МИКРОВОЛНО́ВАЯ СПЕКТРОСКОПИ́Я

МИКРОВОЛНО́ВАЯ СПЕКТРОСКОПИ́Я, в ши­ро­ком смыс­ле – об­ласть ра­дио­спек­тро­ско­пии в диа­па­зо­не от де­ци­мет­ро­вых до суб­мил­ли­мет­ро­вых волн (диа­па­зон час­тот 10⁸–10¹³ Гц), вклю­чаю­щая спек­тро­ско­пию кон­ден­си­ро­ван­ных и га­зо­вых сред. В уз­ком, но наи­бо­лее упот­ре­би­тель­ном смыс­ле к М. с. от­но­сят ис­сле­до­ва­ния мо­ле­кул, ато­мов, мо­ле­ку­ляр­ных ком­плек­сов и ио­нов, сво­бод­ных ра­ди­ка­лов пре­им. в га­зо­вой фа­зе. М. с. ис­сле­ду­ет тон­кую и сверх­тон­кую струк­ту­ры вра­ща­тель­ных и низ­ко­час­тот­ных ко­ле­ба­тель­ных спек­тров мо­ле­кул, ато­мов, мо­ле­ку­ляр­ных ком­плек­сов, ио­нов и ра­ди­ка­лов, а так­же элек­трон­ные спек­тры воз­бу­ж­дён­ных ато­мов (см. Мо­ле­ку­ляр­ные спек­тры, Атом­ные спек­тры). Ис­сле­до­ва­ния про­во­дят­ся мик­ро­вол­но­вы­ми спек­тро­мет­ра­ми, в ко­то­рых из­ме­ря­ет­ся по­гло­ще­ние из­лу­че­ния ис­сле­дуе­мым га­зом. В про­стей­шем спек­тро­мет­ре из­ме­ря­ет­ся ам­пли­ту­да мик­ро­вол­но­во­го из­лу­че­ния, про­шед­ше­го че­рез за­пол­нен­ную ис­сле­дуе­мым га­зом ячей­ку.

Ме­то­да­ми М. с. мож­но на­блю­дать весь­ма уз­кие спек­траль­ные ли­нии, т. е. дос­ти­гать вы­со­ко­го спек­траль­но­го раз­ре­ше­ния. Ши­ри­ны ли­ний, обу­слов­лен­ные столк­но­ве­ния­ми час­тиц га­за, в мик­ро­вол­но­вом диа­па­зо­не со­став­ля­ют от 10 до 1 МГц. Умень­шая дав­ле­ние изу­чае­мых га­зов, мож­но по­лу­чить спек­траль­ные ли­нии ши­ри­ной 1–0,1 МГц без по­те­ри чув­ст­ви­тель­но­сти их ре­ги­ст­ра­ции (ши­ри­на ли­ний оп­ре­де­ля­ет­ся До­п­ле­ра эф­фек­том при дви­же­нии час­тиц). Вы­со­кое спек­траль­ное раз­ре­ше­ние реа­ли­зу­ет­ся в мик­ро­вол­но­вых спек­тро­мет­рах на ос­но­ве мо­но­хро­ма­ти­че­ских, пе­ре­страи­вае­мых по час­то­те ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния, та­ких, напр., как клис­тро­ны, лам­пы об­рат­ной вол­ны. Для даль­ней­ше­го су­же­ния спек­траль­ных ли­ний ис­поль­зу­ют­ся ме­то­ды не­ли­ней­ной спек­тро­ско­пии. Наи­бо­лее уз­кие спек­траль­ные ли­нии реа­ли­зу­ют­ся в кван­то­вых стан­дар­тах час­то­ты, ба­зи­рую­щих­ся на оп­ре­де­лён­ных сверх­тон­ких пе­ре­хо­дах в не­ко­то­рых ато­мах или ио­нах. В кол­ли­ми­ро­ван­ных мо­ле­ку­ляр­ных и атом­ных пуч­ках, пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­прав­ле­нию рас­про­стра­не­ния из­лу­че­ния, ши­ри­ны ли­ний дос­ти­га­ют 10–0,2 кГц, а при ло­ка­ли­за­ции ато­мов в об­лас­тях с раз­ме­ра­ми, мень­ши­ми дли­ны вол­ны пе­ре­хо­да, про­ис­хо­дит су­же­ние ши­ри­ны ли­ний до 0,01 Гц (т. н. су­же­ние Дик­ке). В этих слу­ча­ях ши­ри­ны ли­ний оп­ре­де­ля­ют­ся вре­ме­нем взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц с по­лем из­лу­че­ния. Что­бы его уве­ли­чить, пу­чок пред­ва­ри­тель­но ох­ла­ж­да­ет­ся ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем (см. Ла­зер­ное ох­ла­ж­де­ние). Вслед­ст­вие ма­лой ши­ри­ны спек­траль­ных ли­ний и вы­со­кой точ­но­сти из­ме­ре­ния час­то­ты мик­ро­вол­но­во­го из­лу­че­ния от­но­сит. точ­ность оп­ре­де­ле­ния по­ло­же­ния спек­траль­ных ли­ний дос­ти­га­ет 10^–8 в обыч­ных и 10^–12 в суб­до­п­ле­ров­ских спек­тро­мет­рах.

Ме­то­ды M. с. по­зво­ля­ют наи­бо­лее точ­но оп­ре­де­лить зна­че­ния атом­ных и мо­ле­ку­ляр­ных кон­стант (напр., час­то­ты ко­ле­ба­ний и ве­ли­чи­ны сверх­тон­ких рас­ще­п­ле­ний уров­ней энер­гии, ди­поль­ные мо­мен­ты мо­ле­кул, квад­ру­поль­ные мо­мен­ты атом­ных ядер). До­пол­нит. ин­фор­ма­цию да­ёт из­ме­ре­ние сдви­гов и рас­ще­п­ле­ний спек­траль­ных ли­ний в элек­три­че­ском (Штар­ка эф­фект) и маг­нит­ном (Зее­ма­на эф­фект) по­лях. На­блю­дае­мые с по­мо­щью ра­дио­те­ле­ско­пов мик­ро­вол­но­вые спек­траль­ные ли­нии мо­ле­кул и ато­мов да­ют ин­фор­ма­цию о со­ста­ве меж­звёзд­но­го ве­ще­ст­ва, хи­мич. про­цес­сах и фи­зич. ус­ло­ви­ях в меж­звёзд­ном про­стран­ст­ве. Ис­сле­ду­ют­ся спек­тры ма­лых ван-дер-ва­аль­со­вых кла­сте­ров, об­ра­зую­щих­ся при ох­ла­ж­де­нии мо­ле­кул в сверх­зву­ко­вых га­зо­вых стру­ях.

Отд. на­прав­ле­ние М. с. – изу­че­ние меж­мо­ле­ку­ляр­но­го взаи­мо­дей­ст­вия, про­яв­ляю­ще­го­ся в сдви­гах и уши­ре­ни­ях спек­траль­ных ли­ний при рос­те дав­ле­ния га­за. Эти ис­сле­до­ва­ния важ­ны для по­ни­ма­ния ме­ха­низ­мов по­гло­ще­ния мик­ро­вол­но­во­го из­лу­че­ния в зем­ной ат­мо­сфере.

Вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность спек­тро­мет­ров по­зво­ля­ет ис­сле­до­вать пе­ре­хо­ды с ма­лым элек­трич. ди­поль­ным мо­мен­том, ред­кие мо­ди­фи­ка­ции изо­то­пов и не­ста­биль­ные мо­ле­ку­лы, ана­ли­зи­ро­вать мо­ле­ку­ляр­ные мик­ро­при­ме­си в га­зах. Для уве­ли­че­ния чув­ст­ви­тель­но­сти ис­поль­зу­ет­ся ох­ла­ж­де­ние при­ём­ни­ков из­лу­че­ния до крио­ген­ных тем­пе­ра­тур и мо­ду­ля­ция час­то­ты из­лу­че­ния и по­гло­ще­ния пе­ре­мен­ным элек­трич. по­лем (т. н. штар­ков­ская мо­ду­ля­ция). Ино­гда ис­сле­дуе­мый газ по­ме­ща­ют в от­кры­тый ре­зо­на­тор с вы­со­кой доб­рот­но­стью и с боль­шой эф­фек­тив­ной дли­ной по­гло­ще­ния, что так­же уве­ли­чи­ва­ет ам­пли­ту­ду на­блю­дае­мо­го сиг­на­ла. Эти ре­зо­на­то­ры наи­бо­лее эф­фек­тив­ны при ис­сле­до­ва­нии объ­ек­тов с ог­ра­ни­чен­ны­ми раз­ме­ра­ми (напр., сверх­зву­ко­вых га­зо­вых струй). В сан­ти­мет­ро­вом диа­па­зо­не длин волн наи­боль­шей чув­ст­ви­тель­но­стью об­ла­да­ют им­пульс­ные фу­рье-спек­тро­мет­ры.