外場(chǎng)中原子精細(xì)能級(jí)分裂

外場(chǎng)中原子精細(xì)能級(jí)分裂第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五6.3斯塔克效應(yīng)原子能級(jí)在外加電場(chǎng)中的位移和分裂稱(chēng)為斯塔克效應(yīng)。分析斯塔克效應(yīng)，需用量子力學(xué)。第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五斯塔克效應(yīng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)二次方效應(yīng):

原子在外加均勻電場(chǎng)E中被極化產(chǎn)生感生偶極矩d＝aE

a為靜電極化率附加能量為量子力學(xué)中非簡(jiǎn)并能態(tài)也成立。

★一般說(shuō)來(lái)，由于斯塔克效應(yīng)，原子能級(jí)的附加能不正比于外加電場(chǎng)的二次方。對(duì)簡(jiǎn)并能級(jí)，會(huì)產(chǎn)生線性斯塔克效應(yīng)。第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五(2)在不太強(qiáng)的外電場(chǎng)中，原子能級(jí)仍以量子數(shù)J、MJ表征

MJ＝±m(xù)a的態(tài)，斯塔克效應(yīng)是相同(3)量子數(shù)MJ大的態(tài)，電子與核的平均距離變大，靜電極化率也大越是高激發(fā)態(tài)，斯塔克效應(yīng)就越大

這與塞曼效應(yīng)完全不同第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五既有位移，又有分裂第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五一般能級(jí)，原子的斯塔克效應(yīng)較難從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行研究，因?yàn)闅怏w狀態(tài)下的原子在強(qiáng)靜電場(chǎng)下極易被擊穿。但高激發(fā)的斯塔克效應(yīng)很強(qiáng)，而且容易從理論上進(jìn)行計(jì)算，所以研究得較多。斯塔克效應(yīng)在一些工作中有實(shí)際意義。例如在放電管的等離子體中，電子和正負(fù)離子產(chǎn)生的電場(chǎng)影響到原子，常使原子譜線加寬并發(fā)生頻移(譜線中心頻率有變化)。這常常是實(shí)際工作中需要考慮的一個(gè)因素。第六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五6.4核磁共振一．核磁共振現(xiàn)象：在20世紀(jì)40年代先后成功地觀察到電子磁共振和核磁共振。凝聚態(tài)磁共振，尤其是核磁共振研究的發(fā)展，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析以及成像應(yīng)用方面產(chǎn)生了巨大的影響。第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

基態(tài):

總角動(dòng)量量子數(shù)J＝0的原子，原子核磁矩與價(jià)電子之間的磁性耦合為零。如有外磁場(chǎng)，核磁矩就獨(dú)立地取向，而產(chǎn)生能級(jí)的塞曼分裂。能級(jí)的能量修正值為

相鄰能級(jí)距離為所以磁共振頻率是

第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五舉例:★

131Xe原子核I＝3/2，mI＝±3/2,±1/2，核磁能級(jí)有4個(gè)，磁共振頻率在B＝1T時(shí)為3.51MHz.★129Xe的I＝1/2，在B＝1T時(shí)磁共振頻率為11.8MHz，常將它應(yīng)用在肺部成像。第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五核磁共振主要在分子中進(jìn)行大量分子的基態(tài)J＝0。分子中各原子核如有磁矩，在外磁場(chǎng)中就獨(dú)立地取向，形成核磁能級(jí)，因而可用以核磁共振實(shí)驗(yàn)。如:

氫原子核，gI＝5.58，B=1T，核磁共振頻率為42.55MHz14N原子核，gI＝0.4036，B=1T，核磁共振頻率為3.08MHz。第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五不同化合物中同種原子核★其核磁共振頻率基本相同★但核磁共振頻率存在微小的差別酒精分子的H核磁共振線:

它由相距非常近的三條譜線組成，譜線間的距離僅為共振頻率的10-5-l0-6量級(jí)，三線的強(qiáng)度比為3:2:1。

第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五原因:

來(lái)源于分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

其中有6個(gè)氫原子，分為三組。

CH3中的三個(gè)氫原子具有相同的化學(xué)環(huán)境

CH2中的兩個(gè)氫原子具有相同的化學(xué)環(huán)境

OH中的一個(gè)則有另一環(huán)境。三條譜線正是分別由這三組氫核產(chǎn)生的。第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五表明:

價(jià)電子的不同結(jié)合狀態(tài)，對(duì)核磁共振產(chǎn)生了一點(diǎn)微小的影響。由此發(fā)生的頻移，稱(chēng)作化學(xué)移位。

d=(n1-n0)/n1

我國(guó)虞福春是最早發(fā)現(xiàn)化學(xué)移位者之一。第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五核磁共振譜具有以下特點(diǎn)：(1)某原子核在一定B下,有一個(gè)確定的基本共振頻率?？捎糜谘芯扛鞣N物體該種原子的核磁共振譜。(2)核磁共振譜可以具有極高的分辨率。化學(xué)移位極其有利于進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。(3)即使I＝0的原子，也可以用有核磁矩的同位素來(lái)代替。例如有機(jī)分子中，12C無(wú)核磁矩，可用13C置換12C，成為物理化學(xué)分析的各種譜方法中最重要的方法之一。第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五核磁共振的實(shí)驗(yàn)它的頻率分辨率可達(dá)l0-9以上高分辨率的核磁共振譜在物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方面有極為重要的應(yīng)用。

第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五核磁共振成像核磁共振的一個(gè)重大應(yīng)用.20世紀(jì)80年代,應(yīng)用近代斷層成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，研制成功核磁共振成像裝置。例如:通過(guò)探測(cè)氫原子的核磁共振信號(hào)，在成像之后，就可以得到物體中氫原子若干參數(shù)(例如濃度)在物體內(nèi)的分布狀況。這種方法已在醫(yī)學(xué)診斷、生理活動(dòng)研究、材料分析等方面發(fā)揮了巨大的作用。

第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五二．吸收與弛豫:

設(shè)有一對(duì)核磁能級(jí)E1，E2，粒子數(shù)分別為N1，N2★無(wú)磁共振時(shí)，N1，N2服從玻爾茲曼分布，粒子差數(shù)ΔN=N1-N2，有一平衡值(ΔN)0★發(fā)生磁共振時(shí)，粒子由E1向E2躍遷，產(chǎn)生磁共振譜線，同時(shí)ΔN減小。第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五弛豫過(guò)程:驅(qū)使粒子由E2向E1躍遷(無(wú)輻射)，使ΔN恢復(fù)平衡值。吸收與弛豫平衡核磁系統(tǒng)從外加共振射頻場(chǎng)中吸收的能量通過(guò)弛豫過(guò)程釋放到周?chē)镔|(zhì)。第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五存在兩類(lèi)弛豫過(guò)程。第一類(lèi):使粒子數(shù)差趨向平衡，ΔN→(ΔN)0。按弛豫規(guī)律，在沒(méi)有共振場(chǎng)時(shí)

Tl＝

1／k

，Tl稱(chēng)作縱向弛豫時(shí)間

第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二類(lèi)弛豫過(guò)程舉例:兩個(gè)靠近的相同的核，存在相互影響可能發(fā)生：A核由能級(jí)E1躍遷到E2，而B(niǎo)核由E2到E1，它們之間交換了能量。就核系統(tǒng)而言，能級(jí)上的粒子數(shù)分布并沒(méi)有變，但它顯然縮短了能級(jí)壽命，增大了線寬。第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五★把決定線寬的弛豫時(shí)間稱(chēng)作橫向弛豫時(shí)間，以T2表之。T2＜Tl，線寬1/T2＞l/Tl?！镆簯B(tài)樣品核磁共振的一個(gè)重要特點(diǎn)就是弛豫時(shí)間很長(zhǎng)，T2可達(dá)1s量級(jí)或更長(zhǎng)，因此線寬可達(dá)1Hz以下。它可用以高分辨光譜測(cè)量。例如氫的核磁共振頻率，在B＝lT時(shí)約為42MHz，以線寬1Hz計(jì)，分辨率可達(dá)2×l0-8，在B＝10T時(shí)可達(dá)2×10-9。

第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五三．核磁共振譜的精細(xì)結(jié)構(gòu):進(jìn)一步提高分辨率,酒精氫的精細(xì)結(jié)構(gòu)

第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生機(jī)理:

由兩個(gè)核自旋之間的相互作用引起:★B組核的影響:兩個(gè)I＝1/2的核，MB＝1，0，-1，它們出現(xiàn)的概率是1:2:1，這三種狀態(tài)對(duì)A核的影響不同，致使A線分裂為強(qiáng)度為1:2:1的三個(gè)分量?！?/p>

A組核的影響:MB＝3/2,1/2，-l/2，-3/2，出現(xiàn)的比例為1:3:3:1，因此，A對(duì)B的作用使B線分為4線，強(qiáng)度比1:3:3:1.第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五核磁共振譜的化學(xué)移位和精細(xì)結(jié)構(gòu)★其解釋直接與分子結(jié)構(gòu)(包括空間構(gòu)像)相聯(lián)系，是極為有效的分析分子結(jié)構(gòu)的手段?！锼捎糜诜治鋈芤褐泻軓?fù)雜的分子，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，甚至可以顯現(xiàn)分子的空間構(gòu)像。對(duì)那些難以或不能得到結(jié)晶的生物大分子物質(zhì)，核磁共振是唯一能確定分子構(gòu)像的分析工具。第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五四．核磁共振成像:MRI，MagneticResonanceImaging是繼XCT之后在三維成像技術(shù)方面的又一重大成就，它的潛在發(fā)展能力大大超過(guò)了其他成像診斷技術(shù)。核磁共振成像技術(shù)利用了共振頻率與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五方案:

一個(gè)三維物體，置于z向恒定磁場(chǎng)B0中沿z向附加一梯度磁場(chǎng)，Bz＝B0+az，物體的磁共振頻率n＝(B0+az)/2p

與z有關(guān)第一步以選擇斷層以進(jìn)行成像:

選定某一個(gè)工作頻率，然后變化a值，即可選出垂直于z軸的不同薄層的物體進(jìn)行磁共振。第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二步進(jìn)行每一薄層的二維成像:

沿x﹑y軸均附加小的梯度場(chǎng)，并使磁共振定位于薄層中坐標(biāo)為某一(x，y)點(diǎn)。再適當(dāng)?shù)刈兓髢蓚€(gè)梯度場(chǎng)，使(x，y)點(diǎn)逐行掃過(guò)整個(gè)平面(如同電視圖像之掃描)，就能記錄此平面上各成像單元(每一“點(diǎn)”)的磁共振信號(hào)。存在實(shí)際上有許多其它復(fù)雜而有效的成像方案。第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五磁共振信號(hào)★反映在三維像中，----密度像信號(hào)的強(qiáng)度正比于成像單元相應(yīng)原子(核)的濃度，并以相應(yīng)灰度的像素表示出來(lái)★目前醫(yī)用像的分辨率已相當(dāng)高，物體成像單元的線度可達(dá)0.5mm以下，超過(guò)XCT的分辨率?！锎殴舱癯谠ミ^(guò)程影響信號(hào)。通過(guò)特定的實(shí)驗(yàn)方法，可以將T1(或T2)有明顯差異的核區(qū)別開(kāi)來(lái)。第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五例:

氫核:在脂肪中T1短，在肌肉中T1長(zhǎng)；惡性腫瘤的T1或T2，往往有異于正常組織。這些都可在像中有反映?！锪鲃?dòng)的核的磁共振信號(hào)有其特點(diǎn)，可以從信號(hào)中提取出來(lái)，這就能夠開(kāi)辟另一方面的應(yīng)用研究，例如在人體中，一方面可用于了解血液流動(dòng)的狀況，另方面又可使血管單獨(dú)成像。第二十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

人腦內(nèi)血管成像圖，由一百多片斷層片疊合成的三維像。第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五MRI的進(jìn)展很快★目前的微成像技術(shù)，以提高空間分辨率為目標(biāo)，已經(jīng)能夠分辨尺度為幾個(gè)微米的物體，接近分辨細(xì)胞的程度。★在功能成像方面，可獲得諸如人的大腦在感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)和思維過(guò)程中的功能性圖像。把核磁譜與成像結(jié)合，可用于研究活體中局域的某些化學(xué)結(jié)構(gòu)或其變化過(guò)程而于樣品無(wú)損。第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五6.5光磁雙共振氣體原子的核磁共振

★氣體原子濃度太低、磁共振信號(hào)太弱而難以觀察到?！?0世紀(jì)50年代中，卡斯特勒(A.Kastler)發(fā)明了一種雙共振方法有效地在氣體原子中進(jìn)行磁共振實(shí)驗(yàn)

（獲得1966年諾貝爾物理獎(jiǎng))第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五原理設(shè)某原子基態(tài)J＝1，激發(fā)態(tài)J＝0。在磁場(chǎng)中，基態(tài)按mJ＝1，0，-1分裂為三個(gè)磁能級(jí)。通常,因?yàn)橄噜從芗?jí)間粒子差數(shù)太小，氣體濃度又低。第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五現(xiàn)在用p偏振的共振光照射原子原子將發(fā)生mJ的0→0躍遷激發(fā)態(tài)J＝0，mJ＝0可自發(fā)躍遷至基態(tài)各個(gè)能級(jí)所以J＝l，mJ＝0能級(jí)上的粒子數(shù)很快減小，趨近于零。這叫光抽運(yùn)作用(泵浦作用)。在J＝1，且mJ等于(1，0)或(0，-1)的兩對(duì)能級(jí)間有足夠的粒子數(shù)差，可以觀察mJ＝±1→mJ＝0的磁共振。這里有光頻和射頻兩個(gè)共振過(guò)程，所以叫作光磁雙共振。第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體原子核磁共振觀測(cè)的另一種途徑通過(guò)光的變化來(lái)測(cè)量第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五★先不加射頻場(chǎng):

光初射入時(shí):mJ=0上的粒子數(shù)比較多吸收也較多，光電管光信號(hào)較弱稍后:光抽運(yùn)mJ=0上的粒子數(shù)很快地顯著減少，導(dǎo)致光電流上升，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。★加上射頻場(chǎng):

發(fā)生磁共振，mJ=0上粒子數(shù)又增加，光電流隨之減弱，磁共振的發(fā)生即由光的減弱來(lái)顯示。第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)●從能量的角度看，一次磁共振躍遷，能量變化等于一個(gè)射頻光子的能量，●伴隨著的光頻躍遷，能量變化是一個(gè)光頻光子的能量，●用光強(qiáng)度變化代替射頻場(chǎng)強(qiáng)度的變化，檢測(cè)的能量大了好幾個(gè)量級(jí)，靈敏度大為提高?？傊?，光抽運(yùn)和光檢測(cè)是提高靈敏度，使光磁共振實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

第三十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五光抽運(yùn)另一個(gè)方案----不用偏振光如:87Rb基態(tài)有F＝2，1,激發(fā)態(tài)52P1/2超精細(xì)分裂很小，分辨不開(kāi)。第三十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五由基態(tài)到52P1/2躍遷波長(zhǎng)是795nm

具有兩個(gè)分量a和b，波長(zhǎng)差0.014nm如果單用a線或b線來(lái)抽運(yùn)，都可以使基態(tài)F＝2、l兩能級(jí)上產(chǎn)生大的粒子數(shù)差，允許進(jìn)行F＝2←→l的磁共振利用這個(gè)原理制成的Rb量子頻標(biāo)，結(jié)構(gòu)比原子束頻標(biāo)簡(jiǎn)易得多，已得到廣泛的應(yīng)用。第三十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五6.6原子(分子)頻率標(biāo)準(zhǔn)原子(分子)頻標(biāo)，是利用原子(分子)譜線頻率的穩(wěn)定性和精確性來(lái)精確測(cè)定頻率的裝置。由于時(shí)間是頻率的倒數(shù)，所以原子頻標(biāo)也可用作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，并稱(chēng)為原子鐘。第四十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五一．微波頻標(biāo)：微波頻標(biāo)分為自激型(主動(dòng)式)和非自激型