穆斯堡尔谱

E = E 0 (1 + v c)
（2）
其中 c 为光速。在实验上为方便起见，通常以多普勒速度 v 为横坐标，以透射或反 射强度为纵坐标。 穆斯堡尔波谱仪中主要包括放射源、吸收体、数字函数发生器、速度驱动单 元、穆斯堡尔速度换能器、 γ 射线或内转换电子和 X 射线探测器、前置放大器和 数据采集单元等几部分。其原理方框图如图 1 所示。 探测器 前置放大器 高压电源
物质微观结构的信息。 超精细相互作用主要可分为电单极相互作用、 电四极相互作用和磁偶极相互作 用三部分，分别对应同质异能移、四极矩劈裂和超精细磁场三个重要的穆斯堡尔 参数。 (1)电单极相互作用同质异能移 电单极相互作用是原子核的核电荷与核外电子电荷分布之间的库仑相互作 用。对于一个半径为 R 的原子核来说，其静电势为
3.11.18 穆斯堡尔谱测定局域结构 由于自由原子核在发射和吸收 γ 射线时存在反冲作用，因此难于观测到原子 核的 γ 射线共振现象。 在 1956 年以前人们采用多普勒效应或热展宽的方法来补偿 反冲能量的损失，使发射和吸收能量谱线有少量的重叠来研究共振现象。按照这 一观点，当温度降低时，谱线变窄，发射谱线和吸收谱线的重叠部分减小，共振 吸收减弱。但是 1958 年德国年轻物理学家穆斯堡尔 (R.L Mössbauer) 在攻读博士 学位时发表了一篇关于 191Ir 的 129keV γ 射线共振吸收现象的科学论文， 首次发现
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 ≅
∆E =
v Eγ 来补偿反冲所引起的能量损失，终于观测到了 γ 射线的共振现象。之 c
后，马姆霍斯 (K.G.Malmfors) 采用提高放射源和吸收体温度的方法，加剧原子的 热运动来产生附加多普勒能量，实现发射谱线和吸收谱线有一定程度的重叠，从 而观测到共振效应。由于这些共振吸收是一种有反冲的共振吸收，其谱线宽度远 远大于 γ 射线的自然宽度，不具有高的能量分辨率，因此有反冲的 γ 射线共振吸 收没有什么实际意义而未引起人们的普遍关注。 与上述有反冲的共振吸收不同，穆斯堡尔将发射和吸收 γ 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 γ 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。 如果反冲能量小于晶格特征振动能量 （声 子能量） ， E R < hΩ ，将存在不与晶格交换能量的过程，也就是无反冲过程的几率， 这就会有一部分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。随着温度的降低，原子被更为牢固地束缚 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。值得注意的是，穆斯堡尔效应不同于前人观测到的有反冲共振 吸收，原子核在发射和吸收γ射线时没有发生任何反冲。无反冲原子核共振吸收的 最基本特征是同类原子核发射出和吸收到的γ射线能量完全相同。 穆斯堡尔效应与有反冲的 γ 射线吸收相比具有两大优点： 第一，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。 第二，无反冲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（≈10－9eV） ，这正是穆斯堡尔效应具有极高能量灵敏度的根源。穆斯堡尔效应 的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。 3.11.18.2 穆斯堡尔效应的实验方法
（6）
其中下标 e 和 g 分别对应激发态和基态。 在穆斯堡尔实验中，由于放射源和吸收体原子核位的电荷密度不同，比较放射 源能量 E S 和吸收体能量 E A 的差别，可得到能量差，即为同质异能移 δ
δ =
2π 5
2 Ze 2 [ φ (0) A − φ (0) S ]( Re2 − R g )= Re + Rg 2
放大器 速度换能器 驱动单元 数字函数发生器
速度校准器
多道分析仪
数据采集系统 图 1 穆斯堡尔谱仪原理方框图 放射源是穆斯堡尔谱仪中不可缺少的重要组成部分，它的作用是提供相应穆 斯堡尔核能级间跃迁所需要的单色 γ 射线。 迄今为止， 已在 80 多种同位素中观测 到穆斯堡尔效应，其中 57Co 和 119mSn 是应用最广泛的穆斯堡尔源。当 57Co 从核外
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
V (r ) =
V (r ) =
Ze r
Ze R r (3 2 − 2R2 )
2
(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)
g
图 2 同质异能移来源示意图
v(mm/s)
(2)电四极相互作用四极矩劈裂
对于核自旋 I > 1 2 的原子核，由于核内电荷分布 ρ ( r ) 的非对称性而产生核电四
极矩，它的标量值为
eQ = ∫ (3z 2 − r 2 ) ρ (r )dv
（8）
原子核的电四极矩与核外环境所引起的电场梯度之间的相互作用称为电四极 矩相互作用 EQ 。
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
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
EQ =
eQVzz 4 I ( 2 I −1)
[3m I2 − I ( I + 1)](1 + η3 )1 / 2
2
（9）
其中 η =
Vxx −V yy V zz
为电场梯度的不对称参数，Vxx 、V yy 、V zz 分别为电场梯度在 xx、
来自百度文库
yy、zz 方向的分量， 0 ≤ η ≤ 1 ，m 为磁量子数。 m=±3 2 I=3/2 m=±1 2 I=1/2 Vzz=0 Vzz≠0
57
Co 放射源通常以 Pd、Pt 或 Rh 作为基质材料，119mSn 一般以 BaSnO3
或 CaSnO3 作为基质材料。 为了调制 γ 射线的能量，通过穆斯堡尔速度驱动单元使放射源和吸收体之间 作相对运动，通常穆斯堡尔实验采用等加速驱动方式。数字函数发生器产生三角 波作为驱动单元的参考信号，在一个周期内，它将速度由 − v max 到 + v max 再到 − v max 按时间间隔等分。多道分析器在三角波起始时使道址恢复到零道，并使速度驱动 与相应道址同步，这样速度随道址线性变化。将各时间间隔内γ射线探测器探测到 的计数经放大后存储在多道分析器相应的道址内，相应于各个速度间隔的计数不 断在相应道址内积累，而得到穆斯堡尔谱。目前随着计算机技术的发展，利用一 个数据采集卡即可实现单道分析仪和多道分析仪的数据采集和分析功能。 透射穆斯堡尔谱仪和背散射穆斯堡尔谱仪的放射源振动方式相同，但透射穆 斯堡尔谱仪探测的是共振吸收后γ射线计数， 而背散射穆斯堡尔谱仪探测的是γ射线 和穆斯堡尔原子核相互作用后，散射出来的次级粒子，包括次级 γ 光子，或内转 换电子和 X 射线。因此，透射穆斯堡尔谱仪需要γ射线探测器，而背散射谱仪需要 内转换电子或 γ 射线和 X 射线探测器。此外，两者的测量几何条件也有所不同。 目前穆斯堡尔实验大都配有低温和高温装置，用来研究材料在不同温度下的 微观结构性质。也有一些实验室配置超导磁体或高压装置，研究材料在外场或高 压下的电子结构、磁性和结构相变等。 3.11.18.3 超精细相互作用和穆斯堡尔参数 原子核总是处于核外环境所产生的电磁场中， 原子核与核外环境所发生的电磁 相互作用称为超精细相互作用。原子核受到超精细相互作用后，核能级位置产生 微小移动，简并部分或全部消除，形成核能级的超精细结构。一般来说，超精细 相互作用引起的能级分裂，比原子的精细结构要小三个数量级。穆斯堡尔效应的 极高能量的分辨本领使人们可以利用它直接研究超精细相互作用，得到许多关于
2
2
4π 5
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