlnných elektromagnetických polí a hmoty. Označuje se jako spektroskopie. Předmětem výzkumu mohou být atomy, molekuly a jejich kondenzované látky, ale také neutrony, protony, elektrony, atomová jádra a plazma. Experimentální pozorování lze provádět v ustáleném stavu, nebo v dynamickém stavu nebo dokonce v krátkém přechodném stavu. Frekvenční rozsah spektra je 109-1011 Hz.
Disciplinární historie
Před třicátými léty se spektroskopické experimenty v atomové fyzice prováděly hlavně v pásmu viditelného světla, hlavně měření vlnových délek, měření jemné struktury a hyperjemné struktury spektra Přesnost měření molekul spektra nejsou vysoká a přesnost měření molekulových spekter není vysoká. Po druhé světové válce zaznamenala elektronika a mikrovlnná technika velký pokrok, výrazně se zlepšila citlivost a rozlišovací schopnost detekčních přístrojů a inovovala se i experimentální technologie. Mikrovlnná spektroskopie je založena především na měření frekvence. Využívá oscilátory, magnetrony, klystrony atd. pro generování jednofrekvenčních mikrovln. Prostřednictvím paralelních kovových drátů, koaxiálních drátů nebo vlnovodů pronikají do rezonanční dutiny obsahující analyt, aby detekovaly přítomnost látky. Odezva útlumu záření způsobeného pomalu se měnícím elektrickým nebo magnetickým polem v průběhu času. Metodou mikrovlnné spektroskopie byla přesně změřena ultrajemná struktura některých atomů, Lambův posun, anomální magnetické momenty elektronů a mionů, délky molekulových vazeb atd.
Vývoj mikrovlnné spektroskopie vedl ke vzniku mikrovlnného kvantového zesílení, nástupu laserů, vynálezu atomových hodin a zavedení frekvenčních standardů, které otevřely vznikající vědu o kvantové elektronice. Přesné měření frekvence vedlo k podstatnému zvýšení přesnosti fyzikálních konstant, což sehrálo důležitou roli v podpoře rozvoje přírodních věd, aplikovaných věd a inženýrských technologií.
Před koncem 30. let 20. století byly spektroskopické experimenty v atomové fyzice prováděny hlavně v pásmu viditelného světla. Měřil především vlnové délky. V té době jen některé nukleární magnetické hyperjemné struktury a málo Vliv jaderného elektrického kvadrupólového momentu na to (viz ultrajemná struktura atomového spektra), přesnost měření není vysoká; v molekulární fyzice, protože spektrum molekulárního pásma je hlavně v infračerveném pásmu, citlivost a rozlišení pozorovacího přístroje v té době horší, je obtížnější přesně změřit molekulární strukturu a ultrajemné efekty.
V roce 1933 C.E. Clitton a N.H. Williams poprvé prozkoumali spektrum molekul amoniaku v mikrovlnném pásmu, které se stalo prvním v mikrovlnné spektroskopii. V roce 1938 proběhl slavný experiment I.I. Rabbi a kol. propagoval studium rezonance elektromagnetických vln atomovými a molekulárními paprsky. Po druhé světové válce se díky pokrokům v elektronice a mikrovlnné technice výrazně zlepšila citlivost a rozlišovací schopnost detekčních přístrojů a díky inovaci experimentální technologie se atomy jiné než srážkové metody (viz srážka elektronů s atomy ) byly výrazně vylepšeny. A důležité experimenty molekulární fyziky se provádějí především rezonanční metodou v mikrovlnném pásmu. Zavojsky (1945) o elektronové spinové rezonanci, F. Bloch a EM Persel (1946) o nukleární magnetické rezonanci, HG De Meert a H. Kruger (1951) o jaderném kvadrupólu Úspěch experimentu s pozorováním momentové rezonance umožnil spektroskopii rychle rozšířit do rádiového frekvenčního pásma. A. Castler (1950), počátek optického čerpání (viz laser), a vznik rádiové mezihvězdné spektroskopie (1951), obohatily a obohatily obsah spektroskopie. Měření spektroskopie je založeno především na frekvenci. Přesnost tohoto měření je obecně více než milionkrát vyšší než výsledky získané měřením vlnových délek ve viditelném a infračerveném pásmu. Díky zlepšení přesnosti měření se postupně objevovala nová pozorování.
Disciplinární úspěchy
Určení atomové magnetické hyperjemné struktury
Už v roce 1927 lidé používali iont vizmutu (Bi) Ve spektroskopickém experimentu byla objevena magnetická hyperjemná struktura atomárních čar. Po použití metody atomové mikrovlnné rezonance pro měření se přesnost měření výrazně zlepšila. Vynikajícím úspěchem je měření ultrajemné přechodové frekvence základního stavu cesia [914-1], přesnost může dosáhnout 1×10; a bylo provedeno mnoho bezprecedentních měření. Měřený atom. V roce 1954 byl také měřen vliv atomárních magnetických oktopolových momentů, jako je jód (I), indium (In) a galium (Ga).
Lambův posun Dalším vynikajícím úspěchem experimentu mikrovlnné atomové spektroskopie je měření vlivu radiačního pole na atomový stav a zjištění, že Lambův posun, jako je 2sS stav vodíku posun stavu 2pP je 1057,845±0,009 MHz (dva stavy Bohrovy a Dickovy teorie jsou shodné), což vedlo k založení kvantové elektrodynamické teorie. Po nástupu laseru v roce 1960 byl pomocí nové technologie objeven a změřen posun 1sS Lamb základního stavu atomu vodíku.
Variace Podle experimentálního stanovení a teoretického výpočtu bylo zjištěno, že elektronový a sub-spinový faktor [kg2][kg2] (měl by být [kg2]2) a konstanta jemné struktury [ kg2][ kg2] variace. Měření elektronů je 2× (1,001159622±0,000000027) (viz atomový magnetický moment) a převrácená hodnota konstanty jemné struktury přechodu základního stavu atomu vodíku je 137,0357±0,0008.
Přesné určení ultrajemné struktury jaderných kvadrupólů V přírodě existuje mnoho rozložení jaderného náboje, které se odchylují od sférické symetrie. Je zjištěno v abnormální změně hyperjemné struktury, která [kg2] teoreticky využívá energetickou korekci interakce mezi kvadrupólovým momentem jaderné energie a gradientem okolního elektrického pole (označovanou jako vazba kvadrupólového momentu jaderné energie) k získání vysvětlení. Po použití atomového paprsku k měření frekvence v mikrovlnném pásmu se přesnost zlepšila a bylo naměřeno mnoho konstant vazby kvadrupólového momentu jaderné energie. Po použití radiofrekvenční jaderné kvadrupólové rezonance k přímému změření frekvence byla práce odvedena rychleji. Kromě výrazného zlepšení přesnosti měření také měřila chemickou strukturu kvadrupólové vazby jaderné energie, teplotu pevné mřížky, změnu fáze, dislokaci a defekty, doping, čistotu, tepelné vibrace atd. V roce 1954 byla také změřena radiofrekvenční a mikrovlnná spektroskopie.
Studiem interakce mezi mikrovlnami a hmotou, vědou o získávání úrovní molekulární rotační energie (viz molekulární spektroskopie) a souvisejících přechodových informací. Mikrovlny jsou vlny o vlnových délkách od 1 do 1000 milimetrů, které jsou rozděleny do několika pásem podle svých vlnových délek:
Mikrovlnná struktura
Energie mikrovlnných fotonů je velmi malá, což je přibližně stejné jako při pohybu molekul. Rozdíl úrovně rotační energie molekul těžkého atomu nebo menší, jako je inverze NH3 (viz molekulární symetrie), rozdíl úrovně pohybové energie a některé jemnější rozdíly úrovně energie. Stejně jako ostatní elektromagnetické vlny musí být absorpce a emise mikrovln doprovázeny změnami elektrických dipólů nebo přechodů, jako jsou elektrické kvadrupóly, Zeemanovy jevy a Starkovy jevy.
Mikrovlny se liší od vzdálených infračervených paprsků s kratšími vlnovými délkami a běžných rádiových vln s delšími vlnovými délkami při generování, přenosu a detekci a také detekční přístroje používané v různých vlnových pásmech se liší. Důvodem je to, že mikrovlny jsou přenášeny a přenášeny ve vlnovodu.
Vlnovod je obdélníková kovová trubice a vnitřek trubice je hladce potažen stříbrem, aby se zabránilo ztrátám energie. Průřez trubky použité v S-pásmu je 76,2 mm × 25,4 mm a průřez R-pásu je 7,02 mm × 3,15 mm. Mikrovlny jsou generovány klystrony nebo magnetrony a jejich monochromatičnost je dobrá, takže není potřeba používat spektroskopické zařízení, jaké se používá v optické spektroskopii. Mikrovlny jsou obecně detekovány krystalovými diodami; nebo Starkova modulační metoda, která může také snížit šum a zvýšit citlivost; někdy lze použít i jiné modulační metody.
Oblast použití
Mikrovlnné spektrum je vysoce přesné. Například rotační přechod základního stavu 1←0 molekuly oxidu uhelnatého má frekvenci 3,84553319 cm-1.
Energetické rozlišení mikrovlnného spektra je mnohem vyšší než u obecného optického spektra, takže jsme jej nejprve použili k získání přesnějších dat molekulárního momentu setrvačnosti. Tato data ve spojení s využitím izotopových efektů mohou určit vzdálenost mezi jádry v molekule. Mezijaderná vzdálenost získaná touto metodou je stále nejpřesnější a může dosáhnout sedmé a osmé platné číslice. Obecně lze vzdálenost mezi jádry dvouatomových molekul získat přímo a lze také získat tříatomové molekuly. U molekul s více atomy musí být získán izotopovými molekulami. Je to proto, že rotační spektrum může poskytnout pouze tři momenty setrvačnosti.
Kromě rotačního pohybu v molekulách existuje mnoho dalších pohybů, jejichž energetický rozdíl je v rozsahu mikrovlnné energie, jako je například nejznámější inverzní padákový pohyb čpavku. Amoniak NH3 je molekula kuželovitého tvaru. Tři atomy H jsou na rovině H3 a tvoří rovnostranný trojúhelník a atom N je na vrcholu kužele. Překonání potenciální bariéry vyžaduje energii, když N prochází rovinou H3. Tato energie není velká. Proto, když teplota není příliš nízká, atom N může v podstatě procházet rovinou H3, někdy nad ní a někdy pod ní. Podle kvantové mechaniky je příslušná energetická hladina v tuto chvíli rozdělena na dvě. Tento pohyb je jako deštník, proto se nazývá inverzní pohyb deštníku. Rozdíl v energetické hladině tohoto rozdělení lze pozorovat z mikrovlnného spektra, a tak zahájit studium podobných potenciálních bariér v několika molekulách.
Při studiu molekulární struktury lze mikrovlny použít také při analýze elektrické kvadrupólové jemné struktury a magnetické hyperjemné struktury a nukleární magnetický moment lze získat analýzou hyperjemné struktury. Výsledky získané studiem Zeemanova jevu a Starkova jevu mohou ověřit závěr výpočtu kvantové mechaniky. V atomovém spektru spadá mnoho spektrálních čar do mikrovlnné oblasti, takže jeho aplikace není omezena na molekuly.
Vzhledem k tomu, že mikrovlnné spektrum je vysoce citlivé a jedinečné, lze mikrovlny použít k analýze a identifikaci (viz například obrázek), jakož i ke stanovení volných radikálů a meziproduktů chemických reakcí. Nejvýraznějším příkladem je, že chemie mezihvězdného prostoru vzešla ze studia mikrovln. Zpočátku byl v radioteleskopu pozorován přechod atomů vodíku o vlnové délce 21 cm a poté byl objeven dvoučárový přechod Λ skupiny OH. Později byly postupně objeveny CH, CH+, CN, NH3, H2O, CH2O, CO, HCN, CH3OH, HCOOH, CH3CCH, HNCO, OCS atd. Ty se měří na základě laboratorních dat. Dvě neznámé silné linie byly objeveny v roce 1971 a nikdy nebyly pozorovány v laboratoři. Po výpočtech a experimentech bylo mnoha způsoby, jako je C2H, prokázáno, že byl produkován skupinou C2H, což ukazuje, že v mezihvězdném prostoru jsou velmi podivné molekuly. Později bylo objeveno velké množství sloučenin mezihvězdného prostoru jako N2H, HCO+, HNC, C3N, C4H a H(C2)nCN (n=0,1,2,3). Tyto podivné molekuly mohou souviset se vznikem života.
Protože rozlišení mikrovlnného spektra je mnohem vyšší než u infračerveného spektra, někteří lidé používají velmi stabilní frekvenční laser a mikrovlny k vytvoření spektra dvojité rezonance, které je nejen ve spektrální oblasti laseru, ale má také vyšší rozlišení. .