材料的化學信息是理解科學、工程與手藝范疇各類過程、機制和材料行為的最根基要素。材料研究的第一步便是要確定材料的化學，包羅組成材料的原子的種類、分布以及具體的化學態等內容。任何具有元素特征的物理信息，包羅原子量、電子的能級、原子核自旋，甚至局域的電子態密度等都可以用來做材料的化學闡發。化學信息由來自材料自己的或用作探針的電子、光子、離子或中性原子攜帶，響應的闡發手藝包羅X－射線光電子能譜，俄歇電子譜，核磁共振，特征X－射線闡發，二次離子質譜，能量損掉譜，濺射中性粒子質譜，各類離子散射譜以及掃描地道顯微學，等等。本文對上述各類闡發方式的物理道理、儀器以及應用等一一做簡要的介紹。

本文是基于筆者2003年前后教學材料化學闡發手藝的課件撰寫而當作的，原頒發于《物理》雜志2004年第33卷第4、5期。此次從頭清算頒發，但愿讓更多人能大白一個最淺近的事理：“全國沒有現當作的、不言自明的嘗試方式和嘗試儀器。” 昔時的圖片分辯率太低，倉皇間不及更替，抱愧。鑒于近十幾年里科研儀器的飛速前進，本文中的一些手藝參數可能已顛末時，特此聲明。

撰文 | 曹則賢（中科院物理所研究員）

1 導 論

材料的化學包羅組成材料的原子種類、分布以及具體的化學態等內容，它是理解科學、工程與手藝范疇各類過程、機制和材料行為的最根基要素。以稀磁半導體材料的研究為例，起首就必需確定摻雜了何種磁性元素，磁性原子的分布，是否本身形當作團簇 (cluster) 或疇(domain) 仍是和半導體元素形當作了某種化合物，那些以替代原子形式摻雜的原子的價態，這些都屬于材料化學的范圍。只有弄清晰這些化學信息，進一步的有關磁學性質的研究和在自旋電子學 (spintronics) 方面的應用摸索才能進退有據。任何具有元素特征的物理信息，包羅原子量、核素數、電子的能級、原子核自旋，甚至局域的電子態密度等都可以用來做材料的化學闡發。有時元素的化學特征是毫無疑義的，如質量數為1 amu的離子必定是氫離子；有時則可能和其它元素的特征有必然水平上的重合和干擾，有時則爽性需要在已知哪些元素在場的環境下才能經由過程比力加以區分。化學信息可以由材料自己表示出來，但大都環境下則需由作為探針的電子、光子、離子或中性原子與樣品經由過程某種彼此感化來獲取。常見的用于固體材料化學闡發的手藝包羅光電子能譜，俄歇電子譜，核磁共振，特征X－射線闡發，二次離子質譜，能量損掉譜，濺射中性粒子質譜，各類粒子散射譜以及掃描地道譜學等等。這些方式依據的物理道理分歧，探測體例和儀器機關分歧，獲得的化學信息的偏重點和靠得住性分歧，順應的研究對象也分歧。需要指出的是，一種方式探測的旌旗燈號其反映的材料的物理和化學方面的信息是多方面的，有些信息需要經由過程調整運行參數予以凸起或經由過程分歧前提下的測量加以比力才可以或許提取的。有時辰一些測量成果可能包含雜散旌旗燈號，鬼峰 (ghost line) 或假象 (artifact) ，甚或因為操作不妥所獲得的測量成果與樣品爽性無關，這會導致得犯錯誤的結論。是以，理解具體的彼此感化的物理內容、儀器的機關、探針粒子的發生與探測體例以及旌旗燈號的采集與數據處置所采用的數學方式就顯得很是主要。別的，跟著材料科學所涉及的各類布局單位以及器件的尺寸不竭縮小，器件的功能越來越強烈地依靠于局域的特定的化學狀況，這對材料闡發方式的空間分辯率、能量分辯率和探測活絡度的要求也不竭提高。舉例來說，用掃描透射顯微鏡的能量損掉譜線掃描(line scan) 闡發鑲嵌在氧化硅基質內的納米硅顆粒 (典型尺寸約3nm)，此刻能做到能量分辯率好于0.2eV，空間分辯率約為0.2nm。響應地，超高分辯的化學闡發對研究者自己的根本常識和操作技術也提出了很是高的要求。

本文重點介紹今朝常用的化學闡發方式的物理學道理，基于其上的儀器的設計思惟和機關，間或對這些闡發手段應用過程的一些問題做簡單的會商。作者相信，研究人員即便無意當作為一個專業的闡發人員也應該充實理解很多闡發方式所涉及的物理過程，熟悉儀器機關和工作道理。只有這樣才能針對本身的研究問題追求合適的嘗試手段，才可以或許對嘗試成果給出合理的謹慎的詮釋。為了便利讀者查閱英文文獻并為了避免術語不規范造當作的歧義，文中關頭詞都加注了英文原文。按照具體化學所依據的元素的特征，本文把所會商的闡發方式分為四類：(1) 基于電子能級類方式，包羅光電子能譜、俄歇電子譜、特征X－射線闡發、能量損掉譜等等；(2) 基于核自旋的核磁共振方式；(3) 基于原子質量的各類質譜方式；包羅二次離子質譜、濺射中性粒子質譜、各類離子散射譜等；以及(4) 基于局域電子態密度的掃描地道譜學。

本文會商的闡發方式都要求真空前提，這是因為：(1) 儀器部件要求真空。如電子槍的燈絲在高真空下才能工作；光電倍增管不工作時也應保留在真空中以防中毒 (poisoning)。(2) 避免情況氣體的干擾。作為探針的電子、光子和離子同情況氣體分子的碰撞會發生雜散旌旗燈號，降低旌旗燈號強度和分辯率，丟掉部門信息 (好比偏向和相位的信息)，等等。(3) 防止樣品污染。作為簡單的判據，假設分子達到樣品概況后附著系數 (sticking coefficient) 為1，則當真空為10^（-4） Pa時每秒鐘就有一個單層吸附到樣品概況。出格地，強的探針粒子束即便在超高真空下也會在局域樣品概況引起不成接管的污染。如透射電鏡的電子束照射下的樣品，在高達10^（-9） Pa的真空下，依然敏捷被吸附碳所污染。情況氣體的存在是用物理方式做化學闡發時，尤其是顯微闡發，必需考慮的身分。當然，近年為了研究一些材料在現實利用前提下的真實的化學特征與布局，上述的一些闡發儀器還被革新當作了情況(environmental) 闡發手段，但這不在本文會商規模。

2 基于電子能級的化學闡發方式

原子由帶正電的原子核和帶負電的電子構成。電子在原子核和其它電子所引起的勢場內的能級是分立的，是元素數Z的函數。是以，電子的能級或能級間的能量差是元素的特征。組成固體的原子，其外層電子受到來自其它原子的影響，低連系能的能級發生交疊組成能帶從而幾乎掉去了元素的特征。可是近鄰原子對原子的芯能級 (core-level) 的影響較小，仍可以作為元素的特征 (見圖1) 。而芯能級受其它原子的影響發生的細小位移，正可以用來研究它的化學情況。基于電子能級類的化學闡發方式有包羅X－射線光電子能譜、能量損掉譜、俄歇電子譜、特征X－射線闡發等。前兩種方式涉及的芯能級可所以處于基態的，爾后兩種方式則關系處處于激發態的芯能級。

圖1. 固體內電子的能級圖。芯能級仍是分立的，同自由原子內的電子能級比擬僅有些微的位移。而價電子的能級則交疊形當作能帶。能帶一般在真空能級以下35eV的規模內。

2.1 X－射線光電子能譜

光電子能譜 (Photoelectron spectroscopy，XPS) 的物理根本是光電效應：當一束足夠能量的光子照射到固體概況時，可以或許不雅測到電子自固體概況的發射。關于光電效應的理論詮釋自19宿世紀80年月到20宿世紀20年月得以不竭完美。因為準確地詮釋了光電效應，愛因斯坦 (A. Einstein) 獲得了1921年度的諾貝爾物理學獎。1951年Steinhardt和Serfass起首把光電子發射應用于化學闡發。厥后在20宿世紀50年月到60年月，瑞典的Kai. Siegbahn小組成長了ESCA的理論和當作套儀器，并初創ESCA（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis的縮寫，意為用于化學闡發的電子譜學）一詞。Siegbahn本人也是以獲得了1981年度的諾貝爾物理學獎。

圖2. 大型概況闡發儀器ESCA-LabMarkII.儀器包羅半球形闡發器，X射線源，氦放電燈，電子槍，離子槍和中和電子槍，可同時做XPS，UPS和AES譜闡發。

常見的光電子能譜儀由安裝在超高真空室上的一個雙陽極(Mg/Al)X－射線源和半球能量闡發器構成。能譜儀一般還配備一個氦放電燈、電子槍以及離子槍。氦放電燈、電子槍別離用于紫外光電子能譜 (Ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 和俄歇電子能譜，離子槍用于樣品處置。Mg靶和Al靶的kα線別離為1253.6eV和1486.6eV，可以知足常規的X-射線光電子能譜闡發的要求。圖2顯示的便是一臺英國VG公司出產的電子能譜儀ESCA-Lab.XPS譜定性地可用于分辨元素，確定元素芯能級在樣品中的化學位移。定量方面，它可以確定樣品概況的組分，共同恰當的刻蝕手段還可以做深度輪廓闡發 (depth profiling)。原子被光子離化后其能級上的空位會以多種體例影響光電子的能量分布，研究XPS譜的邃密布局并共同量子化學計較可以獲得對樣品電子布局的很是深切的領會。

X-射線光電子能譜是經由過程確定光電子發射時所處能級的連系能來辨識樣品中的元素組成的。按照方程

（1）

圖3. 濺射法合當作的CN薄膜的XPS譜，hν=1253.6eV. O1s峰是由概況吸附引起的。

注重到光電子強度 I 強烈依靠于光電子的逃逸深度，是以上式僅當樣品在所采用譜線的信息深度內平均時才給出近似準確的成果。分歧元素的活絡度因子由采用的儀器以及測量幾何所決議，并必然水平上隨樣品稍有轉變。在操縱式（3）做深度輪廓闡發時，其深度分辯率由光電子的非彈性平均自由程決議。電子在固體中的非彈性平均自由程λ隨電子能量的轉變近似地遵循一個普適的紀律。改變光子入射或電子出射的角度（半斤八兩于改變電子在固體中的旅程）則會不雅察到譜線相對積分強度的轉變。操縱這一現象可以定性地判定譜線對應原子在概況層的深度分布。共同λ的切確數值和樣品概況布局的模子，甚至可以獲得關于原子在概況層的深度分布的定量信息。這在多層模的非粉碎性闡發中尤為主要。

光電子的動能并非由其初始占有能級的連系能簡單地決議的。光子自芯能級激發出一個電子后，原子處于高激發態而進入弛豫過程。弛豫過程對光電子動能的影響可以高達10eV。若是原子的電子布局可以用L-S耦合描述，則去除一個芯能級電子后，其離子可以有分歧的電子構型，表示在光電子譜上則會呈現連系能稍有不同的多重譜線。好比來自NO分子的N 1s譜線是相差1.5eV的雙峰，

離子弛豫過程可能會把另一電子激發到高能態，甚至進一步離化，這時在本家兒峰的高連系能一側會不雅察到一系列的衛星峰。

早期的XPS研究就發現，固體中統一元素的不等價原子會引起芯能級的改變，這一現象被稱為化學位移。原子的不等價可由多種身分引起：分歧的氧化態，分歧的化學情況，分歧的晶格占位等等。化學位移的直接原因是，當價電子的電荷分布改變時，芯能級電子感觸感染到分歧的靜電勢。化學位移可大可小，典型的如C在某些高分子中統一芯能級對應的譜線可以相差幾個eV；而在所謂的全碳布局 (納米管，富勒烯，類金剛石) 中固然能不雅察到譜線的加寬，但要分化出較著的單個子峰并指定響應的化學情況長短常堅苦的。

同其它電子譜一樣，XPS闡發絕緣體材料時會遭遇荷電效應的麻煩。絕緣體因為光電子發射而帶上正電荷，是以引起譜漂移和譜線加寬。解決法子之一是在絕緣體概況蒸鍍一層金膜或碳膜；另一個法子就是設置裝備擺設中和槍（Flood Gun）。中和槍發射極低能量的電子 (約1eV) ，絕緣體帶電后就會接收這些低能電子而被中和。若是絕緣體材料是粉末的話，別的一個選擇就是把粉末壓入金屬銦形當作薄層再闡發。

利用常規X－射線源的XPS，闡發規模為幾個毫米巨細，是以成果是來自較大規模的平均值。現代光電子手藝的成長催生了光電子顯微術 (Photoemission electron microscopy, PEEM)。經由過程掃描入射光束，探測光電子的特征隨位置的轉變可以獲得樣品元素組成的顯微像。操縱透鏡光闌限制進入闡發器的光電子規模，PEEM可以或許實現好于20納米的空間分辯率。PEEM手藝可以矯捷地選擇描摹襯度，功函數襯度，化學襯度或磁襯度為所研究的概況當作象。

圖4. 單色小束斑X射線發生道理圖。

光電子譜是一門古老而又年青的嘗試方式。跟著人們對電子光發射現象熟悉的不竭深切，儀器科學的不竭前進，光電子譜學還會不竭煥發出新的面孔。光電子譜學相關嘗試手藝在物理、化學、材料科學、半導體科學與器件等范疇獲得了越來越普遍的應用。舉例來說，以前的X射線源（Mg/Al靶) 其譜線

這極大地限制了XPS的能量分辯率。此刻，羅蘭圓半徑達500mm的X－射線單色儀已經貿易化。單色儀不僅提高了XPS能量分辯率，還縮小了束斑尺寸 (可達 30μm)，使得XPS微區化學闡發當作為常規闡發科目。今朝光電子譜相關嘗試手藝的本家兒要開辟供給商為英國的VG microtechnology公司、德國的Omicron公司、美國的Physical electronic公司和瑞典的Gammadata等多家大公司。科研人員可以按照研究內容的要求，機關知足分歧用途的包羅光電子譜儀、其它各類闡發儀器和材料處置/制備手段的集當作化系統。

2.2 俄歇電子譜

俄歇電子譜 (Auger electron spectroscopy, AES) 是以法國科學家Pierre Auger發現的一個現象定名的。1920年Auger在用云室研究α-粒子與原子碰撞時發現產品中某種帶電粒子的圓形軌跡的半徑不依靠于α-粒子的初始能量，而只同原子的種類有關。后來進一步的研究發現，這種帶電粒子是由原子中激發出來的電子，其動能僅由原子的電子能級所決議。這種現象即被定名為俄歇現象。因為俄歇電子的動能是原子的一個特征量，因而可以用來做元素闡發。

設想原子某內層能級，好比C1s能級，上的一個電子被外來的電子，光子或離子激發后逸出，在該能級上留下一個空位。此時原子處于高激發態。外層的電子會自覺躍遷到該空位使原子發生弛豫。多余的能量經由過程輻射或非輻射路子耗損失落。若是是輻射路子，原子發射特征的X－射線；若是長短輻射路子，則外層電子填充內層空位時會把另一個同殼層或更外層的電子激發到真空能級以上，而在原子中留下兩個能量較低的空位。那個出射的電子就叫做俄歇電子(見圖5) 。測得了俄歇電子的動能，即可鑒定原子的種類。注重到激發態原子的輻射弛豫的幾率同原子核素數Z的四次方當作正比，固然Li以上的元素都有俄歇峰，但俄歇電子譜顯然更適合闡發輕元素。因為俄歇過程的初始態的連系能在1keV擺布，所以激發用的電子束初始能量為3keV或5keV以盡量獲得較大的離化幾率。

圖6. Ag的AES譜。在N(E)關于動能E的分布曲線上只是一個小鼓包，微分后的dN(E)/dE關于E曲線上峰型很是較著。

在俄歇電子譜學記號中，人們把本家兒量子數為1，2，3……的電子能級分布記為K，L,M等等，是以，俄歇過程和俄歇電子被標識表記標幟為KLL，LMM，等等，此中最小量子數軌道為初始空位所處的軌道，較大量子數軌道標識表記標幟俄歇過程發生后殘剩兩個空位地點的軌道。俄歇電子的動能可由相關軌道的連系能估算出來，

注重俄歇過程華夏子始終處于激發態，而基于定態連系能的計較只能給出俄歇電子動能的粗略估量。

俄歇電子譜儀一般采用采用垂直入射幾何。電子進入固體味和固體內的電子發生強烈的彼此感化，在一個較小的體積內 (尺寸約為1μm) 損掉全數的能量。經由過程電子碰撞處于激發態的原子發射俄歇電子。俄歇電子同樣會和固體內的電子強烈彼此感化，可以或許從固體內當作功逸出的俄歇電子都源于固體概況下幾至幾十納米的規模，因而俄歇電子譜學是一種概況化學闡發手藝。

由電子束激發的俄歇電子顛末能量闡發器后，疊加在能量較低的二次電子和能量部門損掉的反射電子組成的強的布景上，在 N(E) 關于E譜圖上表示為小的，寬度為幾個至十幾eV的鼓包。為了凸起俄歇電子，依靠于所采用的闡發器或后處置算法，俄歇電子譜一般會被表告竣 dN(E)/dE 或 E*dN(E)/dE 關于E的形式 (見圖6) 。

如上所述，激發俄歇過程的初始空位可所以由光子引起的，是以光電子譜上同時有陪伴的俄歇峰。因為現實的光電子譜設置下統一內能級對應的光電子的動能總大于俄歇電子的動能，是以俄歇電子總處于較高布景上。所以光電子譜上的俄歇峰很罕用做闡發。但有一個破例。在光電子譜闡發絕緣樣品時，若是荷電效應未被有用消弭，則光電子峰位發生移動，無法用來研究原子的化學情況造當作的化學位移。可是，荷電效應不影響俄歇參數α，即最明銳的俄歇譜線的動能與響應的光電子譜線的連系能之和。

(5)

此中 E(K) 是自能級K激發的光電子的動能，EA(K) 是由能級K上的空位誘發的俄歇電子的動能。一般地，俄歇峰的化學位移較之光電子譜線的化學位移要大得多，這是因為俄歇過程是一個雙電子過程，涉及到一個雙重離化的終態。在這種環境下，可以經由過程比力俄歇參數研究元素在絕緣固體中的化學位移。

2.3 X－射線熒光光譜

當原子的內殼層一個電子被離化后留下一個空位，原子處于高激發態。原子弛豫的體例之一是其外層電子填充該空位，同時發射一個光子 (見圖7)。光子的能量為躍遷前后原子能量之差，

近似地可表為所涉及的兩電子能級連系能之差。依據光子探測體例分歧，X－射線熒光光譜分為能量色散X－射線闡發 (Energy-dispersed X-ray analysis, EDX) 和波長色散X－射線闡發 (Wavelength-dispersed X-ray analysis, WDX)，前者所用探測器直接檢測光子能量，比力常用，爾后者所用探測器檢測光子的波長。檢測光子能量的探測器為一本征半導體，當X－射線光子入射到半導體上時會發生電子－空穴對，在偏壓驅動下漂移到電極上形當作一個電脈沖，此電脈沖放大后被記實。電子－空穴對的產額與X－射線光子能量正相關，該電脈沖的強度可校準為光子能量。測量特征X－射線的能量可以鑒定樣品中的元素。測量精度為0.1wt%。如上所述，原子輻射躍遷的機率同Z的四次方當作正比，因而這一方式對重元素比力活絡。但跟著探測手藝的前進，今朝用EDX可以很輕易測定元素B的存在。

圖7. 電子束激發特征X－射線的發射過程。電子束感化的體積規模約為1μm。

相反的過程一樣可以用于化學闡發。設想用能量持續的X－射線照射樣品。當X－射線光子能量等于某能級的連系能時，X－射線的接收系數突變，即存在X－射線接收邊。接收邊的位置對應原子芯能級，所以可以做材料的化學闡發，這種方式叫做能量色散X－射線接收譜 (Energy Dispersive X-ray Absorption Spectroscopy, EDXAS)。

EDX的能量分辯率約為180eV，而利用晶體衍射的波長色散的方式其能量分辯率可達到10eV，此刻已有報導稱分辯率可高達2eV，因而鐵的間距為13eV的Kα1,Kα2雙峰可以等閑分辯出來。

EDX以前多設置裝備擺設在掃描電鏡上，但此刻也設置裝備擺設在透射電鏡上這兩種電鏡所利用的入射電子束的初始能量分歧，前者為5至幾十keV，爾后者經常跨越200keV。對于離化能量為1keV量級的電子能級來說，后者的離化效率顯然小得多，響應地，X－射線的產額也少得多，但現代透射電鏡電子束亮度高，所用的光子探測器活絡度也大為提高，是以X－射線的產額也不再是個問題，EDX可以探測所有Z>5的元素。附圖8為一典型的EDX譜。因為高能量的X－射線在出射過程會不竭受到散射，是以低能量峰的布景比力高。

同電子比擬，X－射線在固體內的自由程大得多，EDX方式探測的信息深度由初始電子束的能量決議，一般地在微米量級，所以EDX是一種體材料闡發方式。

圖8. 典型的EDX譜。

EDX方式易受雜散峰的影響 (spectral artifact)，包羅母峰下1.74keV處由硅探測器引起的逃逸峰，由雙光子同時達到探測器引起的合峰，由雜散電子束或X－射線照射到系統上引起的Fe特征峰，等等。這些假峰 (false peaks) 的呈現對尤其是微量或痕量元素的辨識增添不少堅苦，在現實操作中應出格注重。

2.4 電子能量損掉譜

一束具有必然能量的電子入射到固體上，因為其同固體原子，尤其是此中的電子，發生強烈的彼此感化導致部門能量的損掉，此中某些損掉的能量值是關于固體特征的，因而可以用來闡發固體的某些特征。這種電子譜學就被稱為電子能量損掉譜學 (Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS)。

電子能量損掉譜現實是一個很是恍惚輕易引起歧義的字眼，因為特征能量損掉過程依靠于入射電子束的初始能量。當入射電子的初始能量為幾個電子伏特時，電子只和最概況的原子（包羅吸附原子) 彼此感化，這時特征能量損掉為幾十至幾百meV，是由概況原子的振動和動彈能級的激發造當作的。這種意義下的EELS可以用于研究概況吸附原子或分子的位置、鍵長及取標的目的。若是電子能量為幾百甚至幾千eV，這時引起特征能量損掉的是固體內電子的集體振蕩，或稱為等離子體激元 (Plasmon)。這種意義下的EELS手藝可以定量闡發材料內的自由電子密度。

圖9. 配備X－射線能量探測器和平行電子能量探測器的JEOL2010CX型透射電鏡。

可以作為材料化學闡發手段的EELS其電子束的初始能量可以高達幾十萬電子伏特，引起特征能量損掉的是原子內殼層上電子的電離。是以能量損掉是元素的特征量。這種意義下的EELS多設置裝備擺設在透射電鏡上。能量高達幾十萬電子伏特的電子束可由透射電鏡中的電子槍供給，這就是為什么EELS幾乎全數集當作在透射電鏡上的原因。在電子路徑上加裝一個電子能量闡發器和電子探測器，就可以或許獲得EELS譜。圖9是一臺JEOLJEM-200CX型透射電鏡，中心長筒柱為電子槍和透鏡系統；左側較高的筒柱狀附件為EDXX－射線能量闡發器，左側較低的筒柱狀附件為平行電子能量闡發器。

圖10. 典型的能量損掉譜。

EELS譜的特點是其獲得的化學信息是高度局域化，可以用來闡發各類材料的微區化學。極端前提下化學信息僅來歷于幾個原子；二是可以便利地掃描當作象，給出元素的二維分布。其錯誤謬誤是價錢昂貴，探測能量損掉的規模窄，所以只能闡發輕元素，且定量闡發的能力較差。

EELS譜包羅幾個特征部門：零損掉的彈性峰，等離子體激元；離化邊和離化邊邃密布局，多重散射電子等 (見圖10)。離化邊的位置是原子特征的，由其位置可以確定化學元素，而離化邊邃密布局則供給元素的化學情況，甚至電子的態密度等信息。

3 核磁共振

原子核由必然數目的自旋為1/2的質子和中子構成，其總自旋視原子核的組成而各別。自旋的原子核象個小磁體。無外加磁場時，原子核的自旋取標的目的是隨機分布的。加上一外磁場，則原子核的自旋取標的目的受磁場的約束呈現有法則的分布。

在磁場下分為自旋為1/2和–1/2的兩個分量，能量相差

(6)

此中B是磁場強度，γ是旋磁比，是原子核的特征量。測量了旋磁比，就可以確定樣品中的元素。這種方式可以很是活絡地域分分歧的同位素。

核自旋為零，不克不及夠被探測到。

圖11. NMR道理圖解。磁場下自旋的原子核接收射頻電磁波。當電磁波的能量量子對應磁能級之差時，發生共振接收。

圖12. 商用核磁共振儀。樣品、磁鐵和電磁波探頭都放置在磁屏障的低溫情況中。

核磁共振譜探測磁場下原子查對電磁波的接收，探測體例即可以在固體磁場下持續改變電磁波的頻率，也可以利用固定頻率的電磁波但改變磁場強度。樣品一般應放在液氮情況甚至置于更低溫度下，這是為了降低原子核熱漲落引起的能級展寬，提高分辯率。當電磁波對應的能量量子激發了核自旋能級間的躍遷時，發生共振接收 (resonantabsorption)，表示為接收曲線上的強峰。仍以1H1原子核為例，1.41Tesla磁場下，共振接收頻率為60MHz。

圖13. 苯乙烷分子中C原子核的NMR譜。化學位移和自旋－自旋耦合引起的割裂都可以清楚地分辯。注重x軸是頻率位移和本家兒接收頻率的比值，單元ppm。

核磁共振作為一種闡發化學手藝，既可以闡發當作分也可以闡發分子布局。因為切確的共振接收頻率依靠于原子核處局域的有用磁場，但這個磁場會被四周的電荷屏障，所以對化學情況敏感。分歧分子中的或統一分子分歧配位的統一種原子核，在NMR譜上會表示為化學位移，且原子核越是電正性的位移越大。原子核四周的磁場還包羅來自其它原子核的進獻。原子核之間的彼此影響稱為自旋－自旋耦合 (spin-spincoupling) ，會引起接收峰的割裂 (見圖13)。

4 質譜學方式

4.1質譜

原子的最顯著最直不雅的特征是原子的質量，固然一種元素可以