第7章穆斯堡尔效应剖析
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。
第7章穆斯堡尔效应剖析
E E0 ER
E0为激发态和基态的能量差。
6
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
同理，自由的、静止的原子核在吸收γ射线时，原子核也受 到反冲，因此光子的能量不是全部被用来激发原子核，有 一部分提供为核的反冲能ER，即要将吸收和从基态激发到 激发态所需的γ射线能量为：
14
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
➢穆斯堡尔谱学的特点： ①穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领，很容易探测出原子 核能级的变化。 ②利用穆斯堡尔谱可以方便地研究原子核与其周围环境间的 超精细相互作用，可以灵敏地获得原子核周围的物理和化学 环境的信息。
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核分析基础及应用
34
核分析基础及应用
第三节 穆斯堡尔实验装置
5.其它附属设备 ➢为使共振吸收效应显著，有时需在低温条件下实验，因此 要有附属的低温装置来冷却源和吸收体(或只冷却其中之一)。 ➢为研究穆斯堡尔参数随温度的变化关系，又常需要附属的 加温设备。
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核分析基础及应用
第三节 穆斯堡尔实验装置
6.样品(吸收体)的制备 ➢对金属和合金材料，先要经锻造或轧制后制成较小的棒状、
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核分析基础及应用
第二节 穆斯堡尔参数
2.四极矩分裂 ②四极矩分裂是穆斯堡尔谱的一个重要参数，通过分裂谱 可以了解原子核的对称性，即电子云分布情况和电子云的 分布梯度。如表面原子相对本体原子有较低的对称性，根 据这个差别可以区分这两种不同原子。 表面化学吸附物质的存在可以改变电场 梯度，而这又与化学吸附键的强度以及 化学吸附物质相对于表面原子的位置有 关。因此，测量四极矩分裂的大小变化， 可以提供表面状况的信息。
论穆斯堡尔谱效应及其在陶瓷领域中的应用
论穆斯堡尔谱效应及其在陶瓷领域中的应用摘要：本文简单介绍了穆斯堡尔效应、57Fe穆斯堡尔谱仪的结构与基本原理，以及在陶瓷领域中的应用。
把穆斯堡尔的方法运用到陶瓷领域中，将为陶瓷界带来更多的益处。
关键词：穆斯堡尔谱；效应；原理；陶瓷；应用1前言2穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应是由德国科学家穆斯堡尔(R﹒L﹒Mssbauer)于1957年发现的。
在1961年获得了诺贝尔物理学奖。
这个效应实质上是无反冲核的γ射线共振吸收效应。
它是核能级之间跃迁产生的，具有一定能量的γ射线辐射的一种共振吸收现象。
2.1共振吸收共振吸收是常见的物理现象。
例如，两个固有频率相同的音叉放在一起时，如果一个音叉受到击打而发出声音，那么另一个未受击打的音叉也会吸收前一个音叉的能量，跟着振动，并发出相同的声音，这就是共振吸收现象。
同样，当具有一定能量的γ射线辐射到含有某种原子核的物质上时，当这个能量恰好等于该物质原子核的基态与激发态之间的能量差时，则这个原子核就会对辐射的γ射线产生共振吸收（如图1）。
2.2多普勒效应多普勒效应也是一种物理现象。
在科学意义上，多普勒效应定义是：当一个发射电磁波或声音的辐射体，由于它相对于观察者运动而改变了辐射体电磁波或声音的频率。
也就是说改变了辐射体电磁波或声音的能量。
这种改变的现象即为多普勒效应。
这个效应运用到能量为Er的γ射线辐射体时，如果这个辐射体放在运动着的载体上，那么它辐射γ射线的能量就会发生改变，其改变的能量数值为：ΔEs=（V0／C）·Er。
显然，辐射γ射线的能量的改变与辐射体载体的运动速度V0与光速C之比成正比。
2.3反冲现象与反冲能量当炮弹从炮管发射时，会产生后推的反冲力，同时使炮弹运动的能量相应有所减少，这就是反冲现象。
同样，当原子核发射γ射线时，原子核本身会受到反冲作用，并产生反冲能量。
这样，发射出来的γ射线能量Er将等于原子核激发态与基态之间的跃迁能量减去反冲的能量，即Er=（Ee-Eg）-ER（式中，Er为γ射线辐射的能量，Ee为原子核的激发态能量，Eg为原子核的基态能量，ER为反冲能量）。
第七篇 穆斯堡尔效应及应用
( 14.413 × 10 MeV ) ≈ 1.96 × 10 -9 MeV E ER = = ≈ 2 2M R 2M RC 2 ( 57 × 938.8MeV )
p
2 γ 2 0 -3 2
Eγ = E0 - ER ≈ 14.4 KeV - 1.96 × 10 -6 KeV Eγ ≈ 14.4 KeV
E * = Eγ
Δx
探测器 移动辐射源
' Eγ = Eγ + E D
吸收体
E*
0.0
E*
0.0
Eγ = E *
v E D ≈ Eγ c
19
发射体对吸收体作相离运动， 发射光子能量小于吸收体跃迁能量，无共振吸收
20
发射体对吸收体相离速度变小， 发射光谱向吸收光谱靠拢，无重叠，无共振吸收
21
发射体对吸收体相离速度继续变小， 发射光谱与吸收光谱出现部分重叠，有共振吸收
四级分裂
1
ΔEQ
−ν
0
核能级和四级分裂
δ
相 对 透 射 率
2
+ν
速度（mm/s）
42
H ≠ 0 , V zz
0
6 5 4
3
3/2
1
2
1/2
同质异能位移 率 相 对 透 射 磁偶极分裂 1 2 3 4 5 6
速度（mm/s）
57Fe能级的磁分裂及相应的穆斯堡尔谱
43
红移效应 • 假设有个光源每隔时间T发出一个波列，即光源的 周期为T。当它静止时相邻两个波列时间间隔为 T， 距离间隔为 λ=cT • 当光源以速度V离开观察者时，在每两个相邻的波 列之间的时间里光源移动的距离为VT，于是下一个 波峰到达观察者所需的时间便增加了VT/c，所以， 相邻的两个波峰到达观察者那里所需的时间就为： T’=T+VT/c>T 相对于观察者而言，光波的周期变长了，频率变 低了；
1.4 穆斯堡尔效应
实验1.4 穆斯堡尔谱一、引言1957年，德国的穆斯堡尔（R. L. Mössbauer）意外发现（论文在1958年发表），嵌入固体晶格中的放射性原子核在发射γ射线时有一定的几率是无反冲的；发射的γ光子具有全部核跃迁能量。
同样，嵌入固体晶格中处于基态的核在吸收γ射线时也有一定的几率是无反冲的。
原子核无反冲发射γ射线和无反冲共振吸收γ射线的现象被命名为Mössbauer效应。
无反冲的几率常被称为无反冲分数f。
Mössbauer效应的一大特点是可以得到很窄的共振吸收（或发射）谱线。
如对于常用的Fe的14.4keV的γ射线，其自然宽度Γn为4.7×10-9eV，理想的Mössbauer共振线宽Γ略大于2Γn，约10-8eV量级，其相对的能量分辨率Γ/Eγ~6×10-13。
而对于67Zn的93keV的γ射线，其Γ/Eγ~1×10-15，有很高的能量分辨率。
用67 Zn的Mössbauer效应可以在实验桌上做广义相对论引力红移实验。
还有人发现，对109Ag的88 keV的γ射线，其相对的能量分辨率可达10-22数量级。
由于Mössbauer效应有极高的能量分辨率，以及γ射线可以方便地将物质内部信息携带出来等优点，Mössbauer效应一经发现，很快就在物理学、化学、磁学、地质学、生物医学、物理冶金学、材料科学、表面科学、考古学等许多领域得到广泛应用。
R. L. Mössbauer于1961年获得了诺贝尔物理奖。
二、实验目的1. 了解穆斯堡尔效应、穆斯堡尔谱学和穆斯堡尔谱仪的基本原理。
2. 掌握穆斯堡尔谱和穆斯堡尔谱基本参数的测定方法。
三、实验原理1. 穆斯堡尔效应设原子核A衰变到原子核B的激发态B* ，然后从激发态B*退激到基态B，发射出γ光子（图1），当这个光子遇到一个图1 γ光子的发射和吸收同样的原子核B 时，就应被共振吸收。
穆斯堡尔效应及其应用
穆斯堡尔效应及其应用摘要：穆斯堡尔效应是现代核物理技术的核心理论，也是解决空间测距精确程度的重要方法。
本文具体而清晰地阐述了穆斯堡尔效应及应用形式，也对相应的科学领域进行了针对性的概述。
关键词：穆斯堡尔效应γ光子发射谱吸收谱一.引言在1958年由德国青年物理学家穆斯堡尔首次发现由γ射线所发出的一种共振荧光现象，后来人们把这一种现象称为无反冲γ射线共振吸收效应又称穆斯堡尔效应。
这一效应发现之后马上引起了物理学界以及与物理学相关的科学界的重视，很快成为跨学科多门类的新兴技术，渗透到了物理学中的核物理、点阵动力学、超导物理、磁学；化学中的化学键、化合物的结构、催化；以及地质学、生物学、医学、工学、人文科学甚至到考古学、美术学都有广泛的应用。
换句话说，只要是与物质结构微观结构有关的研究学科，都有穆斯堡尔效应的踪迹。
因此，穆斯堡尔效应的应用探究直到现在仍然是一个十分重要的研究领域。
穆斯堡尔在完成他的硕士论文时首次观察了191Os经过β衰变成191Ir 以及187Re、177Hf、188Er等原子核无反冲γ共振吸收现象。
本文阐述穆斯堡尔效应之后，对穆斯堡尔效应的具体应用分几个方面进行阐述，现代很多技术都与穆斯堡尔效应有关，这一结果是十分令人满意的。
二.穆斯堡尔效应的理论诠释一个处于静止状态的自由原子核，根据动量守恒定律，释放一个γ光子时，将受到一个反冲动量，反冲动量为：P=mv=h c ν （1） 所以：R E =12m 2v =22m p =222m E c （2） 式中：m 为原子核的质量 E 为释放γ光子的能量 c 为真空的光速 这个动量应该由原子核的跃迁所释放的能量021E E E =-来提供，所以发射γ光子所需要的能量为：·¢E =h ν=0R E E -=2202m E E c- (3) 我们使发射谱线的中心发生偏移，使谱线不在0E 处，而在0R E E -处。
如果一个原子核发射的γ射线的有一个反冲，发出的γ射线相应的能量就会减少一部分：10R E E E -=另外一个吸收的原子核也具有一个反冲能量，所以，要产生共振荧光现象就应该提供相应的能量：20R E E E -=这样会导致发射谱和吸收谱产生相差为2R E 的距离，如图1；图1；原子核吸收γ光子的过程，同时也会获得光子所发射的反冲能量222R m E E c =，这种反冲动量一定是入射光子提供的，则：22Îü002R m E E E E E c=+=+ （4） 经过这样的操作，会使发射谱和吸收谱相距2R E 的距离，如图一；例如对于57Fe 来说，第一激发态释放14.4kev 的γ光子能量。
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；
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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。
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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。
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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。
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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。
了解几点知识
（1）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。
E E0 ER
E0为激发态和基态的能量差。
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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
同理，自由的、静止的原子核在吸收γ射线时，原子核也受 到反冲，因此光子的能量不是全部被用来激发原子核，有 一部分提供为核的反冲能ER，即要将吸收和从基态激发到 激发态所需的γ射线能量为：
第一节 穆斯堡尔效应及穆斯堡尔谱
一、穆斯堡尔效应
假定原子核在发射γ时原子核获得的反冲动能为：
ER P2 / 2M
M为原子核质量；Pγ光子动量，它与能量的关系为：
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：
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核分析基础及应用
第二节 穆斯堡尔参数
1.同质异能位移 同质异能位移又称γ射线能量的化学移。它是由穆斯堡尔核的 核电荷分布与核周围的电子之间静电作用引起的谱带位移(δ)
①穆斯堡尔原子在激发态和 基态时，其原子核周围的电 荷密度不同，则可出现化学 位移，即与原子核周围的电 子配置情况有关，通过δ可 以了解原子的价态和化学键 的重要信息。
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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
➢ 如果把放射源和吸收体都做成固体或晶体，使原子放入固 体晶格，原子核受到晶格束缚能的限制，遭受反冲的不再 是单个原子核，而是整个晶体，它的反冲质量比一个原子 质量大很多，因而反冲能很小，可以忽略。这样就可以观 察到γ射线无反冲共振吸收。
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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
➢ γ射线辐射源和吸收体之间具有一定的相对速度，通过调整 v的大小来最大，透射率达到最小。
γ γ
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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
➢ 吸收率（或者透射率）与相对速度之间的变化曲线叫做 穆斯堡尔谱。
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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
➢穆斯堡尔谱学的特点： ①穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领，很容易探测出原子 核能级的变化。 ②利用穆斯堡尔谱可以方便地研究原子核与其周围环境间的 超精细相互作用，可以灵敏地获得原子核周围的物理和化学 环境的信息。
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核分析基础及应用
（2）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。
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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
（3）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，将被原子 核吸收，其能量可跃迁到激发态，为原子核的共振吸收。
E E0 ER
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Γ， 则发射线和吸收线没有重叠部分， 无法实现共振吸收。
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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
➢ 理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出一个γ 射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原子核时，就能 够被共振吸收。但是实际情况中，因为原子核在放出一个 光子的时候，自身也具有了一个反冲动量，这个反冲动量 会使光子的能量减少。同样原理，吸收光子的原子核由于 反冲效应，吸收的光子能量会有所增大。这样造成相同原 子核的发射谱和吸收谱有一定差异，所以自由的原子核很 难实现共振吸收。
核分析基础及应用
核分析基础及应用
第七章 穆斯堡尔效应
成都理工大学 核自学院
成都理工大学 李丹
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核分析基础及应用
主要内容
概述 第一节 穆斯堡尔效应及穆斯堡尔谱 第二节 穆斯堡尔参数 第三节 穆斯堡尔实验装置 第四节 穆斯堡尔谱学的应用
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核分析基础及应用
概述
穆斯堡尔效应的发现
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。
（4）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。
（5）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。无反冲核γ发射和共振吸收， 可使穆斯堡尔效应大大增强。
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核分析基础及应用