[科普中国]-共振吸收

从原子物理的观点来看﹐共振吸收是因原子由基态到低激发态的跃迁而产生的。量子力学的计算表明﹐这种跃迁的概率系数比其他跃迁的概率系数大得多。原子通常多处于基态﹐所以﹐由共振吸收产生的谱线是很强的。这种谱线称为共振线。比较著名的共振线有中性钠的D和D线﹐电离钙的H和K线等。

物质对射线的共振吸收研究就是寻找物质对射线的共振吸收与入射射线能量的关系。已有的实验结果表明:物质对射线的共振吸收可以将物质对射线的吸收的效率提高几个数量级。这不仅可以使已有的射线在某些方面的应用效率大大提高,而且有可能开辟许多新的应用领域。从而使其应用达到更高的效率和更广泛的领域,使射线的应用达到一个全新的高度,在许多领域产生更大的效益。据说国外对此课题已有未公开的研究。

物质对射线共振吸收的定义当被轰击物质核的能量En加上入射射线的能量E入(=hν)等于(在能量级宽度的极限内)复核的激活能级能量Ec时,即En+ E入=Ec,将发生显著的吸收,称为物质对射线的共振吸收。2

共振发射线与吸收线电子从基态跃迁到能量最低的激发态（称第一激发态）时吸收一定频率的光，它再跃迁返回基态时，则发射出同样频率的光（谱线），这种谱线称为共振发射线（简称共振线）。使电子从基态跃迁至某一激发态所产生的吸收线称为共振吸收线（也简称为共振线）。3

核磁共振波谱仪射频接受器线圈与振荡器线圈两者互相垂直，也与扫场线圈互相垂直。当振荡器发生的电磁波的频率ν0和磁场强度H0达到前述特定的组合时，放置在磁场和射频线圈中的氢核就要发生共振而吸收能量，为接受器线圈所检出放大后即可显示于示波器上，然后用记录仪自动记录下来。所以核磁共振仪测量的是共振吸收。波谱图纵坐标表示共振信号强度，横坐标表示磁场强度或频率。3

物质对射线的共振吸收应用镉对中子的共振吸收物质对射线的共振吸收在核物理中最典型的应用例子之一是镉对中子的吸收。中子不带电,不参与电磁相互作用,最初人们对于它几乎是束手无策,后来研究发现物质镉(113 Cd和157 Gd)对慢中子的吸收截面比某些物质竟大几个量级,如表1所示。从表中能够看出,其差别竟达108～ 109这样大。从此人们有了对付中子的一种办法,至今这个效应在许多领域得到广泛应用。2

核磁共振诊断学核磁共振诊断学的原理是:外加一强磁场使人体的细胞基元H极化,另一外加的射频磁场使极化的H产生共振吸收,由另一个外加的梯度磁场将其能量场的改变成像。今天,核磁共振诊断已成为诊断肿瘤的一种重要方法,这是共振吸收在核医学领域最成功的应用例子之一。2

发展及应用前景此课题在未来科技,如核医学、能源科学、材料科学、环境科学、军事科学及粒子物理方面具有广泛的发展和应用前景。2

核医学领域除已经应用并在不断发展中的核磁共振诊断成像仪以外,共振吸收在医学领域的许多其它方面也将具有巨大的应用潜力,如γ射线、X射线、激光、质子束、重粒子束、中子治癌等。实验表明,射线治癌并不需要穿透力很强能量很高的射线,主要在于对射线的吸收剂量,如激光治疗中,不是靠激光束的高能量,而是靠其产生的热效应、压力效应、光效应和电磁效应杀死癌细胞。低能射线能够将其能量集中沉积在坏的细胞上,从而大大地保护好的细胞。应该能够找到人体细胞基元H共振吸收射线的能量,如果能找到一种细胞共振吸收率很高的射线,或找到癌细胞共振吸收的射线的能量,就能制成高效率的治癌射线刀。它将大大地缩短杀死癌细胞的时间,从而最大可能提高挽救生命的机会。最近报道日本在研究注入一种针对肿瘤的感光剂,然后进行激光感光照射,肿瘤中的感光剂受辐照产生某种效应而杀死肿瘤细胞。

能源科学领域在激光点火聚变的研究中,如能找到一种物质的激光的射线具有很高的共振吸收效率,或者找到核聚变物质共振吸收射线的能量,它将大大地提高等离子体的温度。共振吸收的应用也许能使激光惯性约束点火聚变的理想变为现实。其他方面如核反应堆的屏蔽以及太阳能的利用等也具有大的潜力。

材料科学领域共振吸收将用于硅的亚微米蚀刻,这是高集成电路的重要生产技术。射线用于地质探矿以及利用核磁共振研究生物大分子结构等。

环境科学领域射线已广泛用于物质的杀菌、保鲜,共振吸收的应用或许能大大提高其应用效率。共振吸收还可用于化学(如石油)中的成份测定。

军事科学领域物质对射线共振吸收在军事科学领域的应用如对敌预警飞机、电子设备的电磁干扰、强脉冲发射改变导弹的飞行目标,以及未来的激光武器等都有发展前景。如某些武器就可以覆盖一层涂有一种对某种射线共振吸收效率较高的物质,使敌方的射线(如红外)侦察(或制导)处于盲眼.

粒子物理学领域中微子和宇宙暗物质,其有与中子类似的电磁性能,而且质量更小,速度慢,用别的方法探测存在困难,物质对射线共振吸收探测法很可能是中微子和宇宙暗物质最可行的探测方法。可用实验证实Cd靶这种物质对不同种类的入射射线其共振吸收的能量是否都是0.18eV,如果是这样,有可能将其用作探测中微子的靶物质,因在这个能区其共振吸收的截面比碘和钠要大约4个量级,也许将此种作用靶与穆斯堡尔谱仪探测器结合,是打开中微子探测窗口的可行方法之一,以往的实验未获结果的原因之一很可能是探测其产物的阈能过高,中微子与物质作用的产物其能量在红外区段,而不是X或γ射线区段。

在探测器方面将有可能利用共振隧穿效应制作新型高量子效率探测器,共振腔将有可能成为增强型光电探测器。从镉对慢中子的共振吸收,以及核磁共振的例子看,不带电荷的入射射线在物质中的共振吸收主要是核磁共振吸收,并且不同物质的共振吸收能量差别较大,有些能量并不很高,如Ag、Au、Cu、Si等共振吸收能量都处于红外区(这大概就是红外目前发展比较快的原因)。当然有些物质有多个共振吸收光区段(如石英晶体就有3个),另外我们算得细胞基元H的共振吸收光区也应该是红外到X射线区,这些都有利于寻找实验用射线源。在理论方面的研究,如在什么情况下会发生核共振吸收,什么情况下会发生原子共振吸收,什么情况下会发生分子共振吸收,以及双光子和多光子共振吸收的机制?都有进一步研究的重要意义,更深一步地研究射线与物质相互作用的规律。实验上主要用射线谱仪(包括γ射线、红外、X射线谱仪),及其它的光灵敏探测器研究不同物质对不同能量的射线的吸收谱。用作照射的射线有加速器(如已有能量可调的医用加速器)、激光束、天然放射源等,建立一套连续光谱光源将有可能取得许多预期结果。红外谱仪技术现在已很成熟,γ射线谱仪在粒子物理探测中是最成熟的技术之一,频率响应范围广,灵敏度高的光电探测器对实验是必须的。