光谱是研究原子结构的重要途径之一。光谱测量灵敏度与分辨率的提高为原子能级的精细与超精细结构研究带来了便利。
电子自旋和轨道运动作用引起原子能级的分裂，产生光谱的精细结构。研究钠原子光谱时发现的D线分裂就是原子精细结构。原子光谱的超精细结构是更小的能级分裂引起的，主要是由原子核的磁偶极矩和电四极矩导致的。原子核有核自旋磁矩，而核外的电子运动产生磁场，两者相互作用产生的超精细结构称为磁偶极相互作用。原子核具有一定的自旋角动量方向，导致了原子核的电荷虽然均匀分布，但是组成的形状不再具备标准的球对称性，而是像把圆球沿着核自旋方向拉长或压缩的一个椭球体，并且以核自旋方向为对称轴旋转。原子核偏离球形的量产生电四极矩。核电四极矩同电子产生的电场相互作用即核电四极相互作用。
实验室的原子分子吸收光谱研究组，利用连续可调谐钛宝石激光器，通过吸收光谱技术，近期测量了近红外波段卤素原子氟、溴、碘的吸收光谱。利用光外差技术光谱技术，获得了很高的光谱测量灵敏度，可以测量到原子的极弱吸收光谱。利用浓度调制吸收光谱技术，获得了极好的吸收线型的光谱，结合光谱解析技术，可以直观地获得能级的超精细结构常数。图1所示的是碘原子的一个超精细结构光谱与对应的光谱分析结果。
不是所有原子能级的超精细结构参数都需要通过实验获得。在理解超精细能级分裂产生的内在物理机制后，可以通过建立理论模型，通过计算得到所有能级比较准确的能级结构信息。而实验获得的原子光谱超精细参数，可以为原子理论模型的建立提供精确的实验依据。比如，我们首次测量到氟原子2p4 (3P) 3d的15个能级的超精细结构参数，如图2所示，这个实验数据可以为这个电子组态的理论研究，提供了必需的实验数据参考。
现代物理学的发展对原子的精密光谱与能级提出了新的应用需求。课题组的部分工作被NIST的原子能级与光谱文献数据库收录。相关工作发表在：J. Quant. Spectrosc. Ra. 205, 1 (2018); J. Quant. Spectrosc. Ra.196,165(2017); J. Quant. Spectrosc. Ra. 161, 153 (2015).
图1 碘原子的超精细结构光谱与超精细跃迁光谱解析。
图2. 氟原子的34个跃迁用于超精细能级研究，首次获得该原子2p4 (3P) 3d的15个能级(单位cm-1)的超精细分裂参数。
