微波和射频波谱学

[拼音]：weibo he shepin bopuxue

[外文]：microwave and radio frequency spectroscopy

借助微波或射频辐射场与物质的相互作用来研究物质的性态、结构和运动的物理学分支学科。研究对象可以是原子、分子和由它们所组成的凝聚态物质，也可以是离子、电子、原子核和等离子体。这一学科分支研究的主要内容包括：

（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；

（3）核磁共振；

（4）核电四极矩共振；

（5）双共振和多重共振；

（6）微波受激发射；

（7）量子时间、频率标准等。

微波和射频波谱学是近代电子学、量子物理、理论物理（如场论、相对论）诸学科高度发展和综合的结果。这类实验测量的灵敏度极高，可深入物质的微观世界，了解其瞬态活动和进行超痕量分析。用波谱学的频率测量取代传统的波长测量，可使精密度和准确度提高百万倍以上，是现代物理学中领先的高精度高准确测量，刷新了大部分原子常数，并推动自然科学、工程技术的进展。

微波受激发射放大（量子放大）或振荡(量子振荡)，实现了超低噪声放大和超纯频率的高稳定振荡，导致了激光的问世，并开辟了量子电子学这一新兴学科。

对原子束的研究产生了铯量子频率标准。基于铯原子基态的超精细跃迁，被作为现代国际时间标准“秒”的定义。氢激射振荡器和铷激射振荡器是优良的自激型量子频率标准。铷激射器的短期（秒以下）频率稳定度居第一。空载的氢激射器已用于验证相对论。

从原子谱线频率的精确测量，发现了原子能级在辐射场作用下所产生的能级兰姆移位以及核磁八极矩和核电十六极矩超精细作用等。对分子谱线频率的分析，可用于准确测定分子结构常数，辨认有机分子的同质异构体。

利用微波探测宇宙（射电天文），发现星际空间有氢原子，及OH^-、CH、CH⁺、CN、HCN、CH₃CN和HC₉N等60多个自由基和分子存在。有些分子在地面上并不自然存在，有些分子是有机的，可借以探索宇宙的起源。

微波波谱学在化学方面，可分析有机分子的立体结构、催化机理、瞬态反应等；在生物学方面，可分析酶、激素、细胞膜等生物大分子，并有助于早期探癌和开展遗传工程研究；自旋密度成像技术和核磁显微镜为生物医学界提供了有力的手段。此外，还可用作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。

现代波谱学的前沿研究有高激发态原子、分子的探测，高电、磁场下原子态的研究，高分辨激光波谱，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矩共振，以及质子核磁共振成像等。在波谱学研究中，配合计算机的控制和分析，灵活应用双共振与多重共振，可使分析能力、准确度、探测效率不断地提高。

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