射频光谱学

起源

原子核的原子通常都有内在角动量(自旋),磁矩因为运动和内在的磁矩成分,核的相互作用磁场循环电子影响电子的能量状态。结果,一个原子,由几个州拥有相同的能量非磁性原子核时可能分成几个密集水平当原子核磁矩。会有不同的能量水平,根据原子核的相对取向和电子周围产生的磁场。这额外的一个原子结构的水平或引起的谱线的磁性原子核磁超精细结构。分离不同水平之间只有在相对取向磁场的原子核和电子通常范围从10⁶赫兹到10¹⁰赫兹。

原子,离子和分子转换能量从一种状态到另一个状态不同,因为一个或多个这些磁场的影响。分子也进行旋转和振动状态之间的转换。这样的转换可以自发的或可以适当的外部电磁场的应用引起的共振频率。转换也可以发生在原子、分子和离子高能电离附近的电子态之间的限制。由此产生的光谱被称为射频(rf)光谱,或微波光谱;他们通常观察到的频率范围从10⁶到10¹¹赫兹。

自发跃迁速率随着原子从一个兴奋水平更低的变化大致的多维数据集的频率转换。因此,广播高频和微波转换发生自发更迅速比在可见光和紫外线频率的转换。因此,大多数射频和微波光谱是通过迫使样品原子吸收辐射而不是等待它自发地放出辐射。这些方法促进强大的电子振荡器的可用性在整个频率范围内。主要领域的异常出现射电天文学;原子或离子的数量足够大,这样一个天文来源自发发射光谱可能收集的大型天线,然后放大并检测到低噪声冷却电子设备。

方法

第一个分子吸收光谱的测量发现磁矩的目的是在1930年代末,由美国物理学家,依拉比,和他的同事使用分子和原子束。一束聚焦的磁铁没有射频场的散焦,原子被诱导时丢失转换到其他州。射频或微波光谱被测量的原子数量仍然集中在装置,而频率是不同的。最著名的实验室实验与射频光谱进行1947年由两位美国物理学家,威利斯羊肉和罗伯特Retherford。他们的实验测量两个几乎重合的水平之间的能量差氢,指定为2²年代_1/2和2²P_1/2。虽然光学测量表明,这些能量水平可能不同,测量复杂和开放替代解释。原子理论的预测,这些水平应该有相同的能量。羊肉和Retherford表明,能量水平实际上是由大约1058兆赫;因此,理论是不完整的。这种能量在氢气分离,称为兰姆位移,导致的发展量子电动力学。

射频能量的测量时间间隔在地面水平,兴奋原子水平可以通过将样品原子(通常是一个蒸汽玻璃细胞)的线圈内一个振荡器和调优设备直到一个变化是在原子吸收的能量振荡器。的方法称为光学双共振光学辐射对应过渡原子的兴趣是通过细胞。如果被原子吸收射频辐射的水平,荧光的强度、偏振,或方向光可能会改变。这样一个敏感的光学测量指示是否一个无线电频率间隔的原子匹配频率振荡器的应用。

微波放大的受激发射的辐射(微波激射器)是由美国物理学家发明的查尔斯·汤斯,两名俄罗斯物理学家,尼古拉Basov和Alexandr普罗霍罗夫在1951年和1952年,刺激的发明激光。如果放置在一个原子腔调谐到两个原子之间的过渡的水平,这样有更多的原子激发态的基态,他们可以诱导将多余的能量进入电磁辐射谐振腔。反过来,这种辐射刺激更多的原子激发态发出辐射。从而形成一个振荡器产生了共鸣在原子频率。

微波频率原子状态之间可以测量的精度。之间的能量差超精细的基态的水平铯原子目前标准的时间间隔。一个第二个被定义为铯的时间频率振动9192631770次。这样的原子钟有一个长期的不确定性在频率小于10一部分¹³。测量时间间隔根据铯原子的振动更准确比基于地球自转因为摩擦造成的潮汐和大气的自转速率减慢(即。,我们日夜变得稍长)。由于国际时间尺度基于一个原子钟时间标准已经建立,“闰秒”必须定期引入称为规模协调世界时(UTC)把“天”与更精确的原子钟同步。

这些原子的原子核磁矩,电子的能量略取决于相对于核的方向磁场产生的电子在原子的中心附近。磁场在某种程度上取决于核环境原子的发现,反过来依赖于邻近的原子。因此物质的核磁矩的射频频谱反映成分和形式的化学绑定的物质。光谱结果当核的方向由时变振荡磁场被称为核磁共振(NMR)光谱,具有相当大的实用程序在识别有机化合物。第一个核磁共振实验独立发表在1946年由两位美国物理学家,爱德华·珀塞尔和菲利克斯•布洛赫。一个强大的医疗的应用核磁共振光谱学,磁共振成像,用于允许可视化的软组织人体。这种技术是通过测量来完成的核磁共振信号变化的磁场的三维空间。通过使用脉冲技术,核磁共振信号强度的质子(氢)共振共振频率的函数,和一个质子共振信号可以构造的三维图像。因为人体组织在不同的位置会有不同的共振频率,可以产生身体的三维图像。

射频转换已观察到天文学。观察的21-centimetre(1420兆赫)之间的过渡超精细的水平地面的氢提供了很多的信息温度和密度的氢云在太阳的星系,银河系。带电粒子螺旋星系磁场发射同步加速器辐射在无线电和微波地区。星际分子和激进分子已确定在射电天文学光谱学,和自然产生的微波激射器已经被观察到。的三黑体谱这是剩下的大爆炸创造宇宙的(见上图)覆盖的微波和远红外部分电磁波谱。旋转中子星那发出射频辐射的窄束(就像灯塔的旋转梁)通过接待观察高度周期性的脉冲射频辐射。这些脉冲星被用作银河时钟研究其他现象。通过研究脉冲星的向下的速度接近轨道与一个同伴明星,美国天文学家小约瑟夫·h·泰勒。,拉塞尔·艾伦·赫尔斯能够显示在1974年,大量的吗转动能量损失是由于排放引力辐射。预测了引力辐射的存在爱因斯坦的广义相对论但未见直接到2015年。