共振吸收

從經典電動力學的觀點來看﹐吸收光和發射光的基本單元是諧振子。每種諧振子都有它的固有頻率﹐當外來電磁波的頻率和諧振子的固有頻率相同時﹐諧振子會對外來的輻射產生很強的吸收﹐這種吸收稱為共振吸收。

基本介紹

• 中文名：共振吸收
• 定義：諧振子對外來的輻射產生吸收
• 相關概念：共振線
• 產生原因：原子由基態到低激發態的躍遷

從原子物理的觀點來看﹐共振吸收是因原子由基態到低激發態的躍遷而產生的。量子力學的計算表明﹐這種躍遷的機率係數比其他躍遷的機率係數大得多。原子通常多處於基態﹐所以﹐由共振吸收產生的譜線是很強的。這種譜線稱為共振線。比較著名的共振線有中性鈉的D和D線﹐電離鈣的H和K線等。

物質對射線的共振吸收研究就是尋找物質對射線的共振吸收與入射射線能量的關係。已有的實驗結果表明:物質對射線的共振吸收可以將物質對射線的吸收的效率提高几個數量級。這不僅可以使已有的射線在某些方面的套用效率大大提高,而且有可能開闢許多新的套用領域。從而使其套用達到更高的效率和更廣泛的領域,使射線的套用達到一個全新的高度,在許多領域產生更大的效益。據說國外對此課題已有未公開的研究。

物質對射線共振吸收的定義

當被轟擊物質核的能量E_n加上入射射線的能量E_入(₌hν)等於(在能量級寬度的極限內)覆核的激活能級能量E_c時,即E_n+ E_入=E_c,將發生顯著的吸收,稱為物質對射線的共振吸收。

共振發射線與吸收線

電子從基態躍遷到能量最低的激發態（稱第一激發態）時吸收一定頻率的光，它再躍遷返回基態時，則發射出同樣頻率的光（譜線），這種譜線稱為共振發射線（簡稱共振線）。使電子從基態躍遷至某一激發態所產生的吸收線稱為共振吸收線（也簡稱為共振線）。

核磁共振波譜儀

射頻接受器線圈與振盪器線圈兩者互相垂直，也與掃場線圈互相垂直。當振盪器發生的電磁波的頻率ν0和磁場強度H0達到前述特定的組合時，放置在磁場和射頻線圈中的氫核就要發生共振而吸收能量，為接受器線圈所檢出放大後即可顯示於示波器上，然後用記錄儀自動記錄下來。所以核磁共振儀測量的是共振吸收。波譜圖縱坐標表示共振信號強度，橫坐標表示磁場強度或頻率。

物質對射線的共振吸收套用

鎘對中子的共振吸收

物質對射線的共振吸收在核物理中最典型的套用例子之一是鎘對中子的吸收。中子不帶電,不參與電磁相互作用,最初人們對於它幾乎是束手無策,後來研究發現物質鎘(113 Cd和157 Gd)對慢中子的吸收截面比某些物質竟大幾個量級,如表1所示。從表中能夠看出,其差別竟達108～ 109這樣大。從此人們有了對付中子的一種辦法,至今這個效應在許多領域得到廣泛套用。

核磁共振診斷學

核磁共振診斷學的原理是:外加一強磁場使人體的細胞基元H極化,另一外加的射頻磁場使極化的H產生共振吸收,由另一個外加的梯度磁場將其能量場的改變成像。今天,核磁共振診斷已成為診斷腫瘤的一種重要方法,這是共振吸收在核醫學領域最成功的套用例子之一。

發展及套用前景

此課題在未來科技,如核醫學、能源科學、材料科學、環境科學、軍事科學及粒子物理方面具有廣泛的發展和套用前景。

核醫學領域

除已經套用並在不斷發展中的核磁共振診斷成像儀以外,共振吸收在醫學領域的許多其它方面也將具有巨大的套用潛力,如γ射線、X射線、雷射、質子束、重粒子束、中子治癌等。實驗表明,射線治癌並不需要穿透力很強能量很高的射線,主要在於對射線的吸收劑量,如雷射治療中,不是靠雷射束的高能量,而是靠其產生的熱效應、壓力效應、光效應和電磁效應殺死癌細胞。低能射線能夠將其能量集中沉積在壞的細胞上,從而大大地保護好的細胞。應該能夠找到人體細胞基元H共振吸收射線的能量,如果能找到一種細胞共振吸收率很高的射線,或找到癌細胞共振吸收的射線的能量,就能製成高效率的治癌射線刀。它將大大地縮短殺死癌細胞的時間,從而最大可能提高挽救生命的機會。最近報導日本在研究注入一種針對腫瘤的感光劑,然後進行雷射感光照射,腫瘤中的感光劑受輻照產生某種效應而殺死腫瘤細胞。

能源科學領域

在雷射點火聚變的研究中,如能找到一種物質的雷射的射線具有很高的共振吸收效率,或者找到核聚變物質共振吸收射線的能量,它將大大地提高電漿的溫度。共振吸收的套用也許能使雷射慣性約束點火聚變的理想變為現實。其他方面如核反應堆的禁止以及太陽能的利用等也具有大的潛力。

材料科學領域

共振吸收將用於矽的亞微米蝕刻,這是高積體電路的重要生產技術。射線用於地質探礦以及利用核磁共振研究生物大分子結構等。

環境科學領域

射線已廣泛用於物質的殺菌、保鮮,共振吸收的套用或許能大大提高其套用效率。共振吸收還可用於化學(如石油)中的成份測定。

軍事科學領域

物質對射線共振吸收在軍事科學領域的套用如對敵預警飛機、電子設備的電磁干擾、強脈衝發射改變飛彈的飛行目標,以及未來的雷射武器等都有發展前景。如某些武器就可以覆蓋一層塗有一種對某種射線共振吸收效率較高的物質,使敵方的射線(如紅外)偵察(或制導)處於盲眼.

粒子物理學領域

中微子和宇宙暗物質,其有與中子類似的電磁性能,而且質量更小,速度慢,用別的方法探測存在困難,物質對射線共振吸收探測法很可能是中微子和宇宙暗物質最可行的探測方法。可用實驗證實Cd靶這種物質對不同種類的入射射線其共振吸收的能量是否都是0.18eV,如果是這樣,有可能將其用作探測中微子的靶物質,因在這個能區其共振吸收的截面比碘和鈉要大約4個量級,也許將此種作用靶與穆斯堡爾譜儀探測器結合,是打開中微子探測視窗的可行方法之一,以往的實驗未獲結果的原因之一很可能是探測其產物的閾能過高,中微子與物質作用的產物其能量在紅外區段,而不是X或γ射線區段。

在探測器方面

將有可能利用共振隧穿效應製作新型高量子效率探測器,共振腔將有可能成為增強型光電探測器。從鎘對慢中子的共振吸收,以及核磁共振的例子看,不帶電荷的入射射線在物質中的共振吸收主要是核磁共振吸收,並且不同物質的共振吸收能量差別較大,有些能量並不很高,如Ag、Au、Cu、Si等共振吸收能量都處於紅外區(這大概就是紅外目前發展比較快的原因)。當然有些物質有多個共振吸收光區段(如石英晶體就有3個),另外我們算得細胞基元H的共振吸收光區也應該是紅外到X射線區,這些都有利於尋找實驗用射線源。在理論方面的研究,如在什麼情況下會發生核共振吸收,什麼情況下會發生原子共振吸收,什麼情況下會發生分子共振吸收,以及雙光子和多光子共振吸收的機制?都有進一步研究的重要意義,更深一步地研究射線與物質相互作用的規律。實驗上主要用射線譜儀(包括γ射線、紅外、X射線譜儀),及其它的光靈敏探測器研究不同物質對不同能量的射線的吸收譜。用作照射的射線有加速器(如已有能量可調的醫用加速器)、雷射束、天然放射源等,建立一套連續光譜光源將有可能取得許多預期結果。紅外譜儀技術現在已很成熟,γ射線譜儀在粒子物理探測中是最成熟的技術之一,頻率回響範圍廣,靈敏度高的光電探測器對實驗是必須的。