穆斯堡尔效应原理1_lx-1
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• 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
• 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
• 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]
• 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]
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
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。
• 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。
• 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]
• 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。
• 热运动能量[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。
• 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
• 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
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。
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 EHale Waihona Puke Baiduc
• 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
• 反冲能传给整个晶体及晶格振动。
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。
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
• 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
• 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。
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
• 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
• 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]
• 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]
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
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。
• 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。
• 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]
• 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。
• 热运动能量[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。
• 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
• 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
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。
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 EHale Waihona Puke Baiduc
• 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
• 反冲能传给整个晶体及晶格振动。
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。
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
• 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
• 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。