穆斯堡尔效应原理1_lx-1
穆斯堡尔效应
主要内容：
1
2
穆斯堡尔效应 穆斯堡尔谱学 穆斯堡尔实验技术
3
4 5
穆斯堡尔谱学的应用
穆斯堡尔谱学的发展
1.穆斯堡尔效应
have discovered an unexpected effect which now bears your name. You have explained this effect experimentally and theoretically, and thereby created a device which is of fundamental importance in numerous realms of physics, and which is nowadays being investigated and put to use in a large number of physical laboratories. By your discovery it has become possible to examine precisely, numerous important phenomena formerly beyond or at the limit of attainable accuracy of measurement.
引力红移是三个验证爱因斯坦 广义相对论的基本效应之一（光 线在太阳附近的偏折、行星近日 点的进动）。
穆斯堡尔学与核物理
（2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ利用超精细相互作用测量相关系数
超 精 细 相 互 作 用
Ⅰ.电单极相互作用
同质异能移
Ⅱ.电四极相互作用
四极分裂
Ⅲ.磁偶极相互作用
磁超精细分裂
穆斯堡尔
穆斯堡尔当一种原子核发射的电磁辐射（g辐射）作用于同一种原子核上时，一般不会发生共振吸收，这是因为原子核要受到反冲，g辐射的能量和频率将会减少在穆思堡尔效应被发现以前，一般采用补偿反冲能量损失的办法来研究g辐射的共振吸收，但是，这样观察到的共振谱线的宽度远大于核谱线的自然宽度，共振吸收的信号太弱，本底太强，使得核谱线共振吸收技术的应用受到很大限制。
1958年，穆思堡尔在研究铱低温g辐射共振吸收实验时发现：如果发射或吸收g辐射的原子核束缚在晶体的晶格中，便可以消除原子核反冲及其对波长的影响。
这种无反冲的g辐射共振吸收效应就被称为穆思堡尔效应。
1960年，人们利用穆思堡尔效应成功地验证了爱因斯坦在相对论中预言的引力红移。
现在，穆思堡尔效应应用十分广泛，除了是研究固态物理微观结构的一种有力工具外，它的应用几乎遍及物理学的各个部门，甚至在化学、分子生物学、地质学和医学等方面也都起着广泛和重要的作用。
穆斯堡尔谱学给出的信息：穆斯堡尔谱学主要论述的是具有一定体积的原子核与其周围环境电或磁的相互作用。
这种相互作用的一方是原子核，它具有电荷、电四极距和磁偶极距，相互作用的另一方面是环境在核处形成的电荷分布、电场梯度和磁场。
所谓环境通常是指原子核的核外电子、近邻原子的电荷和磁距。
穆斯堡尔仪器的基本构成和原理。
穆斯堡尔效应是一种无反冲的γ射线的共振吸收或共振散射效应。
当穆斯堡尔放射源在振子中获得多普勒速度补偿时，它就有可能和吸收体（样品）产生共振吸收。
在共振吸收时，探测器探测到的γ射线强度明显下降，从而可得到样品的共振吸收谱线。
如典型的α-Fe样品谱线共有六个峰，对应于不同的速度值，即不同的补偿能量值。
通用接口送出步进信号给函数产生器。
函数产生器将此序列脉冲分频，获得对称的方波信号，经积分后得到三角波信号，并作为基准信号被送入功率放大器。
同时，对应于三角波的谷点输出正同步信号给通用接口。
振动子处拾波线圈感应的信号也加入到功率放大器，功率放大器放大基准信号和感应信号的差值，将其送入到振动子的驱动线圈上。
穆斯堡尔谱解析
穆斯堡尔谱解析穆斯堡尔谱解析穆斯堡尔效应是指铁族元素或其同位素的核自发辐射与晶格震动相互作用时发生的一种物理现象。
穆斯堡尔效应在化学、物理、材料学等领域具有广泛应用，可以提供原子、分子、离子的详细结构信息。
而穆斯堡尔谱谱图解析对于这些领域研究的进展至关重要。
1. 穆斯堡尔谱的基本原理穆斯堡尔谱是具有高分辨率、高灵敏度和高选择性的核磁共振技术。
其分析基本原理是通过核固有的自旋取向状态、核波矢的变化和与外部场的相互作用等，反映出核的周围电子和所嵌入的物质的性质。
2. 穆斯堡尔谱的特点穆斯堡尔谱谱图可以提供一些特定的定量信息，如原子核的价态、配位数、离子半径和联合程度等。
另外，穆斯堡尔谱不受样品形态和状态的限制，可以研究固体、液体、气体甚至是生物物质。
3. 穆斯堡尔谱解析的应用穆斯堡尔谱谱图解析在化学、物理、材料学等领域具有广泛应用。
常用于研究催化机理、氧化还原反应、电子转移、氧化剂和还原剂的定量分析、晶格缺陷及其影响等方面。
在材料学中，穆斯堡尔谱谱图解析可以解析纳米材料的晶格结构、表面化学和电子结构中的差异，研究材料的磁性、力学性质和温度依赖性质等。
4. 穆斯堡尔谱谱图解析的挑战穆斯堡尔谱谱图往往存在多峰性和线宽广的问题，因此解析谱图具有一定的挑战性。
针对这些问题，研究人员发展了多种定量分析方法和数据处理技术，如傅立叶变换、小波变换、能量拟合等。
5. 结语穆斯堡尔谱谱图解析是一项复杂而又具有广泛应用的技术，具有提供描述化学反应机制和研究材料性质的重要价值。
未来，在物理、化学、材料科学等领域中，穆斯堡尔谱谱图解析将会成为研究的关键手段。
第7章穆斯堡尔效应剖析
13
核分析基础及应用
第一节 穆斯堡尔效应及穆斯堡尔谱
二、基本原理
➢由于吸收体物质中化学组成或晶体结构不同，吸收的光子 能量会有细微变化。 ➢穆斯堡尔谱分析即是应用穆斯保尔效应研究分子中原子的 价态、晶体结构、化学键的离子性、配位数等变化而引起的 核能级的变化。 ➢应用穆斯堡尔谱研究原子核与核外环境的超精细相互作用 的学科叫做穆斯堡尔谱学。
第二节 穆斯堡尔参数
原子核存在于由原子的壳层电子和邻近配位体的电荷所 产生的电磁场中，原子核本身又带正电荷，因此核与核所 处的电场和磁场之间存在着相互作用，这种作用十分微弱 ，称为超精细作用，对穆斯堡尔谱图有一定的影响。
虽然这种影响极微小，但由于穆斯堡尔效应的能量分辨率 极高，在穆斯堡尔谱中峰的位置、形状、宽度和面积上都 能灵敏地反映出来。 三种主要的超精细作用： ✓ 同质异能位移； ✓ 四极矩分裂； ✓ 磁超精细分裂。
11
核分析基础及应用
第一节 穆斯堡尔效应及穆斯堡尔谱
二、基本原理
➢ 几个铁及铁的氧化物的穆斯堡 尔谱。
12
核分析基础及应用
第一节 穆斯堡尔效应及穆斯堡尔谱
二、基本原理
穆斯堡尔谱图：
横坐标为放射源的运动速度，单位为mm/s；
纵坐标为吸收率（或者透射率），为电压脉冲信号经放 大、分析而记录出来。
Cu－Fe合金的穆谱
1961年，穆斯堡尔由 于发现穆斯堡尔效应 分享到了诺贝尔物理 学奖。
3
核分析基础及应用
第一节 穆斯堡尔效应及穆斯堡尔谱
一、穆斯堡尔效应
➢ 无反冲原子核的γ发射和其共振吸收现象。即处于激发 态的原子核发射出的γ光子，被另一个处于基态的同种 元素原子核所吸收，而跃迁到激发态的现象。
穆斯堡尔效应
• 4 以不同基态的穆斯堡尔谱源去测量同一
吸收体的穆斯堡尔谱时，所得化学位移不 同。所以通常需要说明这种化学位移是相 对于何种标准吸收体而言。 • 5 当穆斯堡尔谱原子处于不同价态和不同 自旋状态时，原则上有不同的化学位移。 6化学位移决定谱线中心的位置移动，但不是 唯一的决定因素，温度效应与化学位移叠 加在一起决定谱线中心的位置。
电作用引起的。
结论：
• 1 如果激发态核半径与基态核半径不等，则化学
位移可以不为零，而与这个穆斯堡尔原子核周围 电子配置情况有关，所以根据δ可以得到化学键性 质、价态、氧化态、配位基的电负性等化学信息。 • 2 如果放射源中穆斯堡尔原子所处的化学状态和 吸收体完全相同，则化学位移总是为零，所得谱 线共振吸收最大处即是谱仪零速度处。 • 3 δ可正可负。δ为正，说明从放射源到吸收体在 核处的电子电荷密度是增加的，原子核体积减小； δ为负，说明从放射源到吸收体在核处的电子电荷 密度是减小的，原子核体积增加。
第一节 原理 一 多卜勒效应:
如一个幅射源相对接收者运动, 则对接收者而 言, 幅射波长（频率、能量）随二者的相对 运动方向与速度而变化： ΔE=VE/C ΔE-射线能量的变化； E-射线能量 V-速度，
• 二 同质异能核 • 1电荷数与质量相同但能态不同的核，
如：Fe, Fe + Fe 2+, Fe 3+ , Fe 6+ 。 • 2如用放射性核57Fe为标样，它发出能 量为A=hv的γ射线；（γ射线是不稳定 的原子核从能量较高的激发态跃迁到能 量较低的能级或基态时，放出的电磁波） • 含铁样品中Fe 的能级差为B； • 设ΔE=A-B
三、四极矩分裂Qs
• 虽然原子核的形状接近球形，但多数核是
穆斯堡尔谱原理及应用
为了获得准确的实验结果，需要控制实验环境的 温度、压力等因素，以减少外部因素对实验结果 的影响。
03 穆斯堡尔谱在材料科学中 应用
金属与合金材料研究
相变研究
利用穆斯堡尔谱可以研究金属与 合金中的相变过程，如马氏体相 变、贝氏体相变等，揭示相变过 程中的原子结构和化学键变化。
缺陷与扩散研究
02
原子核能级的精细结 构
穆斯堡尔效应揭示了原子核能级的精细 结构，这种结构使得不同原子核在相同 条件下吸收或发射的γ射线能量有所不 同。
03
原子核与周围环境的 相互作用
原子核所处的化学环境、电子环境等 都会对其能级结构产生影响，进而影 响穆斯堡尔效应。
穆斯堡尔谱定义
01
γ射线能量与吸收系数的关系
穆斯堡尔谱与能级结构的关系
通过分析穆斯堡尔谱的峰位、峰宽和峰强等参数，可以了解原子核的能级结构以及其与周围环境的相互 作用等信息。这些信息对于研究原子核的性质和核反应机制具有重要意义。
02 穆斯堡尔谱实验技术
放射源与探测器
放射源
通常使用穆斯堡尔同位素作为放射源，如57Fe、119Sn等。这些同位素能发射 出具有特定能量的γ射线，用于穆斯堡尔谱的测量。
06 穆斯堡尔谱在其他领域应 用
地球科学中同位素年代测定
测定岩石和矿物的 形成年代
利用穆斯堡尔谱可以测定岩石 和矿物中放射性同位素的衰变 产物，从而推算出它们的形成 年代，为地质年代学研究提供 重要依据。
研究地球化学过程
通过分析不同地质体中同位素 的分布和组成，可以揭示地球 化学过程的机制和演化历史， 如壳幔相互作用、板块运动等 。
05 穆斯堡尔谱在生物医学中 应用
药物作用机制研究
穆斯堡尔效应
穆斯堡尔效应1958年，德国年轻的物理学家穆斯堡尔（R. L. Mössbauer ）首先在实验上实现了原子核辐射无反冲共振吸收，这一现象后来被命名为穆斯堡尔效应。
该效应一经发现就迅速地在物理学、化学、冶金、生物学和地质学等方面得到广泛的应用，特别是近年来在一些新兴科学如材料科学、表面科学等领域中也开始了应用的前景。
之所以有如此广泛的应用，是由于穆斯堡尔效应具有高达10-13的能量分辨率，同时可以探查原子核周围环境的微小变化信息，构成了极灵敏的微观探针，它是研究物质结构的有力工具。
由于这一发现，穆斯堡尔荣获1961年诺贝尔物理学家。
一 实验目的1． 了解穆斯堡尔效应的基本原理、穆斯堡尔谱仪的结构及实验方法。
2． 通过一些典型的吸收体的穆斯堡尔谱的测量和半定量分析，达到对穆斯堡尔参数有初步了解。
二 实验原理1．穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应是一种原子核无反冲的γ射线共振吸收或共振散射现象，它的主要特点是具有极高的能量分辨本领（对57Fe 为10-12，对67Zn 为10-15），已广泛地应用于物理学、化学、生物学、地质学、矿物学、考古学等领域，成为一门相当成熟的穆斯堡尔谱学。
最常用的穆斯堡尔核素是57Fe 和119Sn 。
共振吸收是自然界的一种普遍现象。
例如钠灯中一束黄光（即Na-D 线）通过充满钠蒸汽的透明玻璃容器时，由于共振而产生强烈吸收，这就是人们熟知的原子共振吸收现象。
原子核从激发态跃迁到基态时，伴随发出γ射线。
这一γ射线可能在相反的过程中被另一同类的核所吸收，使后者从基态跃迁到激发态。
这个被激发的原子核随后还会发射γ射线，或者是以发射内转换电子和X 射线的方式消激（图1）。
图1 γ 射线共振吸收示意图但是，对于自由原子核（例如处于气体状态的γ放射源）就得不到这样的共振吸收现象。
因为自由原子核发射或吸收λ光子时，它受到反冲。
根据能量守恒动量和动量守恒定律，可得出反冲能量R E 为222Mc E E R = （1）式中，g e E E E −=，即是核在激发态和基态之间能量差，M 是原子核质量，c 是光速。
穆斯堡尔效应
如果激发态核半径与基态核半径不等，则化学位移可 以不为零，而与这个穆斯堡尔原子核周围电子配置情 况有关，所以根据δ可以得到化学键性质、价态、氧 化态、配位基的电负性等化学信息。
如果放射源中穆斯堡尔原子所处的化学状态和吸收体 完全相同，则化学位移总是为零，所得谱线共振吸收 最大处即是谱仪零速度处。
3
概述
Mössbauer谱学： 研究具有一定体积的原子核与周围环
境电或磁的相互作用。
原子核：具有电荷、电四极矩和磁偶极矩； 环 境：在核处形成的电荷分布、电场梯度
和磁场；
4
概述
该谱学的创建主要是Mössbauer的贡献， 不是由于实验方法和技术的逐渐改进和积 累而成的；
能量分辨率极高，且设备比较简单；
: 108 s
: 6.55108eV
ER 2M E2c2 : 1010eV
ER =
191Ir： E 129keV
ER
E2 2Mc2
:
0.046eV
: 1.41010s
: 9.2106eV E R ?
7
谱线的Doppler增宽：
由于发射或吸收时原子热运动所引起的多普勒效益， 使发射谱线和吸收谱线增宽。
大学物理实验 穆斯堡尔效应
物理实验教学中心 2006-12
1
Outlines
概述 实验原理 Mössbauer参数 实验装置 实验测量 数据处理
2
概述
1958年德国人R.L.Mössbauer首先在 实验中发现了Mössbauer效应——原 子核对射线的无反冲发射和共振吸 收，获1961年Nobel物理奖。
16
1、化学位移
由Mössbauer核电荷与核所在处电场 之间的静电作用引起的；
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ER =Etr Evib
• Etr: 传给整个晶体反冲的能量，很小，可以忽略。 • Evib: 传给晶格振动的能量。
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔实验——解释
• 如果反冲能小于晶格特征振动能量（声子能 量），发射γ射线前后，晶格处于零声子态， 没有声子发射，Eγ完全等于激发态与基态的 能量差E0。
穆斯堡尔谱学原理
• 概述
• 最常用的（室温下）穆斯堡尔同位素：
• 57Fe(14.4keV)、119Sn(23.8keV)、151Eu(21.5keV)
广泛研究 较难研究 很难研究
穆斯堡尔谱学原理
• 概述
• 这一效应对γ射线的固有能量分辨率极高， 因此可用来研究原子核与周围环境的超精细 相互作用引起的原子核能级及其微小的变化， 已成为研究物质微观结构的有力的分析手段。
汞原子 4.9eV 5.6*10-9eV 7.5*10-11eV
198Hg原子核 412keV
1.8*10-5eV 0.46eV
穆斯堡尔谱学原理
• 原子核的共振吸收
• 原子核发射γ时原子核获得的反冲动能为：
ER P2 / 2M • M为原子核质量，Pγ为光子动量，与能量的关系：
P E c
• 核的反冲动量Pn与Pγ大小相等、方向相反，反 冲动能ER是由原子核内部激发态返回基态时 提供的，因此激发核在退激发时发出的γ射线 能量Eγ比相应的跃迁能量E0要小ER：E E0 ER
• 在原子体系中。可以观察到原子光谱的共振 吸收。如钠光源下钠原子蒸汽的特征黄光。
• Na原子发射Na-D线能量E0=2.1eV，能级宽度4.4* 10-8eV，发射时反冲能量约10-10eV，小于能级宽 度。
穆斯堡尔谱学原理
• 原子跃迁与原子核跃迁的比较
跃迁体系 跃迁能量E0 自然线宽 反冲能量ER
• 多普勒效应
• 为增加发射谱和吸收谱间的重叠区域，可采用多 普勒能量补偿办法。
• 假设核在发射γ射线前有动量，即一个辐射源相 对接收者运动, 则对接收者而言, 辐射波长(频 率、能量)随二者的相对运动方向与速度而变化：
ED c E0
源核运动速度
穆斯堡尔谱学原理
• 能量补偿[原子核有反冲共振吸收]
穆斯堡尔谱学原理
• 基本知识
• 原子核的反冲：原子核在发射或吸收γ光子 时，核将受到一个相反方向的反冲，自身要 产生反冲作用。
• 核反冲作用的消除：将发射体和吸收体都冷 却到液态空气温度（约88K），使原子核由于 键合作用被牢牢固定在点阵晶格上，反冲动 能趋向于零。
穆斯堡尔谱学原理
• 原子光谱的共振吸收
• 无反冲原子核共振吸收的基本特征
• 同类原子核发射出和吸收到的γ射线能量完 全相同。
• 共振吸收所获得的共振谱线宽度仅为γ射线 自然宽度的两倍左右（≈10-8eV），这正是 穆斯堡尔效应具有极高能量灵敏度的根源。
• 该极高能量分辨率为研究核能级的超精细结构提 供了实验手段。
穆斯堡尔谱学原理
• 无反冲原子核共振吸收的基本特征
• 与反冲能和晶格振动能有关
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔实验——解释
• 按量子力学
• γ射线能量越小，无反冲分数越大； • 晶体束缚能（晶格振动能）越大，无反冲分数越
大。
• 制冷使原子更为牢固地束缚在晶格上，因此 无反冲分数增大。这就是穆斯堡尔观测到共 振吸收强度随温度降低而增加的原因。
穆斯堡尔谱学原理
• 热运动Байду номын сангаас量[温度展宽]
• 共振谱线远高于射线的自然宽度，能量分辨率不 高，并未引起广泛关注
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔实验
• 室温下观测到一定的共振吸收[温度展宽]
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔实验
• 降低放射源温度。预测：温度降低，共振减
小。
ED
E0 c
2 x
E0 c
K BT M
低温容器
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔实验
• 降低放射源温度。预测：温度降低，共振吸 收减小。
• 结果却发现射线共振吸收强度随着温度降低 而增强。[与预测不一致的反常现象]
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔实验——解释
• 穆斯堡尔将发射和吸收射线的原子核置于固 体的晶格束缚之中，使这些原子核在发射和 吸收射线时牵动整个晶格，相当于使原子核 的质量变成整个晶格的质量。
穆斯堡尔谱学原理
成都理工大学 马英杰
穆斯堡尔谱学原理
• 概述
• 1958年，德国人穆斯堡尔(R.L. Mossbaure) 在致力于有关原子核γ射线共振吸收的研究 时，发现了穆斯堡尔效应。
• 1961年，穆斯堡尔由于发现穆斯堡尔效应分 享到了诺贝尔物理学奖。
• 有46种元素，92种原子核，112种跃迁观察到 穆斯堡尔效应；用于研究的有15-20种元素。
• E0为激发态和基态的能量差。
穆斯堡尔谱学原理
• 原子核的共振吸收
• 同理，自由静止的原子核在吸收γ射线时， 原子核也受到反冲，因此光子的能量不全部 被用来激发原子核，有一部分提供为核的反 冲能ER，即要将吸收核从基态激发到激发态 所需的γ射线能量为：
E E0 ER
穆斯堡尔谱学原理
• 原子核的共振吸收
• 当反冲能大于晶格特征振动能量（声子能 量），激发到能量较高的声子态，这时就不 是无核反冲的γ射线。
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔实验——解释
• 有一定几率不与晶格交换能量的过程，也就 是无反冲过程。[完全没有反冲能量损失的发 射和吸收过程]。
• 无反冲过程的几率称为穆斯堡尔分数，也称 为无反冲分数。
穆斯堡尔谱学原理
• 基本知识
• 原子核能级：原子核具有能级结构，处于不 同状态的原子核具有不同的能量。
• 原子核衰变：处于激发态的原子核可以通过 释放能量回落到基态，其能量释放是以发射 γ光子的形式完成，称为γ衰变。
• 原子核的共振吸收：原子核(发射体)发射出 的γ光子，在通过处于基态的同种元素原子 核(吸收体)时，其能量被原子核吸收跃迁到 激发态，为原子核的共振吸收。
• 多普勒效应
• 考虑核反冲和多普勒效应后，原子核发射的γ射 线能量为：
E E0 ER ED
• 若使多普勒位移补偿反冲能量损失(ED≥2ER),就有 可能观察到核的共振吸收。
穆斯堡尔谱学原理
• 能量补偿[原子核有反冲共振吸收]
• 多普勒效应
穆斯堡尔谱学原理
• 能量补偿[原子核有反冲共振吸收]
• 有反冲核共振吸收仅涉及纯核物理领域，而 无反冲核共振吸收还与共振核在固体中的晶 格特性有关，所以说穆斯堡尔效应在核物理 与固体物理研究之间架起了一座桥梁，为核 物理的应用开创了更为广阔的前景。
穆斯堡尔谱学原理
• 一些常见谱学手段探测到的能量差
谱学 X射线 光电子 可见-紫外 红外-拉曼 微波 电子自旋共振 核磁共振 穆斯堡尔
对象 内层电子状态 电子状态 价电子状态 振动状态 转动状态 磁场中电子自旋状态 磁场中的核自旋状态 原子核状态
探测能量差(eV) 103 10 1 10-1 10-1 10-4 10-7 10-8
• 实验设备较简单，不必采用加速器、反应堆 这类大型设备，易于普及使用。
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔效应定义
• 无反冲原子核的γ发射和共振吸收现象。即 处于激发态的原子核发射出的γ光子，被另 一个处于基态的同种元素原子核所吸收，而 跃迁到激发态的现象。
• 利用穆斯堡尔效应对物质进行微观结 构分析的学科，称为穆斯堡尔谱学。
• 如果能级的能量差为E0，那么发射线和吸收 线两者的能量相差2ER 。若ER远大于能级宽度 ΔEγ，则发射线和吸收线没有重叠部分，无法 实现共振吸收。
• 例：57Fe
• E0 =14.4keV • ER =1.96*10-3eV • ΔEγ =4.67*10-9eV
穆斯堡尔谱学原理
• 能量补偿[原子核有反冲共振吸收]