10穆斯堡尔谱仪
穆斯堡尔谱
主要的不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，且许多还必须在低温下或在具有制备源条件的实验 室内进行，使它的应用受到较多的限制，事实上，至今只有57Fe和119Sn等少的穆斯堡尔核得到了充分的应用。 即使如此，它仍不失为固体物理研究的重要手段之一，在有些场合甚至是其他手段不能取代的，并且随着实验技 术的进一步开发，可以预期，它将不断地克服其局限性，在各研究领域发挥更大的作用。
定义
原子核无反冲地发射或共振吸收射线的现象后来就称之为穆斯保尔效应。 凡是有穆斯堡尔效应的原子核,
简称为穆斯堡尔核。目前,发现具有穆斯堡尔效应的化学元素 (不包括铀后元素)只有 42种,80多种同位素的 100多个核跃迁.尤其是尚未发现比钾( K)元素更轻的含穆斯堡尔核素的化学元素.大多数要在低温下才能观察到, 只57 Fe的 1414keV和119Sn的 23. 87keV核跃迁在室温下有较大的穆斯堡尔效应的几率.对于不含穆斯堡尔原子 的固体,可将某种合适的穆斯堡尔核人为地引入所要研究的固体中,即将穆斯堡尔核作为探针进行间接研究,也能 得到不少有用信息。
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应用
由于穆斯堡尔效应得到的穆斯堡尔谱线宽Γ与核激发态平均寿命所决定的自然线宽ΓH在同一量级，因而具有 极高的能量分辨率。以57Fe核14.4Kev的跃迁为例，自然线宽ΓH为4.6x10-9eV，能量分辨率约为10-13的量级 （原子发射和吸收光谱的能量分辨率在理想情况下可达10-8的量级），因此它是研究固体中超精细相互作用的有 效手段。如今已广泛在应用于物理学、化学、材料科学、物理冶金学、生物学和医学、地质学、矿物学和考古学 等许多领域，发展成为一门独立的波谱学----穆斯堡尔谱学。
穆斯堡尔谱
V (r ) =
V (r ) =
Ze r
Ze R r (3 （4）
(r ≤ R )
因此，有限体积原子核的静电能量为
E=
Zeρ R
∫
R
0
2 2 2π r R (3 2 − 2 R 2 − r ) 4πr dr = − 5 ZeρR =
2
2π 5
Ze 2 R 2 φ (0)
俘获一个 K 层电子时，形成处于高激发态的 57Fe，它分别有 9％和 91％的概率辐 射 137keV 和 123keV 的γ射线跃迁至第一激发态和基态。 当 57Fe 原子核由第一激发 态跃迁至基态时，辐射出穆斯堡尔实验所需的 14.4keV 的γ射线。119mSn 源是通过 中子辐照 118Sn 来获得的。 亚稳态的 119mSn 衰变到处于激发态的 119Sn， 然后跃迁到 基态发射出 23.875keV 的 γ 射线为穆斯堡尔实验所用。 为了观测到无反冲的γ射线 吸收现象，一般采用将穆斯堡尔源的放射性同位素扩散到固体晶格（基质材料） 中，对于
2
（5）
其中 Ze 为 核电荷， φ (0) 为核处的电子波函数， ρ 为电子密度。 原子核在激发态和基态时的半径不同， 因此原子核在激发态与基态之间的跃迁 中，由于静电相互作用所引起的γ射线能量改变为
∆E = δE e − δE g =
2π 5
2 Ze 2 φ (0) ( Re2 − R g )
2
γ 射线吸收强度随着温度降低而增强这一与当时共振吸收观点不一致的 “反常” 现
象。穆斯堡尔及时敏锐地抓住这个“反常”现象，以严谨的科学态度从实验上进 行了多次重复，证实了其实验结果的可靠性，最终认识到在他的实验中共振原子 核是置于紧束缚的晶格中，部分原子核在发射和吸收 γ 射线时，消除了反冲能量 的损失，实现了无反冲共振吸收。他在两年多的时间内从实验上和理论上对这一 “反常”现象进行了解释，攻下这个当时许多物理学家为之努力近三十年而未能 解决的难题。穆斯堡尔实验非常精确，具有非常高的能量灵敏度，利用它可方便 地研究共振核与周围环境的超精细相互作用，为研究物质的微观结构提供了十分 重要的信息，而且对设备的要求相对简单，可以在一般大学实验室中进行。因此， 在很短时间内，这个效应便得到公认，并付诸于应用。由于穆斯堡尔本人在这方 面做出的杰出贡献， γ 射线无反冲共振发射和吸收现象被命名为穆斯堡尔效应， 并 于 1961 年被授予诺贝尔物理学奖。利用穆斯堡尔效应研究物质微观结构已经发展 成为一门独立的学科穆斯堡尔谱学，它是迄今为止能量分辨本领最高的物理研 究手段。经过四十多年的发展，穆斯堡尔谱学已在物理学、化学、生物学、地质 学、冶金学、材料科学、环境科学以及考古学等科学的领域中得到了广泛的应用。 3.11.18.1 穆斯堡尔效应无反冲 γ 射线共振发射和吸收 共振吸收是自然界存在的一种普遍现象。在 1929 年后的二十多年的时间内， 不断有人试图通过实验来观测 γ 射线共振吸收现象，但是都没有成功，其原因是 由于他们没有考虑和解决自由原子核在发射 γ 射线时存在反冲作用所产生的影 响。 自由的激发态原子核在发射γ射线时将发生反冲,其反冲能量 E R 为 ER ≅
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。
穆斯堡尔谱
2、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
穆斯堡尔谱
讲解人： 徐飞 汤惠芬 PPT制作：胡静
内容概要：
一、穆斯堡尔谱的原理和获得的信息 二、穆斯堡尔谱研究对象 三、穆斯堡尔谱的特点 四、穆斯堡尔仪器大致结构 五、制样要求 六、应用举例
一、穆 多普勒效应: 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：
2、利用穆斯堡尔谱可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,为物质微观结构的分析提供重要的信息。
3、不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，目前只有57Fe 和119Sn等少数的穆斯堡尔核得到了充分的应用。
四、仪器的大致结构
五、制样要求
（3）当标样相对含铁样品运动，则样品接受的γ射线能量为hv+/ΔE； （4）当速度达到某值， 使： B= hv+/-ΔE=A+/-VE/C；则形成共振吸收， 就得到Mossbauer谱
穆斯堡尔谱图：
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。
六、应用举例
1、硅酸盐矿物中Fe2+-Mg有序－无序的测定 2、矿物固相反应的研究 3、价态的研究 4、配位数与晶格占位的研究
穆斯堡尔光谱
Mössbauer 光谱
穆斯堡尔效应：固体中的某些放射性原子核 有一定的几率能够无反冲地发射γ射线，γ光 子携带了全部的核跃迁能量。而处于基态的 固体中的同种核对前ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ发射的γ射线也有一定 的几率能够无反冲地共振吸收。这种原子核 无反冲地发射或共振吸收γ射线的现象。
Mössbauer 光谱
穆斯堡尔谱：穆斯堡尔效应对环境的依赖性 非常高，常利用多普勒效应对γ射线光子的能 量进行调制，通过调整γ射线辐射源和吸收体 之间的相对速度使其发生共振吸收。吸收率 （或者透射率）与相对速度之间的变化曲线。
穆斯堡尔谱仪 ：由放射源（γ光源）射出的γ光子 被样品中存在的穆斯堡尔核（如57Fe，119Sn） 所吸收，形成共振吸收谱，样品中穆斯堡尔核与 核外化学环境的相互作用会引起共振吸收谱线的 位置、形状、数目的 变化。反过来利用所测穆谱 的这些变化推出穆核周围化学环境的信息。
穆斯堡尔谱仪方法的特点是： ①有极高的分辨率，以57Fe的γ共振吸收为例，γ能量(E0)为14.4 千电子伏,谱线自然宽度（Γ）为4.6×10-9电子伏，Γ/E0～3.2×1013，分辨率达1013分之一。 ②穆斯堡尔效应对核外化学环境的变化十分灵敏，适用于研究固 态物质的精细结构及超精细结构。 ③由于是特定核（如57Fe，119Sn）的共振吸收,穆斯堡尔效应不 受其他核和元素的干扰。 ④穆斯堡尔效应受核外环境影响的作用范围一般小于 2.0nm（限 于相邻二、三层离子之内），特别适用于细晶和非晶态物质。 因此，穆斯堡尔谱仪已广泛用来研究地质样品。已发现的穆 斯堡尔核有数十种，但在一般条件（常温）下仅能观察到57Fe、 119Sn的穆谱。所以,仪器适用于含一定量Fe、Sn的样品，可以提 供价态，化学键性，阳离子占位和有序－无序分布、配位结构、 磁性和相分析等方面的信息。
穆斯堡尔谱仪及其对物质中fe的分析应用
穆斯堡尔谱仪及其对物质中fe的分析应用穆斯堡尔谱仪是一种可以用来分析物质结构的仪器，可以用来确定原子的含量和排列。
本文将着重介绍穆斯堡尔谱仪在分析物质中Fe的应用。
穆斯堡尔谱仪是一种用于快速分析和跟踪物质中元素含量及其结构的仪器，最早由德国化学家穆斯堡尔发明。
穆斯堡尔利用X射线和电离室同时被激发，以确定物质结构的原理。
跟踪和分析的过程，物质被照射X射线，X射线穿过物质并发出光子，在电离室里被激发，激发出的光子随着X射线的波长离开物质，最终被检测器探测。
v实验可以在不同波长检测，从而确定物质中不同元素的含量和排列。
在分析物质中Fe的过程中，穆斯堡尔谱仪能够有效地跟踪物质中Fe的比例。
Fe作为一种重要的化学元素，具有独特的性质，能够在广泛的行业中发挥重要作用，例如在冶金、制药、燃料、精细化工等行业中。
因此，对Fe的分析是非常重要的，穆斯堡尔谱仪已经能够满足这一需求。
它可以快速准确地检测Fe的比例，大大节约了时间。
使用穆斯堡尔谱仪分析的过程中，样品只需要经过一种气相解析技术，如气相色谱。
然后，样品可以被穆斯堡尔谱仪进行分析，并可以在较短时间内准确定出物质中Fe的含量。
此外，穆斯堡尔谱仪还可以帮助研究人员更深入地理解物质。
它不仅可以准确地确定Fe的含量，还可以帮助研究人员确定物质中其他元素的排列。
结果可以帮助研究人员了解物质中各元素的排列，从而更深入地理解物质的性质及其在各行业的应用。
通过上述介绍，可以看出，穆斯堡尔谱仪是一种重要的仪器，特别适用于分析物质中Fe的含量。
它不仅可以准确地确定Fe的比例，而且还可以帮助研究人员确定物质中其他元素的排列，从而让人们更好地理解物质的性质。
因此，穆斯堡尔谱仪在物质结构的分析和研究中发挥着重要作用，为人们更深入地理解物质奠定了坚实的基础。
穆斯堡尔谱
Ze 2 R 2 ( ∆RR )[ φ (0) A − φ (0) S ]
7.60 7.55
2
2
（7）
其中 ∆R = Re − R g ， R = 放射源
e
E0 Es E0
计 数 10
吸收体
EA
6
7.50 7.45 7.40 7.35 7.30
δ
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 -1.2 -0.9 -0.6 -0.3
Eγ2 2 Mc 2
（1）
若 原 子 核 的 第 一 激 发 态 和 基 态 能 级 差 为 E0 ， 则 发 射 的 γ 射 线 能 量 为
Eγ = E 0 − E R 。同理，处于基态的相同原子核也会发生反冲，吸收的 γ 射线能量
是 E a = E 0 + E R 时才能实现共振吸收。由于自由原子核的反冲能量远远大于 γ 射 线能量谱线的自然宽度（约 100 万倍） ，因此不可能观测到共振吸收现象。 直到二十世纪五十年代， 默恩 (P.B. Moon) 才从理论上分析了由于反冲引起的 能量变化，并通过使放射源与吸收体之间作相对高速运动而产生附加多普勒能量
穆斯堡尔谱测量大多数采用透射式谱仪，但是在研究样品表面微观结构信息 或对很厚的样品进行无破坏分析时一般采用背散射式谱仪。在透射式谱仪中，主 要是测量透过样品的 γ 射线强度随γ射线能量的变化；在背散射谱仪中，主要是测 量γ射线被测样品共振吸收后所释放出次级辐射的强度随能量的变化。为了完整测 量共振谱线，必须使 γ 射线的能量在一定范围内变化。穆斯堡尔实验通常采用使 放射源和吸收体之间作相对运动的方式，通过多普勒附加能量来调制 γ 射线的能 量。若吸收体静止，放射源以速度 v 沿直线朝向吸收体运动，则调制后的 γ 射线 能量 E 为
穆斯堡尔谱原理
穆斯堡尔谱原理
穆斯堡尔谱是利用穆斯堡尔效应进行的，穆斯堡尔效应是指当束缚在
晶体中的原子或离子受到高频谱线激发时，发出的谱线具有特殊的性质。
材料中的杂质在晶格内的运动会导致探测到的谱线发生频移，从而可以研
究杂质的振动、扩散、晶格位移等现象。
1.穆斯堡尔效应：当束缚在晶体中的原子或离子受到高频谱线激发时，其发出的谱线具有特殊的性质，包括能量、强度和频率等方面。
2.相对运动效应：杂质在晶体内的运动会导致探测到的谱线发生频移。
例如，晶体中的杂质原子因热运动而发生振动或扩散，导致谱线的频率发
生变化。
3.多晶样品效应：多晶样品中的不同晶粒方向相对于探测器的效应不同，可以通过分析谱线的形状和位置来研究晶格的位向。
穆斯堡尔谱原理的应用范围广泛。
在材料科学中，它可以用来研究晶
格缺陷、杂质扩散、相变、晶格位移等现象。
在物理化学中，穆斯堡尔谱
可以用来研究化学反应、催化剂的活性中心等。
在固态物理学中，它可以
用来研究磁性体的磁性行为、超导现象等。
总结起来，穆斯堡尔谱原理是一种重要的实验方法，通过研究杂质在
晶体中的运动特性，可以深入了解晶格的结构和性质，为材料科学、物理
化学和固态物理学等领域的研究提供了重要的实验手段。
一文详解穆斯堡尔谱仪在现代科学研究中的突破与应用
一文详解穆斯堡尔谱仪在现代科学研究中的突破与应用穆斯堡尔谱仪（Mössbauer Spectrometer）是一种用于研究材料的仪器，通过穆斯堡尔效应（Mössbauer effect）原理来测量固体样品中的核能级特征。
这种仪器在现代科学研究中具有广泛的应用，特别是在材料科学、固体物理学、化学和地球科学领域中取得了重要突破。
一、穆斯堡尔谱仪的原理与基本构造穆斯堡尔谱仪的基本原理是利用穆斯堡尔效应，该效应是由德国物理学家鲁道夫·穆斯堡尔（Rudolf Mössbauer）于1957年首次发现的。
它是核和电子的相互作用导致的核能级发生微小移动的现象。
穆斯堡尔谱仪通过测量这种能级的移动来研究固体材料的结构和性质。
穆斯堡尔谱仪的基本构造包括源、样品和探测器。
源发出具有特定能量的γ射线，样品中的原子核吸收和再发射这些射线，而探测器测量这些再发射射线的能量差。
通过比较源射线和样品再发射射线的能量差异，可以得到样品中原子核的能级移动情况和相关的物理参数。
二、穆斯堡尔谱仪在材料科学中的应用1. 晶格振动和声子谱研究：穆斯堡尔谱仪可以研究固体材料中的晶格振动和声子谱。
通过测量样品中原子核的共振频率和衰减参数，可以揭示材料的振动模式、弛豫时间和材料的态密度等参数。
这对理解材料的热力学性质和光学性质具有重要意义。
2. 元素的化学状态研究：穆斯堡尔谱仪可以用于研究材料中元素的化学状态。
通过测量穆斯堡尔谱线的能量和宽度，可以确定元素的氧化态、配位数以及与其他元素的相互作用情况。
这对于材料的催化性能、电化学性能和电子结构等方面提供了重要信息。
3. 磁性材料研究：穆斯堡尔谱仪在研究磁性材料中起着重要作用。
通过测量样品在不同温度下的穆斯堡尔谱线，可以揭示材料中的磁性相变和磁矩分布等信息。
这对于理解磁性材料的磁结构、磁畴演变和磁性相互作用等方面有重要意义。
三、穆斯堡尔谱仪在固体物理学中的突破穆斯堡尔谱仪在固体物理学中的应用突破主要集中在以下几个方面：1. 分辨率的提高：随着仪器技术的进步，穆斯堡尔谱仪的分辨率得到了显著提高。
第九章 穆斯堡尔谱
4
第二节 穆斯堡尔谱仪
γ射线 射线 探测器 试样 放射源发射γ射线 放射源发射 射线—— 射线 经试样后被吸收体原子核吸收—— 经试样后被吸收体原子核吸收 探测器接收γ射线， 探测器接收 射线，并转化成电压脉冲 射线 信号，可反映试样吸收γ射线的情况 信号，可反映试样吸收 射线的情况
5
1、原理示意图： 、原理示意图：
11
（1）同质异能位移（化学位移） 是由穆斯堡尔核电荷与核所处的电场之间的静电 作用引起的谱带位移（ 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， 基态时，其原子核周围的电 荷密度不同， 荷密度不同，则可出现化学 位移，即与原子核周围的电 位移， 配置情况有关， 子配置情况有关， 通过δ可以了解原子的价 通过 可以了解原子的价 态和化学键的重要信息。 态和化学键的重要信息。
穆斯堡尔谱分析的特点
分辨率高，灵敏度高，抗干扰能力强， 分辨率高，灵敏度高，抗干扰能力强，所研究的对象 可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶体、 可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶体、非 晶体，可以是粉未、超细小颗粒，范围非常广。 晶体，可以是粉未、超细小颗粒，范围非常广。 利用穆斯堡尔谱可方便地研究原子核与其周围环境间 的超精细相互作用， 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,为物质微观结构的分析提供重要 理和化学环境的信息 为物质微观结构的分析提供重要 的信息。 的信息。 不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应， 不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，目 57Fe和 前只有57Fe 119Sn等少数的穆斯堡尔核得到了充分的 前只有57Fe和119Sn等少数的穆斯堡尔核得到了充分的 应用。 应用。
产生的穆斯堡尔谱
穆斯堡尔谱解读
3、不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔 效应，且许多还必须在低温下或在具有制备源条 件的实验室内进行，使它的应用受到较多的限制， 事实上，至今只有Fe和Sn等少的穆斯堡尔核得 到了充分的应用。
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即使如此，它仍不失为固体物理研究的重要手 段之一，在有些场合甚至是其他手段不能取代 的，并且随着实验技术的进一步开发，可以预 期，它将不断地克服其局限性，在各研究领域 发挥更大的作用。
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3．表面和界面的磁性研究
利用穆斯堡尔谱学对过渡金属表面和界面的磁性研究 作出了重要贡献 。 穆斯堡尔谱学也是研究钢铁腐蚀 的有效手段之一，利用背散射方法可做表面测量并在 2O～3000A范围内对不同深度进行选择分析 。它已发 展成为一种能定性和定量分析的方法 。
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4．晶格缺陷和位错
利用穆斯堡尔谱学研究固体和液体中的扩散 ，从谱线 的宽度和形状能给出原子徒动 的信息 。 与离子注入 结合起来可以研究注入过程的微观特点及注入杂质近 邻的电子结构。 而晶格缺 陷 、位错 、表 面原子和体 内原子的差异都可以从化学移位中反 映出来 。
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穆斯堡尔效应是原子核对γ射线的无 反冲共振 吸收现象.此效应自1957年发现以来,激起的研 究热情至今不衰,它不仅在理论上具有深刻的 意义,又有着广泛的应用价值.被公认为是20世 纪物理学实验的里程碑之一
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三、穆斯堡尔谱的应用
由于穆斯堡尔效应得到的穆斯堡尔谱线宽Γ与 核激发态平均寿命所决定的自然线宽ΓH在同一 量级，因而具有极高的能量分辨率。
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利用穆斯堡尔谱学研究在不锈钢 中奥氏体相变过程 。
奥氏体相变的穆斯堡尔谱
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2．确定磁有序温度和类型
从超精细场与温度的变化 ，能确定பைடு நூலகம்有序温度 。 对多晶材料加 一外 场 ，观察跃迁强度的变化能研 究磁耦合的一 些性质 ，即铁磁眭、亚铁磁性或反 铁磁性等等 。 在磁有序材料中用相对吸收线强度 与角度的关系可以确定自旋方向。
穆斯堡尔谱原理及应用PPT
γ －射线
E0
Eg
激发态
放射源
吸收体
基态
9
γ射线是一种强电磁波，它的波长比X射线还要短， 一般波长＜0．001纳米。在原子核反应中，当原子核 发生α、β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发 态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能 量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过 射线辐射来实现的，这种射线就是γ射线。
❖ 如果入射的γ光子能量和吸收体中的某原子核的能级跃迁 能量相等，这种能量的γ光子就会被吸收体共振吸收。 ❖ 若要测得共振吸收的能量的大小，必须发射一系列不同 能量的γ光子。 ❖ 但是一般放射源发射的只是具有某一、二种能量的γ光子， 这是不能形成穆斯堡尔谱的，但通过源和吸收体之间的相对 运动多普勒效应，可得到一系列不同能量的γ光子。 ❖ 这种经过吸收体后的γ射线计数和多普勒速度(代表γ光子 的能量）之间的关系就是穆斯堡尔谱。
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穆斯堡尔谱参数
超精细相互作用
由于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，原子核本身带正电荷和各种核矩，因 此核和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，称为超精细相互作用。
需要考虑以下三种主要的超精细相互作用： 1 同质异能位移（化学位移I.s 或δ） 2 四极分裂 3 磁超精细分裂
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同质异能移（化学位移）－穆斯堡尔谱参数
激发态 基态
➢ 一般情况下，源和吸收体中的穆斯堡尔原子核的环境不同，
所以吸收体相对源出现了一个能量差值，记做
δ＝Ea－Eg=ΔEa－ ΔEg ➢ 同质异能移主要取决于核位置处的电子电荷密度，这与穆斯
堡尔原子核周围的电子配位状态有关，因此同质异能移可提供
穆斯堡尔谱
（3）当标样相对含铁样品运动，则样品接受的γ射线能量为hv+/ΔE； （4）当速度达到某值， 使： B= hv+/-ΔE=A+/-VE/C；则形成共振吸收， 就得到Mossbauer谱
穆斯堡尔谱图：
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。
内容概要：
一、穆斯堡尔谱的原理和获得的信息 二、穆斯堡尔谱研究对象 三、穆斯堡尔谱的特点 四、穆斯堡尔仪器大致结构 五、制样要求 六、应用举例
一、穆斯堡尔谱的原理和获得的信息
（一）原理
1、 多普勒效应: 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：
（二）穆斯堡尔谱得到如下信息：
1、同质异能位移（化学位移） 是由穆斯堡尔核电荷与核所处的电场之间的静电作用引起的谱带 位移（δ）。 通过δ可以了解原子的价态和化学键的重要信息。
2、四极矩分裂 与原子核的对称性有关
3、磁超精细分裂 在原子核处常常存在有核外电子形成的磁场H，可使核能级进 一步分裂，又叫核塞曼效应。 表现在谱图上为出现多个穆斯堡尔谱带
2、利用穆斯堡尔谱可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,为物质微观结构的分析提供重要的信息。
3、不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，目前只有57Fe 和119Sn等少数的穆斯堡尔核得到了充分的应用。
四、仪器的大致结构
五、制样要求
ΔE=VE/C ΔE-射线能量的变化 E-射线能量 V-速度
2、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
穆斯堡尔谱测试
穆斯堡尔谱测试一、原理介绍：穆斯堡尔效应：即原子核辐射的无反冲共振吸收。
这个效应首先是由德国物理学家穆斯堡尔于1958年首次在实验中实现的，因此被命名为穆斯堡尔效应。
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，处于自由状态的原子核要实现上述过程是困难的。
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，吸收光子的原子核光子由于反冲效应，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。
1957年底，穆斯堡尔提出实现γ射线共振吸收的关键在于消除反冲效应。
如果在实验中把发射和吸收光子的原子核置于固体晶格中，那么出现反冲效应的就不再是单一的原子核，而是整个晶体。
由于晶体的质量远远大于单一的原子核的质量，反冲能量就减少到可以忽略不计的程度，这样就可以实现穆斯堡尔效应。
实验中原子核在发射或吸收光子时无反冲的概率叫做无反冲分数f，无反冲分数与光子能量、晶格的性质以及环境的温度有关。
二、穆斯堡尔光谱仪的应用：穆斯堡尔谱仪利用原子核的无反冲共振吸收效应（穆斯堡尔效应）测量穆斯堡尔核与超精细场的相互作用，可以获得其价态、自旋态、配位环境及物相等信息。
穆斯堡尔谱具有分离率高、抗干扰能力强等特点，在物理学、化学、材料科学、物理冶金学、生物学和医学、地质学、矿物学和考古学等领域均有广泛的应用。
目前利用穆尔斯堡效应制造的穆尔斯堡谱仪在材料研究领域得到应用，特别是在磁性材料的微观研究上发挥十分重要的作用。
三、穆斯堡尔光谱仪的主要优点(1) 设备和测量简单；(2) 可同时提供多种物理和化学信息；(3) 分辨率高，灵敏度高；(4) 对试样无破坏；(5) 由于只有特定的核存在共振吸收，穆斯堡尔效应不受其他元素的干扰；(6) 穆斯堡尔效应受核外环境影响的范围一般在2纳米之内，因此非常适宜于检测细晶和非晶物质；(7) 所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶态或非晶态的材料，薄膜或固体的表层，也可以是粉末、超细小颗粒，甚至是冷冻的溶液。
第2章_穆斯堡尔谱
放射性衰变基本规律
（4）自然宽度
原子核处于某一状态的能级是不确定的，具 有一定的能级宽度。（海森堡测不准关系）
Γ
所放射的γ射线的能量也有一定的宽度。
能级宽度Γ：是指能量分布曲线半高处宽 度，又叫能量的自然宽度。
能级宽度Γ的大小是各原子核的特征参量， 表明了谱线的灵敏度，以小为好。
晶格振动能 （量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ化）
反冲能
化学结合能
第2章 穆斯堡尔谱
2-1. 穆斯堡尔效应的发现 2-2. 穆斯堡尔效应的原理 2-3. 穆斯堡尔参数 2-4. 穆斯堡尔谱仪 2-5. 实验方法及应用
32
穆斯堡尔谱图：
磁分裂
Fe2O3相对不锈钢为基体的57Co放射源的穆斯堡尔谱
33
穆斯堡尔谱的表示方法：
横轴：放射源相对吸收体的多普勒速度 （mm/s）或者能量移动E1.v/c (eV)
2学时 2学时 4学时 4学时 2学时 4学时 4学时 4学时
2
电磁波谱及其应用
波
长 10-10
10-8 10-6
10-4
10-2 100 102 104
λ/cm
(对数坐标)
电
磁 波
γ 射 线
名
X 射 线
紫可
红
外见
外
线光
线
微 波
超 短 波
短 波
中 波
长 波
称
分穆
析 方
斯 堡 尔
法谱
X
射 线 衍 射 法
17
γ 衰变
一般性质：
当原子核发生α衰变和β衰变 时，衰变后的子核往往处于激 发态，γ衰变就是退激发跃迁 过程所导致的能量释放。
穆斯堡尔谱仪操作规程
穆斯堡尔谱仪操作规程穆斯堡尔谱仪是一种用于研究物质中的核共振吸收谱的仪器，在核物理、材料科学等领域有广泛的应用。
下面是穆斯堡尔谱仪的操作规程。
1. 仪器准备a. 确保穆斯堡尔谱仪所在的实验室或房间的环境符合实验要求，无干扰物。
b. 检查穆斯堡尔谱仪的电源和冷却系统是否正常，确保仪器的稳定运行。
c. 检查探测器和样品台的清洁程度，必要时进行清洗。
d. 校准仪器，确保数据的准确性。
2. 样品制备a. 选择合适的样品，确保其具有较好的结晶和纯度。
b. 确定样品的形状和大小，将其固定在样品台上。
c. 需要对样品进行特殊处理时，如加热、冷却、加压等，应按照实验要求进行操作。
d. 样品台应与探测器尽可能接近，确保信号的最大捕获。
3. 实验参数设置a. 设置合适的探测器位置和角度，以获得最佳的信号强度和分辨率。
b. 设置合适的回波时间（echo time），以确保实验过程中所需的时间范围内捕获足够多的数据。
c. 设置恒定的温度和压力条件，以保证实验的稳定性。
4. 数据采集和分析a. 开始实验后，采集一段时间内的信号数据。
b. 对采集到的数据进行预处理，如背景噪声的去除和信号的平滑处理。
c. 对处理后的数据进行分析，如峰位的测量、谱线的展宽和形状的分析等。
d. 根据实验需要，可以进行谱线拟合和多重谱的分析。
5. 结果记录与分析a. 记录实验过程中的关键参数和操作步骤。
b. 分析实验结果，查找和解释出现的谱线特征和现象。
c. 结果的解释应基于已有的理论知识和实验结果，提出合理的解释和结论。
6. 仪器维护和清洁a. 实验结束后，及时关闭仪器的电源和冷却系统，并进行清洁。
b. 定期维护仪器，如更换探测器和样品台，检查仪器的机械部件和电子元件是否正常工作。
c. 如发现故障或异常，及时联系仪器维修人员进行维修和处理。
7. 安全注意事项a. 在操作过程中，注意保护眼睛和皮肤，避免接触到有毒或腐蚀性物质。
b. 严禁在没有操作人员的情况下使用仪器。
穆斯堡尔谱仪和漫反射
穆斯堡尔谱仪和漫反射
穆斯堡尔谱仪和漫反射都是物理学中常用的实验手段，下面我将对它们的原理及应用进行介绍。
一、穆斯堡尔谱仪
穆斯堡尔谱仪是一种无损分析物质中核的仪器。
其原理是利用核内转换放射性核素的原子核在原位发生γ射线共振吸收和放射，并在时间上保持一定的相干关系。
这种共振被称为穆斯堡尔共振，仪器返回的信息则可用于分析物质的结构和性质。
穆斯堡尔谱仪的应用范围非常广泛，可以被用于分析固体、液体、气体、生物体等不同类型的物质。
因此，穆斯堡尔谱仪在材料科学、生命科学和环境科学等领域得到了广泛的应用。
二、漫反射
漫反射是一种多晶材料的结构分析方法，其原理是材料中的多个晶体面反射出的光互相干涉，产生了强烈的散射现象。
通过分析漫反射光谱，可以确定晶格间距和晶面的方位关系。
漫反射技术在材料科学中被广泛应用于无定形纳米材料的结构分析，也可用于分析材料的结晶度和晶格缺陷等。
此外，漫反射还可以用于分析矿物、土壤和岩石等自然材料的成分和结构。
总之，穆斯堡尔谱仪和漫反射虽然原理不同，但它们在材料科学和生
命科学中都得到了广泛的应用，为我们探究物质的深层结构提供了强有力的手段。
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磁织构
）
1.温度 压力 磁场引起的状态
2.非破坏性 3.解谱复杂
应用
Cu－Fe合金的穆斯堡尔谱
G.P.
Fe固溶Cu 的单原子
875℃淬火
二者有不同的 同质异能移位
600℃保温
有序化
V-Fe合金在83K的M谱
I0/I1 = 1.30
长程有序分解2亚晶格
无近邻原子几率：0.49 有一个原子几率：0.36
是晶界Sn
剥层－晶界
非 晶
Zr－Fe的M普
H
FePC非晶的M谱
内表面－内转换电子
晶化
透射谱
非晶
自由表面－内转换电子
晶化+氧化
磁
距
FePC非晶的M谱
磁矩平行带面 磁矩垂直带面
Fe不同温度下的M谱
精细场随温度变化
退火处理Fe43 Co43 Hf7 B6 Cu1非晶合金
400 ℃ 处理,非晶态结构，即整体表现为不对称展宽六线谱，其中2、5 峰峰高明显大于1、6 峰峰高. 500℃退火处理,晶化，晶化析出相为α-Fe(Co)，数据拟合α-Fe(Co) 的晶化体积分数约为24%，新的双相合金对应的平均 超精细磁场较非晶合金的原始态略有增加. 22. 638 MA· － 1→22. 654 MA·m － 1 . 合金的平均超精细磁场可以表示为Hm = HcCc + HaCa，式中Hc，Ha分别表示晶 m 化相与剩余非晶相的超精细磁场，Cc，Ca为晶化相和剩余非晶相的体积分数. 合金平均超精细磁场的变化是退火处理对晶化相与剩余非晶相综合作用的结果. 超精细磁场、铁磁性均起源于铁磁性原子 未满电子壳层电子自旋与环境间的相互作用，即Hhf = AMs，式中A 为常数，Ms为铁磁体的自发磁化强度. 所以可以预测 磁脉冲处理也将影响新型合金的软磁性能. 关于Fe43Co43Hf7B6Cu1这一新型非晶合金在部分反玻璃化后磁性的变化尚 待进一步研究.
一般用多普勒速度表示δ
取决于电荷密度=化学环境
化学键 原子偏聚 有序度 氧化态
同质异能移位与电子结构的关系
核电荷-核电子电 荷相互作用
s电子密度增加电 子电荷增加， pdf电子增加，对 S屏蔽作用增加 使电子电荷密度 减少
2 四极分裂
激发态向基态跃迁，有两 个能量值，得到双线
Q：核因数（电四极距） 1 2 e qQ q：环境因数 2
内转换电子≠打出来的内层电子
=核场激发出自由电子
二、穆斯堡尔谱仪框图
穆斯堡尔实验安排
M透射谱及内转换电子谱仪装置
内转换电子：核外 电子以自由电子形 式射出原子之外
三、M谱参数（ 10：核因数－环境因数）
1 同质异能移位－化学移位
化学环境不同即电子电荷密度不 同，导致源和吸收体能量差异
0.49/0.36=1.35
V － 0.49％Fe
NdFeCoB合金的穆谱与原子占位
Co优先占位k2和j2晶位，影响居里温度和磁各向异性 6个等效晶位
含Co不同的M谱
积分强度－成分（Fe晶位）
占位几率－成分
晶界
Fe渗Sn室温背射谱
700℃（渗 Sn）－Fe基体 六线谱 不对称 宽化
400℃ （Sn）六线外增加了2线：0.0和1.7
1017
多普勒效应
自由原子发射γ射线时动量守恒
ED
E c
vx
E E0 ER ED
共振吸收
穆斯堡尔周期表
57
Fe
119
Sn
穆斯堡尔效应同位素：46/ （15－20 ）
H 4.67 10 9 ev
57
Fe
自然线宽
57Fe从激发态衰变的内部过程
入射：100％ 透射：10％ 内转换：90％：e＋X（KLL）
第四章 近代材料分析仪器
---穆斯堡尔谱仪
穆斯堡尔 1957－1958－1961诺贝尔奖
穆斯堡尔谱学：核物理 物理 化学 材料学
冶金学 地质学 考古学
生物学 医学
穆斯堡尔实验： 预期: 温度降低－发射峰与吸收峰交迭减小－共振减小 实际：温度降低－共振增加 解释：原子核与基体束缚加强－无反冲发射吸收几率增加
I=1/2,相互作用能EQ=0,基态能级不变化 I=3/2,EQ4个状态，计算出2个能量值，得到双线
Δ：电四极距分裂裂距
自旋大于1/2的状态 电荷椭球分布有电4极距
电子结构 键性 分子对称性
3 磁超精细相互作用
本身磁场：超精细场
外部磁场：局域场
四、应用
1.原子尺度的微观统计
2.结构 缺陷 有序化 磁有序
材料学应用：精度高－缺陷 有序化 相变 扩散 表面界面 磁学
一、穆斯堡尔效应
Γ射线核共振（吸收）：全同核吸收γ光子后能量达到Ee
原子核激发态：Ee 原子核基 态：Eg
γ 光子能量：E0＝Ee－Eg 全同核：电子数、质子数相同
原子核对γ 射线的无反冲共振吸收
无反冲
不发射声子（零发射） －无反冲
反冲质量 反 冲 晶格振动－发射声子