[科普中国]-费米共振

费米共振是一种广泛存在于分子内和分子间的分子振动耦合和能量转移现象。分子内的费米共振现象由某个基团的基频和另一个基团的组频或某两个基团的和频发生耦合而产生。费米共振在分子振动态、电子态相互耦合、分子结构与性能等研究中具有重要的理论意义，在材料、生物和化学等领域应用广泛，如酶分子构型的确定、抗癌药物疗效的考证、地质学中包裹体的压力分析、晶体中杂质检测和声子及光子器件的研制等，已引起人们广泛关注。1

简介费米共振的理论是在1931年由E.Fermi提出的。他在研究了CO2的振动光谱后发现，CO2的弯曲振动谱的倍频2×673cm=1346cm本应该在拉曼谱中比在红外谱中弱，但是在CO2拉曼光谱中却出现了两个强峰1285cm和1388cm，同时本应该出现的对称伸缩振动的强峰消失。Fermi把这一现象称为费米共振（Fermi Resonance），是两个具有相同对称性的能量相近的振动能级互相耦合的结果。

费米共振是振动光谱中，尤其是拉曼和红外光谱中非常常见又非常重要的现象。费米共振包括能量的转移和频率的移动等现象，而且会导致那些不具有光谱活性的振动具有自己的强度，便于我们对其进行研究。但是在不同的环境下，费米共振中被传递的能量是不同的。

当分子的一个基频振动能级 F+和一个合（倍）频振动能级 F-相近并且具有相同的振动模式的时候，它们之间就有可能发生费米共振。能量会从基频振动能级传递到合（倍）频振动能级，两个新的振动能级 F+和 F-产生而且原来的两个振动能级消失。基频振动能级 F+和合（倍）频振动能级 F-之间的能级差是 S，F+和 F-之间的能级差是 S，R 是 F+和 F-之间的强度比。2

研究方法J.F.Bertran总结出了两种研究费米共振的常用方法，即同位素取代法和变换溶剂法。

同位素取代法：

将分子中和费米共振有关的能级上的原子用同位素取代，打破非主要的衰退和破坏费米共振现象。此方法有以下缺点：同位素取代有可能对费米共振影响微弱，观测不到明显的现象变化。还有一种情况就是使费米共振双峰同向移动；在取代的地方有可能有新的共振产生；无法对费米共振的参数进行计算；实验不易操作。

变换溶剂法：

变换溶剂法简单易行，振动能级间的相互作用与溶剂之间互相影响，同时影响着费米共振。通过变换溶剂法可以实现定量分析共振参数。【2】

发展现状费米共振的研究在物理学中的分子电子态，振动态及其相互耦合中有重要理论意义，另外在材料、生物、化学、医学、地质学各学科中也有重要的应用前景。一直以来有很多国内外的研究人员开展费米共振的理论和应用研究，并取得了一些成果。Yenagi Jayashr等科研工作者研究了2-Chloro-and 2-bromo-3-pyridinecardboxaldehyeds的结构、费米共振及振动模式，在红外和拉曼光谱中都观察到了由1696cm处的醛羰基振动，1059cm处的弯曲振动及625cm处的变形振动相互耦合产生1696-1666cm费米共振双峰。Xia Jiarui等研究硝基苯胺的拉曼光谱，发现由于连续的费米共振作用，使得其拉曼光谱出现异常，原本其在1292cm处最强的拉曼峰强度很弱，而弱峰1392cm却成为最强的峰，并用表面增强拉曼散射实验进一步给予了证实。这种现象是由于费米共振导致给体群NO2与受体群NH2发生强烈的相互作用引起的。可见，费米共振能与分子光谱相互影响

费米共振的理论解释和现象分析还都不够完善。该领域还有很多内容值得去探索，比如电荷转移络合物方面。电子转移所产生的费米共振现象十分丰富，电子转移对原给体、受体中费米共振的影响及新产生的分子间费米共振都可以去研究。虽然费米共振已经得到一些应用，但还缺乏对其规律、性质的深入认识和了解，对其机理的研究非常关键也非常困难，正是亟待开展的方向。3

外场对费米共振的影响温度影响温度可以改变物质的状态、分子结构，引起分子内、分 子间相互作用的变化从而能改变费米共振。物质不同物相， 其物理性质不同，其光谱参数也不一定相同。如一般地，液 态分子的振动频率比固态分子低，对费米共振分子的两费米双线对频率影响一定会不同，反应在费米共振参数也必然不 同。温度引起分子内分子间运动状态不同，也必然会引起分 子内、分子间相互作用的变化，引起两费米双线对基频、谐 频频差变化，从而引起费米共振变化，即不同温度下费米共 振特性会不同，如水的 OH基频与谐频的费米共振明显的调 制作用也会引起费米双线对线型变化。

压强影响压强是改变分子结构、物理、化学性质的有效手段。高压下分子费米共振研究对高压下分子结构、性质、相变研究及地质学中（包裹体）参数测定都有重要应用前景。高压拉曼光谱研究大多采用 Mao-Bell 金刚石压机为高压样品池。也有同时测高温、高压的研究。

压力场中，压强对分子费米共振有明显的调谐。加压后谱线会发生蓝移，而两双线对蓝移速度不一定相同， 且其频差会因和频（或倍频）频率与基频频率相对大小而不 同，因而费米共振特性变化亦不同；多元溶液的“初压效 应”可揭示溶剂效应的本质。溶液中耦合系数随压强增加而 减小的速度比纯液体中加快，费米共振消失亦提前；多元 溶液中不同种物质压缩系数不同，其分子振动频率随压强的 拉曼频移速度不同。

分子场影响任何物态的分子均处于其他分子产生的场中并受到这些 分子场的各种作用。溶液中分子间的相互作用比气态和固态 时更复杂，对其中的分子费米共振有重要影响。分子场中，溶剂效应会改变分子内和分子间的费米 共振特性。4

本词条内容贡献者为:

杨剑虹 - 教授 - 西南大学