穆斯堡尔效应原理1_lx-1
穆斯堡尔效应
主要内容：
1
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穆斯堡尔效应 穆斯堡尔谱学 穆斯堡尔实验技术
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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
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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。
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。
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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。
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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；
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。
穆斯堡尔效应 薛定谔
穆斯堡尔效应薛定谔穆斯堡尔效应（Mössbauer effect）1. 引言穆斯堡尔效应是由德国物理学家鲁道夫·穆斯堡尔于1957年首次观察到的一种特殊的原子核辐射现象。
这一效应的发现对于研究固体材料的原子核物理性质以及应用于其他领域具有重要意义。
2. 穆斯堡尔效应原理穆斯堡尔效应是基于薛定谔方程的量子机械原理的一种现象。
当原子核处于某种能级时，它可以通过发射或吸收一个能量为∆E的光子而跃迁至另一个能级。
根据薛定谔方程，这一能级差必须等于光子的能量，即∆E = hν，其中h为普朗克常数，ν为光子的频率。
然而，如果固定了带电粒子的位置，其速度和动能将模糊不清，因此无法确定光子的精确能量。
薛定谔方程给出了光子能量的概率分布，从而允许我们计算这种不确定性，即能级差的模糊度。
3. 穆斯堡尔效应的观察穆斯堡尔利用铁-57同位素进行了实验观察穆斯堡尔效应。
他将这种同位素封装在一个晶体中，并通过其他能量较高的射线使之跃迁至较高的能级。
然后，他用一个探测器收集通过样品的γ射线，并测量其能量分布。
穆斯堡尔发现，不同晶体的能谱分布存在微小的偏移，这一现象即为穆斯堡尔效应。
4. 理论解释穆斯堡尔效应的理论解释由薛定谔提出。
薛定谔认为，穆斯堡尔效应是由于原子核在固体晶格中的位置不同而引起的。
当核处于不同的位置时，它们会受到不同的相对动能的影响，从而导致能级差的变化。
这种位置效应使得不同位置的核会发出略微不同能量的γ射线，从而观察到能谱的偏移。
5. 应用领域穆斯堡尔效应在材料科学和物理学的研究中有广泛的应用。
利用穆斯堡尔效应可以对固体材料中的原子核性质进行精确的测量。
例如，通过测量铁原子的穆斯堡尔效应可以研究铁磁材料的性质。
此外，穆斯堡尔谱还可用于研究化学反应、材料表面的吸附过程以及催化剂的性质。
结论穆斯堡尔效应是量子物理的重要现象之一，它通过观察原子核能谱的变化揭示出原子核在晶体中的位置效应。
穆斯堡尔效应在材料科学和物理学的研究中有广泛的应用，并对其他领域的发展产生了重要的影响。
穆斯堡尔效应
穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应，也称为穆斯堡尔预言效应，是一种心理学现象，指的是一个预言会对动摇相信这个预言的人们的行为产生影响。
它是命名以犹太神经病学家阿道夫穆斯布尔（Adolf Mueller）的名字而命名，他提出了这一概念，尽管它在普通心理学实验中已经受到证实。
穆斯堡尔效应受到众多研究和研究的关注，并在神经心理学有重要的观点，其研究表明，它可以影响个体的行为和心理状态。
本文将介绍穆斯堡尔效应如何联系神经心理学和普通心理学，以及穆斯堡尔效应如何影响行为。
穆斯堡尔效应是一个与神经心理学有关的重要现象，表现为一个预言对信仰这个预言的个体的行为产生影响。
它的研究表明，预言可以通过改变个体的自我观念和对环境的解释，从而改变行为。
穆斯堡尔效应是一种思维模式，即认知结构的改变，这一点也得到了神经心理学的认可。
神经心理学的研究显示，当一个预言改变了一个人的自我观念和行为期望时，这个预言就会对这个人的行为产生影响。
因此，我们可以推断，当某人对一个预言有兴趣，那么他会受到这个预言的影响，这就是穆斯堡尔效应。
穆斯堡尔效应不仅仅是一个在神经心理学中有重要意义的现象，也是一个在普通心理学中有重要意义的现象。
在普通心理学的实验中，研究人员发现，通过说服某人去信仰一个预言，这个人就会改变他的行为。
这里的信仰就是穆斯堡尔效应的关键，也就是说，当一个人被说服并相信一个预言时，他的行为就会改变。
这种影响力也可以在普通心理学中找到，比如自我满足假设，它指出，一个人会根据他的行为期望或偏好来做出选择或付出极大的努力，以符合这些活动期望。
因此，穆斯堡尔效应可以被视为一个结合了神经心理学和普通心理学的重要观点。
穆斯堡尔效应可以改变一个人的行为，这一点也得到了神经心理学家和普通心理学家的认可。
通过认知结构的改变，某个预言可以影响一个人的行为，而且影响可以持续很长时间，取决于这个人如何使用这些信息。
如果一个人相信一个预言，这个预言就会对他的行为产生影响，但他也可能仍然相信这个预言，即使他的行为没有改变。
穆斯鲍尔效应
由此可见状态的寿命越长，能级宽度就越窄。所以，只有稳定核的基态才有 完全确定的能量。
跃迁几率为： 1
由于激发能级有一定宽度，所以γ跃迁时放出的γ射线的能量有一定的 展宽，这种展宽称为谱的自然宽度。
Ere
E0
ER
E0
E02 2mc 2
这里： Ere ——射线的能量 m —— 原子核的质量
gh c2
1.11016 h
其中：h单位为m 则当h=20m时，
2.21015
1960年，R.V.Pound,G.A.Rebka利用Mossbauer效应在实验室内测量了光 子在重力场中的频率变化。
exp 1.05 0.10 th
实验结果和理论预期结果很好的符合。 这是Mossbauer效应在近代物理学的基础研究方面最为突出的成就。 2）、原子核与核外电子间的超精细相互作用研究中的应用 原子核电荷分布与核外电子电荷分布之间的库仑作用，会引起核能级 的微小移动。 由于基态和激发态原子核的电荷分布不同，这种能级移动也不同。 由基态和激发态的库仑作用引起的能级移动之差称为同质异能移动。 由于同质异能移动的大小与核外电子的分布有关，所以利用Mossbauer 效应可测出同质异能移动的大小，从而可以研究核外电子分布情况。 3）、测量由于电磁场的存在使核能级的分裂 在原子核所处位置上存在电场梯度或磁场，则它们与原子核的电四极 矩或磁矩相互作用将引起核能级的分裂。这种能级分裂可以利用Mossbauer 效应灵敏地测出。 4）、Mossbauer效应在其它领域的应用 化学，生物学，地质学，冶金学等领域的基础研究方面得到广泛的应用。
由公式可见，为了得到足够大的无反冲发散分数，必须具备以下条件:
穆斯堡尔效应用于测量同位素移动和化学反应中核反应的方法
穆斯堡尔效应用于测量同位素移动和化学反应中核反应的方法核反应是指原子核发生变化的过程，可以通过测量同位素移动和化学反应来研究。
穆斯堡尔效应是一种利用核反应特性来测量同位素移动和核反应速率的方法，在科学研究和工业应用中具有重要的意义。
一、穆斯堡尔效应的基本原理穆斯堡尔效应是由德国物理学家罗伯特·J·穆斯堡尔于1957年首次发现的，他因此获得了1961年度的诺贝尔物理学奖。
穆斯堡尔效应利用同位素的特性，通过测量核反应特征来研究同位素移动和核反应速率。
穆斯堡尔效应的基本原理是利用原子核在核反应过程中释放或吸收光子时所产生的相对位移，通过测量光子的能谱来推测核反应的发生和核反应速率。
具体而言，当同位素所处的环境发生变化时，核反应发生的速率也会随之改变，从而导致光子能谱的变化，通过分析这种变化可以推断出同位素移动和核反应速率的情况。
二、测量同位素移动的方法1. 源移动法源移动法是一种常用的测量同位素移动的方法。
该方法通过将探测器固定在一个位置，利用原子核反应时所产生的峰值能量来推断同位素在环境中的移动情况。
源移动法需要通过对比同位素在不同环境下的能谱峰值的位置和强度来分辨同位素的移动情况。
2. 时间差法时间差法是另一种测量同位素移动的方法。
该方法通过利用同位素移动时所产生的能谱的时间差来推断同位素的移动速率。
时间差法需要测量两个能谱之间的时间差，并将其与同位素的移动速率进行对比，以确定同位素的移动情况。
三、测量化学反应中核反应速率的方法1. 自吸收法自吸收法是一种常用于测量化学反应中核反应速率的方法。
该方法通过测量核反应产生的光子在样品中的吸收比例来推断核反应的速率。
自吸收法需要测量样品中核反应所产生的光子的能量，并通过其吸收比例来推算核反应的发生情况。
2. 形变法形变法是另一种测量化学反应中核反应速率的方法。
该方法通过分析核反应产生的光子在样品中所产生的形变来推测核反应的速率。
形变法需要测量光子在样品中的形变情况，并通过对比样品前后的形变程度来确定核反应的发生情况。
实验四穆斯堡尔效应
本科生实验报告实验课程核分析基础学院名称核技术与自动化工程学院专业名称核工程与核技术学生姓名学生学号指导教师马英杰实验地点6C802实验成绩二〇一五年十一月二〇一五年十二月穆斯堡尔效应【实验目的】1、了解穆斯堡尔效应的基本原理2、了解穆斯堡尔谱仪的结构和基本的实验方法【实验器材】穆斯堡尔谱仪 通用示波器57Co 放射源α-Fe 薄膜样品【实验原理】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。
由于核激发态有一定寿命，相应的跃迁谱线宽度很窄，而核发射的γ射线能量较大，造成核的反冲,所以即使考虑到热运动的多普勒展宽造成的发射谱线与吸收谱线的重叠，一般也无法观察到核共振吸收现象。
穆斯堡尔考虑把靶原子核镶嵌在晶格中，发射γ射线时带着整个晶体一起反冲,这样的反冲很小,有很大的概率观察到核共振吸收现象，这就是穆斯堡尔效应.一、γ射线共振吸收 1、谱线的自然线宽核的激发态存在有限长的寿命τ，回到基态时发出的γ射线存在一定的线宽,谱线强度与光子频率ω之间有关，为:2021()1()4I ωωωτ∝-+即洛仑兹线性。
将E=hω/2π代入,22021()()4I E E E τ∝-+则当0/2E E τ-=±时I （E)强度下降为最大值的一半，这时曲线宽度为/τ，称为谱线的自然线宽Γ。
2、自由原子核的反冲由能量、动量守恒定律可知核反冲能量E R 为：222202212222R R p E E E Mu M Mc Mcγγ===≈ 即M 越大，反冲能量E R 越小。
如以57Fe 为例，E 0=14.4keV ，则有E R ≈2×10-3eV 比自然线宽大得多。
故对57Fe ，当谱线不存在其他展宽，发射与吸收谱线之间不存在任何重叠，所以不可能观察到γ射线的共振吸收现象。
3、多普勒展宽由相对论性的多普勒效应2210T D eV -==⨯室温下的多普勒效应不是观察到的57Fe 发射γ射线的共振吸收.二、穆斯堡尔谱线的强度和宽度原子发射γ射线时，反冲能量一般不足以激发声子，则发射前后晶格处于相同的状态，这种无声子跃迁过程的概率称为无反冲分数f 。
穆斯堡尔谱原理及应用
整理课件
8
穆斯堡尔效应的发现
1957年，德国27岁的年轻科学家穆斯堡尔在做博士论文的实验 工作中，发现了原子核对γ －射线的无反冲共振吸收，这种效应 后来以他的名字命名，叫做穆斯堡尔效应。
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。
整理课件
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电四极分裂距－穆斯堡尔谱参数
I=3/2
பைடு நூலகம்
I=1/2
➢ 当电场梯度不为零的时候，而原子核电荷分布不是球对称 的时候（即具有电四极距），就有电四极相互作用。电四极 相互作用使得简并能级部分消除，因此出现超精细分裂。
80多种同位素的100多个核跃迁。
大多数的要在低温下才能观察到，只有57Fe 的14.4kev和119Sn的23.8kev
核跃迁在室温下有较大的穆斯堡尔效整应理课的件几率。
26
穆斯堡尔源 将穆斯堡尔原子的母核核素通过一定方式嵌入 某种基体中制成，最重要的穆斯堡尔源是57Co, 它衰变得到57Fe的14.41keV穆斯堡尔跃迁。下
ΔE-射线能量的变化； E-射线能量 V-速度
整理课件
4
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 2+, Fe 3+。
(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）
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。
穆斯堡尔光谱学
穆斯堡尔光谱学是一种非常重要的光谱学技术，它以其独特的原理和广泛的应用领域在科学研究和工业生产中发挥着重要作用。
穆斯堡尔光谱学利用核共振激发原子核的能级跃迁来研究物质的性质和结构，具有极高的灵敏度和分辨率，可以对物质的微观结构进行深入的研究，因此在材料科学、化学、生物学等领域有着广泛的应用。
穆斯堡尔效应最早由美国物理学家穆斯堡尔于1958年发现，他发现当放射性核素通过X射线晶体衍射和吸收时，核能级发生平移，从而引起了伽马射线的频率偏移。
这一现象被称为穆斯堡尔效应，它揭示了原子核在固定位置上的振动和运动，为后来的穆斯堡尔光谱学的发展奠定了基础。
穆斯堡尔光谱学的原理是利用核共振激发原子核的能级跃迁来获取样品的信息。
当放射性核素发出伽马射线并与物质相互作用时，会发生穆斯堡尔效应，即伽马射线的频率发生变化。
通过测量伽马射线的频率变化，可以得到样品中原子核的能级信息，从而揭示物质的结构和性质。
穆斯堡尔光谱学具有很高的分辨率和灵敏度，可以对材料的微观结构进行精确的研究。
它可以用来研究晶体结构、原子核间的相互作用、材料的磁性、电荷分布等。
另外，穆斯堡尔光谱学还可以用于研究放射性同位素的分析和鉴定，广泛应用于核物理、材料科学、地球化学、生物医学等领域。
在材料科学领域，穆斯堡尔光谱学可以用来研究材料的结构和性能。
例如，在金属材料中，可以通过穆斯堡尔光谱学来研究金属的晶格结构、磁性和缺陷等信息；在催化剂研究中，可以利用穆斯堡尔光谱学来研究催化剂表面的原子核状态和反应机制，从而指导催化剂的设计和改进。
在地球化学领域，穆斯堡尔光谱学可以用来研究岩石、矿物和土壤样品中元素的化学状态和分布，揭示地球内部和地表的物质组成和演化过程。
在生物医学领域，穆斯堡尔光谱学可以用来研究生物体内放射性同位素的代谢和分布，为放射性药物的应用和生物医学诊断提供重要信息。
总的来说，穆斯堡尔光谱学作为一种非常重要的光谱学技术，以其独特的原理和广泛的应用领域在科学研究和工业生产中发挥着重要作用。
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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]