材料的化学信息是理解科学、工程与手艺范畴各类过程、机制和材料行为的最根基要素。材料研究的第一步便是要确定材料的化学，包罗组成材料的原子的种类、分布以及具体的化学态等内容。任何具有元素特征的物理信息，包罗原子量、电子的能级、原子核自旋，甚至局域的电子态密度等都可以用来做材料的化学阐发。化学信息由来自材料自己的或用作探针的电子、光子、离子或中性原子携带，响应的阐发手艺包罗X－射线光电子能谱，俄歇电子谱，核磁共振，特征X－射线阐发，二次离子质谱，能量损掉谱，溅射中性粒子质谱，各类离子散射谱以及扫描地道显微学，等等。本文对上述各类阐发方式的物理道理、仪器以及应用等一一做简要的介绍。

本文是基于笔者2003年前后教学材料化学阐发手艺的课件撰写而当作的，原颁发于《物理》杂志2004年第33卷第4、5期。此次从头清算颁发，但愿让更多人能大白一个最浅近的事理：“全国没有现当作的、不言自明的尝试方式和尝试仪器。” 昔时的图片分辩率太低，仓皇间不及更替，抱愧。鉴于近十几年里科研仪器的飞速前进，本文中的一些手艺参数可能已颠末时，特此声明。

撰文 | 曹则贤（中科院物理所研究员）

1 导 论

材料的化学包罗组成材料的原子种类、分布以及具体的化学态等内容，它是理解科学、工程与手艺范畴各类过程、机制和材料行为的最根基要素。以稀磁半导体材料的研究为例，起首就必需确定掺杂了何种磁性元素，磁性原子的分布，是否本身形当作团簇 (cluster) 或畴(domain) 仍是和半导体元素形当作了某种化合物，那些以替代原子形式掺杂的原子的价态，这些都属于材料化学的范围。只有弄清晰这些化学信息，进一步的有关磁学性质的研究和在自旋电子学 (spintronics) 方面的应用摸索才能进退有据。任何具有元素特征的物理信息，包罗原子量、核素数、电子的能级、原子核自旋，甚至局域的电子态密度等都可以用来做材料的化学阐发。有时元素的化学特征是毫无疑义的，如质量数为1 amu的离子必定是氢离子；有时则可能和其它元素的特征有必然水平上的重合和干扰，有时则爽性需要在已知哪些元素在场的环境下才能经由过程比力加以区分。化学信息可以由材料自己表示出来，但大都环境下则需由作为探针的电子、光子、离子或中性原子与样品经由过程某种彼此感化来获取。常见的用于固体材料化学阐发的手艺包罗光电子能谱，俄歇电子谱，核磁共振，特征X－射线阐发，二次离子质谱，能量损掉谱，溅射中性粒子质谱，各类粒子散射谱以及扫描地道谱学等等。这些方式依据的物理道理分歧，探测体例和仪器机关分歧，获得的化学信息的偏重点和靠得住性分歧，顺应的研究对象也分歧。需要指出的是，一种方式探测的旌旗灯号其反映的材料的物理和化学方面的信息是多方面的，有些信息需要经由过程调整运行参数予以凸起或经由过程分歧前提下的测量加以比力才可以或许提取的。有时辰一些测量成果可能包含杂散旌旗灯号，鬼峰 (ghost line) 或假象 (artifact) ，甚或因为操作不妥所获得的测量成果与样品爽性无关，这会导致得犯错误的结论。是以，理解具体的彼此感化的物理内容、仪器的机关、探针粒子的发生与探测体例以及旌旗灯号的采集与数据处置所采用的数学方式就显得很是主要。别的，跟着材料科学所涉及的各类布局单位以及器件的尺寸不竭缩小，器件的功能越来越强烈地依靠于局域的特定的化学状况，这对材料阐发方式的空间分辩率、能量分辩率和探测活络度的要求也不竭提高。举例来说，用扫描透射显微镜的能量损掉谱线扫描(line scan) 阐发镶嵌在氧化硅基质内的纳米硅颗粒 (典型尺寸约3nm)，此刻能做到能量分辩率好于0.2eV，空间分辩率约为0.2nm。响应地，超高分辩的化学阐发对研究者自己的根本常识和操作技术也提出了很是高的要求。

本文重点介绍今朝常用的化学阐发方式的物理学道理，基于其上的仪器的设计思惟和机关，间或对这些阐发手段应用过程的一些问题做简单的会商。作者相信，研究人员即便无意当作为一个专业的阐发人员也应该充实理解很多阐发方式所涉及的物理过程，熟悉仪器机关和工作道理。只有这样才能针对本身的研究问题追求合适的尝试手段，才可以或许对尝试成果给出合理的谨慎的诠释。为了便利读者查阅英文文献并为了避免术语不规范造当作的歧义，文中关头词都加注了英文原文。按照具体化学所依据的元素的特征，本文把所会商的阐发方式分为四类：(1) 基于电子能级类方式，包罗光电子能谱、俄歇电子谱、特征X－射线阐发、能量损掉谱等等；(2) 基于核自旋的核磁共振方式；(3) 基于原子质量的各类质谱方式；包罗二次离子质谱、溅射中性粒子质谱、各类离子散射谱等；以及(4) 基于局域电子态密度的扫描地道谱学。

本文会商的阐发方式都要求真空前提，这是因为：(1) 仪器部件要求真空。如电子枪的灯丝在高真空下才能工作；光电倍增管不工作时也应保留在真空中以防中毒 (poisoning)。(2) 避免情况气体的干扰。作为探针的电子、光子和离子同情况气体分子的碰撞会发生杂散旌旗灯号，降低旌旗灯号强度和分辩率，丢掉部门信息 (好比偏向和相位的信息)，等等。(3) 防止样品污染。作为简单的判据，假设分子达到样品概况后附着系数 (sticking coefficient) 为1，则当真空为10^（-4） Pa时每秒钟就有一个单层吸附到样品概况。出格地，强的探针粒子束即便在超高真空下也会在局域样品概况引起不成接管的污染。如透射电镜的电子束照射下的样品，在高达10^（-9） Pa的真空下，依然敏捷被吸附碳所污染。情况气体的存在是用物理方式做化学阐发时，尤其是显微阐发，必需考虑的身分。当然，近年为了研究一些材料在现实利用前提下的真实的化学特征与布局，上述的一些阐发仪器还被革新当作了情况(environmental) 阐发手段，但这不在本文会商规模。

2 基于电子能级的化学阐发方式

原子由带正电的原子核和带负电的电子构成。电子在原子核和其它电子所引起的势场内的能级是分立的，是元素数Z的函数。是以，电子的能级或能级间的能量差是元素的特征。组成固体的原子，其外层电子受到来自其它原子的影响，低连系能的能级发生交叠组成能带从而几乎掉去了元素的特征。可是近邻原子对原子的芯能级 (core-level) 的影响较小，仍可以作为元素的特征 (见图1) 。而芯能级受其它原子的影响发生的细小位移，正可以用来研究它的化学情况。基于电子能级类的化学阐发方式有包罗X－射线光电子能谱、能量损掉谱、俄歇电子谱、特征X－射线阐发等。前两种方式涉及的芯能级可所以处于基态的，尔后两种方式则关系处处于激发态的芯能级。

图1. 固体内电子的能级图。芯能级仍是分立的，同自由原子内的电子能级比拟仅有些微的位移。而价电子的能级则交叠形当作能带。能带一般在真空能级以下35eV的规模内。

2.1 X－射线光电子能谱

光电子能谱 (Photoelectron spectroscopy，XPS) 的物理根本是光电效应：当一束足够能量的光子照射到固体概况时，可以或许不雅测到电子自固体概况的发射。关于光电效应的理论诠释自19宿世纪80年月到20宿世纪20年月得以不竭完美。因为准确地诠释了光电效应，爱因斯坦 (A. Einstein) 获得了1921年度的诺贝尔物理学奖。1951年Steinhardt和Serfass起首把光电子发射应用于化学阐发。厥后在20宿世纪50年月到60年月，瑞典的Kai. Siegbahn小组成长了ESCA的理论和当作套仪器，并初创ESCA（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis的缩写，意为用于化学阐发的电子谱学）一词。Siegbahn本人也是以获得了1981年度的诺贝尔物理学奖。

图2. 大型概况阐发仪器ESCA-LabMarkII.仪器包罗半球形阐发器，X射线源，氦放电灯，电子枪，离子枪和中和电子枪，可同时做XPS，UPS和AES谱阐发。

常见的光电子能谱仪由安装在超高真空室上的一个双阳极(Mg/Al)X－射线源和半球能量阐发器构成。能谱仪一般还配备一个氦放电灯、电子枪以及离子枪。氦放电灯、电子枪别离用于紫外光电子能谱 (Ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 和俄歇电子能谱，离子枪用于样品处置。Mg靶和Al靶的kα线别离为1253.6eV和1486.6eV，可以知足常规的X-射线光电子能谱阐发的要求。图2显示的便是一台英国VG公司出产的电子能谱仪ESCA-Lab.XPS谱定性地可用于分辨元素，确定元素芯能级在样品中的化学位移。定量方面，它可以确定样品概况的组分，共同恰当的刻蚀手段还可以做深度轮廓阐发 (depth profiling)。原子被光子离化后其能级上的空位会以多种体例影响光电子的能量分布，研究XPS谱的邃密布局并共同量子化学计较可以获得对样品电子布局的很是深切的领会。

X-射线光电子能谱是经由过程确定光电子发射时所处能级的连系能来辨识样品中的元素组成的。按照方程

（1）

图3. 溅射法合当作的CN薄膜的XPS谱，hν=1253.6eV. O1s峰是由概况吸附引起的。

注重到光电子强度 I 强烈依靠于光电子的逃逸深度，是以上式仅当样品在所采用谱线的信息深度内平均时才给出近似准确的成果。分歧元素的活络度因子由采用的仪器以及测量几何所决议，并必然水平上随样品稍有转变。在操纵式（3）做深度轮廓阐发时，其深度分辩率由光电子的非弹性平均自由程决议。电子在固体中的非弹性平均自由程λ随电子能量的转变近似地遵循一个普适的纪律。改变光子入射或电子出射的角度（半斤八两于改变电子在固体中的旅程）则会不雅察到谱线相对积分强度的转变。操纵这一现象可以定性地判定谱线对应原子在概况层的深度分布。共同λ的切确数值和样品概况布局的模子，甚至可以获得关于原子在概况层的深度分布的定量信息。这在多层模的非粉碎性阐发中尤为主要。

光电子的动能并非由其初始占有能级的连系能简单地决议的。光子自芯能级激发出一个电子后，原子处于高激发态而进入弛豫过程。弛豫过程对光电子动能的影响可以高达10eV。若是原子的电子布局可以用L-S耦合描述，则去除一个芯能级电子后，其离子可以有分歧的电子构型，表示在光电子谱上则会呈现连系能稍有不同的多重谱线。好比来自NO分子的N 1s谱线是相差1.5eV的双峰，

离子弛豫过程可能会把另一电子激发到高能态，甚至进一步离化，这时在本家儿峰的高连系能一侧会不雅察到一系列的卫星峰。

早期的XPS研究就发现，固体中统一元素的不等价原子会引起芯能级的改变，这一现象被称为化学位移。原子的不等价可由多种身分引起：分歧的氧化态，分歧的化学情况，分歧的晶格占位等等。化学位移的直接原因是，当价电子的电荷分布改变时，芯能级电子感触感染到分歧的静电势。化学位移可大可小，典型的如C在某些高分子中统一芯能级对应的谱线可以相差几个eV；而在所谓的全碳布局 (纳米管，富勒烯，类金刚石) 中固然能不雅察到谱线的加宽，但要分化出较着的单个子峰并指定响应的化学情况长短常坚苦的。

同其它电子谱一样，XPS阐发绝缘体材料时会遭遇荷电效应的麻烦。绝缘体因为光电子发射而带上正电荷，是以引起谱漂移和谱线加宽。解决法子之一是在绝缘体概况蒸镀一层金膜或碳膜；另一个法子就是设置装备摆设中和枪（Flood Gun）。中和枪发射极低能量的电子 (约1eV) ，绝缘体带电后就会接收这些低能电子而被中和。若是绝缘体材料是粉末的话，别的一个选择就是把粉末压入金属铟形当作薄层再阐发。

利用常规X－射线源的XPS，阐发规模为几个毫米巨细，是以成果是来自较大规模的平均值。现代光电子手艺的成长催生了光电子显微术 (Photoemission electron microscopy, PEEM)。经由过程扫描入射光束，探测光电子的特征随位置的转变可以获得样品元素组成的显微像。操纵透镜光阑限制进入阐发器的光电子规模，PEEM可以或许实现好于20纳米的空间分辩率。PEEM手艺可以矫捷地选择描摹衬度，功函数衬度，化学衬度或磁衬度为所研究的概况当作象。

图4. 单色小束斑X射线发生道理图。

光电子谱是一门古老而又年青的尝试方式。跟着人们对电子光发射现象熟悉的不竭深切，仪器科学的不竭前进，光电子谱学还会不竭焕发出新的面孔。光电子谱学相关尝试手艺在物理、化学、材料科学、半导体科学与器件等范畴获得了越来越普遍的应用。举例来说，以前的X射线源（Mg/Al靶) 其谱线

这极大地限制了XPS的能量分辩率。此刻，罗兰圆半径达500mm的X－射线单色仪已经贸易化。单色仪不仅提高了XPS能量分辩率，还缩小了束斑尺寸 (可达 30μm)，使得XPS微区化学阐发当作为常规阐发科目。今朝光电子谱相关尝试手艺的本家儿要开辟供给商为英国的VG microtechnology公司、德国的Omicron公司、美国的Physical electronic公司和瑞典的Gammadata等多家大公司。科研人员可以按照研究内容的要求，机关知足分歧用途的包罗光电子谱仪、其它各类阐发仪器和材料处置/制备手段的集当作化系统。

2.2 俄歇电子谱

俄歇电子谱 (Auger electron spectroscopy, AES) 是以法国科学家Pierre Auger发现的一个现象定名的。1920年Auger在用云室研究α-粒子与原子碰撞时发现产品中某种带电粒子的圆形轨迹的半径不依靠于α-粒子的初始能量，而只同原子的种类有关。后来进一步的研究发现，这种带电粒子是由原子中激发出来的电子，其动能仅由原子的电子能级所决议。这种现象即被定名为俄歇现象。因为俄歇电子的动能是原子的一个特征量，因而可以用来做元素阐发。

设想原子某内层能级，好比C1s能级，上的一个电子被外来的电子，光子或离子激发后逸出，在该能级上留下一个空位。此时原子处于高激发态。外层的电子会自觉跃迁到该空位使原子发生弛豫。多余的能量经由过程辐射或非辐射路子耗损失落。若是是辐射路子，原子发射特征的X－射线；若是长短辐射路子，则外层电子填充内层空位时会把另一个同壳层或更外层的电子激发到真空能级以上，而在原子中留下两个能量较低的空位。那个出射的电子就叫做俄歇电子(见图5) 。测得了俄歇电子的动能，即可鉴定原子的种类。注重到激发态原子的辐射弛豫的几率同原子核素数Z的四次方当作正比，固然Li以上的元素都有俄歇峰，但俄歇电子谱显然更适合阐发轻元素。因为俄歇过程的初始态的连系能在1keV摆布，所以激发用的电子束初始能量为3keV或5keV以尽量获得较大的离化几率。

图6. Ag的AES谱。在N(E)关于动能E的分布曲线上只是一个小鼓包，微分后的dN(E)/dE关于E曲线上峰型很是较着。

在俄歇电子谱学记号中，人们把本家儿量子数为1，2，3……的电子能级分布记为K，L,M等等，是以，俄歇过程和俄歇电子被标识表记标帜为KLL，LMM，等等，此中最小量子数轨道为初始空位所处的轨道，较大量子数轨道标识表记标帜俄歇过程发生后残剩两个空位地点的轨道。俄歇电子的动能可由相关轨道的连系能估算出来，

注重俄歇过程华夏子始终处于激发态，而基于定态连系能的计较只能给出俄歇电子动能的粗略估量。

俄歇电子谱仪一般采用采用垂直入射几何。电子进入固体味和固体内的电子发生强烈的彼此感化，在一个较小的体积内 (尺寸约为1μm) 损掉全数的能量。经由过程电子碰撞处于激发态的原子发射俄歇电子。俄歇电子同样会和固体内的电子强烈彼此感化，可以或许从固体内当作功逸出的俄歇电子都源于固体概况下几至几十纳米的规模，因而俄歇电子谱学是一种概况化学阐发手艺。

由电子束激发的俄歇电子颠末能量阐发器后，叠加在能量较低的二次电子和能量部门损掉的反射电子组成的强的布景上，在 N(E) 关于E谱图上表示为小的，宽度为几个至十几eV的鼓包。为了凸起俄歇电子，依靠于所采用的阐发器或后处置算法，俄歇电子谱一般会被表告竣 dN(E)/dE 或 E*dN(E)/dE 关于E的形式 (见图6) 。

如上所述，激发俄歇过程的初始空位可所以由光子引起的，是以光电子谱上同时有陪伴的俄歇峰。因为现实的光电子谱设置下统一内能级对应的光电子的动能总大于俄歇电子的动能，是以俄歇电子总处于较高布景上。所以光电子谱上的俄歇峰很罕用做阐发。但有一个破例。在光电子谱阐发绝缘样品时，若是荷电效应未被有用消弭，则光电子峰位发生移动，无法用来研究原子的化学情况造当作的化学位移。可是，荷电效应不影响俄歇参数α，即最明锐的俄歇谱线的动能与响应的光电子谱线的连系能之和。

(5)

此中 E(K) 是自能级K激发的光电子的动能，EA(K) 是由能级K上的空位诱发的俄歇电子的动能。一般地，俄歇峰的化学位移较之光电子谱线的化学位移要大得多，这是因为俄歇过程是一个双电子过程，涉及到一个双重离化的终态。在这种环境下，可以经由过程比力俄歇参数研究元素在绝缘固体中的化学位移。

2.3 X－射线荧光光谱

当原子的内壳层一个电子被离化后留下一个空位，原子处于高激发态。原子弛豫的体例之一是其外层电子填充该空位，同时发射一个光子 (见图7)。光子的能量为跃迁前后原子能量之差，

近似地可表为所涉及的两电子能级连系能之差。依据光子探测体例分歧，X－射线荧光光谱分为能量色散X－射线阐发 (Energy-dispersed X-ray analysis, EDX) 和波长色散X－射线阐发 (Wavelength-dispersed X-ray analysis, WDX)，前者所用探测器直接检测光子能量，比力常用，尔后者所用探测器检测光子的波长。检测光子能量的探测器为一本征半导体，当X－射线光子入射到半导体上时会发生电子－空穴对，在偏压驱动下漂移到电极上形当作一个电脉冲，此电脉冲放大后被记实。电子－空穴对的产额与X－射线光子能量正相关，该电脉冲的强度可校准为光子能量。测量特征X－射线的能量可以鉴定样品中的元素。测量精度为0.1wt%。如上所述，原子辐射跃迁的机率同Z的四次方当作正比，因而这一方式对重元素比力活络。但跟着探测手艺的前进，今朝用EDX可以很轻易测定元素B的存在。

图7. 电子束激发特征X－射线的发射过程。电子束感化的体积规模约为1μm。

相反的过程一样可以用于化学阐发。设想用能量持续的X－射线照射样品。当X－射线光子能量等于某能级的连系能时，X－射线的接收系数突变，即存在X－射线接收边。接收边的位置对应原子芯能级，所以可以做材料的化学阐发，这种方式叫做能量色散X－射线接收谱 (Energy Dispersive X-ray Absorption Spectroscopy, EDXAS)。

EDX的能量分辩率约为180eV，而利用晶体衍射的波长色散的方式其能量分辩率可达到10eV，此刻已有报导称分辩率可高达2eV，因而铁的间距为13eV的Kα1,Kα2双峰可以等闲分辩出来。

EDX以前多设置装备摆设在扫描电镜上，但此刻也设置装备摆设在透射电镜上这两种电镜所利用的入射电子束的初始能量分歧，前者为5至几十keV，尔后者经常跨越200keV。对于离化能量为1keV量级的电子能级来说，后者的离化效率显然小得多，响应地，X－射线的产额也少得多，但现代透射电镜电子束亮度高，所用的光子探测器活络度也大为提高，是以X－射线的产额也不再是个问题，EDX可以探测所有Z>5的元素。附图8为一典型的EDX谱。因为高能量的X－射线在出射过程会不竭受到散射，是以低能量峰的布景比力高。

同电子比拟，X－射线在固体内的自由程大得多，EDX方式探测的信息深度由初始电子束的能量决议，一般地在微米量级，所以EDX是一种体材料阐发方式。

图8. 典型的EDX谱。

EDX方式易受杂散峰的影响 (spectral artifact)，包罗母峰下1.74keV处由硅探测器引起的逃逸峰，由双光子同时达到探测器引起的合峰，由杂散电子束或X－射线照射到系统上引起的Fe特征峰，等等。这些假峰 (false peaks) 的呈现对尤其是微量或痕量元素的辨识增添不少坚苦，在现实操作中应出格注重。

2.4 电子能量损掉谱

一束具有必然能量的电子入射到固体上，因为其同固体原子，尤其是此中的电子，发生强烈的彼此感化导致部门能量的损掉，此中某些损掉的能量值是关于固体特征的，因而可以用来阐发固体的某些特征。这种电子谱学就被称为电子能量损掉谱学 (Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS)。

电子能量损掉谱现实是一个很是恍惚轻易引起歧义的字眼，因为特征能量损掉过程依靠于入射电子束的初始能量。当入射电子的初始能量为几个电子伏特时，电子只和最概况的原子（包罗吸附原子) 彼此感化，这时特征能量损掉为几十至几百meV，是由概况原子的振动和动弹能级的激发造当作的。这种意义下的EELS可以用于研究概况吸附原子或分子的位置、键长及取标的目的。若是电子能量为几百甚至几千eV，这时引起特征能量损掉的是固体内电子的集体振荡，或称为等离子体激元 (Plasmon)。这种意义下的EELS手艺可以定量阐发材料内的自由电子密度。

图9. 配备X－射线能量探测器和平行电子能量探测器的JEOL2010CX型透射电镜。

可以作为材料化学阐发手段的EELS其电子束的初始能量可以高达几十万电子伏特，引起特征能量损掉的是原子内壳层上电子的电离。是以能量损掉是元素的特征量。这种意义下的EELS多设置装备摆设在透射电镜上。能量高达几十万电子伏特的电子束可由透射电镜中的电子枪供给，这就是为什么EELS几乎全数集当作在透射电镜上的原因。在电子路径上加装一个电子能量阐发器和电子探测器，就可以或许获得EELS谱。图9是一台JEOLJEM-200CX型透射电镜，中心长筒柱为电子枪和透镜系统；左侧较高的筒柱状附件为EDXX－射线能量阐发器，左侧较低的筒柱状附件为平行电子能量阐发器。

图10. 典型的能量损掉谱。

EELS谱的特点是其获得的化学信息是高度局域化，可以用来阐发各类材料的微区化学。极端前提下化学信息仅来历于几个原子；二是可以便利地扫描当作象，给出元素的二维分布。其错误谬误是价钱昂贵，探测能量损掉的规模窄，所以只能阐发轻元素，且定量阐发的能力较差。

EELS谱包罗几个特征部门：零损掉的弹性峰，等离子体激元；离化边和离化边邃密布局，多重散射电子等 (见图10)。离化边的位置是原子特征的，由其位置可以确定化学元素，而离化边邃密布局则供给元素的化学情况，甚至电子的态密度等信息。

3 核磁共振

原子核由必然数目的自旋为1/2的质子和中子构成，其总自旋视原子核的组成而各别。自旋的原子核象个小磁体。无外加磁场时，原子核的自旋取标的目的是随机分布的。加上一外磁场，则原子核的自旋取标的目的受磁场的约束呈现有法则的分布。

在磁场下分为自旋为1/2和–1/2的两个分量，能量相差

(6)

此中B是磁场强度，γ是旋磁比，是原子核的特征量。测量了旋磁比，就可以确定样品中的元素。这种方式可以很是活络地域分分歧的同位素。

核自旋为零，不克不及够被探测到。

图11. NMR道理图解。磁场下自旋的原子核接收射频电磁波。当电磁波的能量量子对应磁能级之差时，发生共振接收。

图12. 商用核磁共振仪。样品、磁铁和电磁波探头都放置在磁屏障的低温情况中。

核磁共振谱探测磁场下原子查对电磁波的接收，探测体例即可以在固体磁场下持续改变电磁波的频率，也可以利用固定频率的电磁波但改变磁场强度。样品一般应放在液氮情况甚至置于更低温度下，这是为了降低原子核热涨落引起的能级展宽，提高分辩率。当电磁波对应的能量量子激发了核自旋能级间的跃迁时，发生共振接收 (resonantabsorption)，表示为接收曲线上的强峰。仍以1H1原子核为例，1.41Tesla磁场下，共振接收频率为60MHz。

图13. 苯乙烷分子中C原子核的NMR谱。化学位移和自旋－自旋耦合引起的割裂都可以清楚地分辩。注重x轴是频率位移和本家儿接收频率的比值，单元ppm。

核磁共振作为一种阐发化学手艺，既可以阐发当作分也可以阐发分子布局。因为切确的共振接收频率依靠于原子核处局域的有用磁场，但这个磁场会被四周的电荷屏障，所以对化学情况敏感。分歧分子中的或统一分子分歧配位的统一种原子核，在NMR谱上会表示为化学位移，且原子核越是电正性的位移越大。原子核四周的磁场还包罗来自其它原子核的进献。原子核之间的彼此影响称为自旋－自旋耦合 (spin-spincoupling) ，会引起接收峰的割裂 (见图13)。

4 质谱学方式

4.1质谱

原子的最显著最直不雅的特征是原子的质量，固然一种元素可以