穆斯堡尔谱共振

6

利用发射前级辐射引起原子核反冲获得运动速度 机械运动：将放射源固定于高速转子的边缘，由多普勒效应， γ光子得 到附加能量
v E E c

升高温度：谱线的半高宽随温度的 上升而加宽，即重叠部分加大，共 振吸收几率增加。
缺点：仍属有反冲共振吸收，能量分辨本领差
7

T=300K时， Γ=0.07eV，ER =0.047eV，
36
37
38
单从穆斯堡尔谱在物理中的应用角度看，可以：
1. 2. 3. 4. 5.
验证物理基本原理；
测量一些核的物理量；
研究物质的结构，相成分以及相变； 通过磁相互作用可以了解材料的磁结构性质； 以穆斯堡尔共振原子作为“探测原子”来探测不含穆 斯堡尔原子化合物的微观结构；
6.
其他的一些应用。
39
穆斯堡尔谱共振
1


穆斯堡尔效应
实验方法 超精细相互作用
应用
2
原子核对γ射线的无反冲发射与共振吸收
γ γ
3

γ光子：原子核能级跃迁时释放出的射线，是波长短于0.2 A 的电磁波。 共振吸收：原子核由激发态到基态发射的光子容易被相同原子核所吸收。
共振散射：处于基态的原子核共振吸收入射光子，跃迁到激发态，随后 退激时向空间各方向辐射同波长光。
起源于原子核电荷与核所在处的电子电荷密度分布间的库仑相互作用。 对于半径为R的核，其静电势为：
r≥R r≤R
r R

有限体积原子核的静电能：
22

原子核在激发态和基态的原子半径不同， 由于静电库仑作用所引起能量 位移
Re
Rg
23

在穆斯堡尔实验中，比较放射源能量 ES 和吸收体能量 EA 的差别可 以得到净同质异能移位
种物相或若干组超精细场的叠加，所以需要计算机拟合解谱。
洛伦兹线型：
一般用加权最小二乘法，使下式最小
用 q i 表示待求参数，使上式达到最 小，需满足
2 0 qi
20

电单极相互作用——同质异能移位

电四极相互作用——四极分裂
磁偶极相互作用——核塞曼分裂


电和磁超精细相互作用的耦合
21

自旋向下的s电子，费米接触场为
8 H c (0) guB s | ns (0) |2 | ns (0) |2 3 n
通常包括在费米接触相互作用中 的电子有：核心s电子，近邻离 子混入母原子价壳层的电子，靠 近核而具有s特征的传导电子。
33
H L——轨道场
s电子
满壳层
E g N uN H
31

对于I :3/2↔1/2
选择定则：
I 1

mI 0, 1
磁场的来源
H Hhf Hex
Hhf HC H L H D
H C ——费米接触场
H L——轨道场
H D——自旋偶极场
32
H C ——费米接触场

来自于原子核中s电子分布的自旋密度极化的贡献，对于所有自旋向上和
放射源（S) 吸收体（A)
其中：
R
1 ( Re Rg ) 2
R Re Rg
24
同质异能移位取决于： 1、与原子核有关的因子（原子核半径及其变化） 57 如在 Co 中 Re Rg ，119 Sn 中 Re Rg 2、与核外电子有关的因子（原子核处电子电荷密度） 如对于放射源在不同基体中 57Co( Rh) ,57Co( Pd ) 原子核处的电子密度不同

测微小振动—基本物理原理中的应用：
引力红移的验证 光在引力场中经过位移l ，频率改变
简单起见，考虑
0
，即在和地面垂直的方向上移动
40
引力红移的验证结果
150
41

测量核的物理量—核物理中的应用
原子核的电四极矩
核磁矩
磁相互作用
E uI H
g因子
uI I g N u N
的Baidu Nhomakorabea方值
x2 (t )
11
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。 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,这正是穆斯堡尔效应具有极高能量灵敏 度的根源。
42

研究物质结构、相成分和相变
a.鉴定物质结构形态
Al-Fe合金体系 中Al-Fe不同结 合方式的穆斯 堡尔谱
43
利用穆斯堡尔谱可以 鉴定非晶态磁性材料， 并能鉴别非晶态样品 中是否存在少量晶态 成分
44
b.相成分
含 Fe 为0.019at%的铝 箔在室温时有两相共存， 其一为α相，由少量的Fe 溶于体心立方结构的Al中 形成，其二为θ相，系金属 间化合物 Fe4 Al13
25

二次多普勒效应
引起二次多普勒能移δT，这种效应起源于穆斯堡尔核的热运动引起的多 普勒效应，它叠加在同质异能移上，共同决定谱线“重心”的位置。
原子核在其激态寿命内进行了多次振荡
因此二次多普勒能移为
26

核电四极矩与原子核处的电场梯度的相互作用。 对于核自旋的原子核，由于核内电荷分布的非对称性而产生核电四极 矩 eQ , 电四极矩 eQ 是衡量核电荷分布偏离球形对称的程度的张量。
57
根据不同相对应的谱线围成的面 积可以确定不同相的成分比
Ai fi NiGi ( x) Aj f j N j G j ( x )
45
c.相变
1 2 EQ e qQ (3cos 2 1) 2
E（ Q T TM ) E（ Q T TM ) 0.43mm / s 2 0.22mm / s 1
5 7


30

原子核的角动量 原子核的磁矩
PI
I (I 1)
e uI g N ( ) PI 2M p
原子核与磁场H 作用分裂的亚能级：
E uIz H
其中
e uIz g N ( )mI g N uN mI 2M p
mI I , I 1,
, I 1, I
E g N uN mI H
47
弛豫效应
N
L
原子核共振能级的平均寿命 原于核的拉摩进动时间
E E
～1011
，具有很高的能量分辨本领
12
有46种元素，92种原子核，112种跃迁观察到穆斯堡尔谱效应
最常用的的穆斯堡尔同位素
13

穆斯堡尔实验装置
使用多普勒效应，通过放射源相对吸收体作一定方式的运动来调制γ射 线的的能量。
14

穆斯堡尔谱仪
背散射式谱仪
透射式谱仪
57
Fe
15

等加速透射式穆斯堡尔谱仪
应用、有较长的寿命和较高的分辨率、适宜于一般条件下的应用；
Fe又是绝大多数磁性材料的重要组成成分，在获得多种多样的内禀磁性和技
术磁性中起着重要作用。 磁学中穆斯堡尔谱主要是研究内磁场及其分布，区别各种磁相，求出磁性转 变温度，局域磁矩，以及有序无序结构的转变等等。
研究磁性材料中Fe的微观环境及其变化规律是当 代磁学中的重要课题之一。
4

原子核跃迁的能量比原子跃迁的能量大得多
γ
e
5

由于γ光子的能量比较高，原子核发射γ光子时受到反方向的冲量不可 忽略，根据能量守恒和动量守恒，反冲能为：

2Mc 2 自由原子核发射γ射线后的反冲能量
ER
E2
ER
E2 2Mc
3 8 ～ 10 eV ～ 10 eV 2
Γ～ℎ /τ
设
Vzz eq
(Vxx Vyy ) / Vzz
其中 eq 为电场梯度张量的主分量，η为非对称参数，0 1

对于自旋为 I ，磁量子数为 mI ，电四极矩为 eQ 的原子核，在电场梯度 为 eq 时，其四极裂距为：
2 e2 qQ 2 EQ 3mI I ( I 1) 1 2 I (2 I 1) 3 1 2
17
常见的放射源：
18

吸收体
吸收体在绝大数情况下为粉末形式，少数为单晶体。
对于粉末样品，通常将粉末样品与适当的载体物质相混 合，然后压制成厚度适当的薄片作为吸收体。载体要求对
射线是惰性的，一般选用有机化合物，如人造荧光树脂、
万能胶等。
19

曲线拟合
实验测得的穆斯堡尔谱线绝大部分是比较复杂的，即大多数是多
Qij n (r ) xi x j dv

选择合适的坐标系使 Qij 对角化
eQ r 2 (3cos 2 1)dv
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原子核处的电场梯度
V ' xx V ' xy V ' xz 0 Vxx 0 ( EFG ) E V ' yx V ' yy V ' yz 0 V 0 yy ' ' ' V zx V zy V zz 0 Vzz 0

注意： 1、如果激发态核半径和基态核半径不等，同质异能移就可以不为零； 2、同质异能移与核周围的电子配置情况有关，因此可以得到化学键性 质、价态、配位基的电负性等化学信息； 3、如果放射源中原子所处的化学状态和吸收体完全相同，则同质异能 移为0； 4、以不同基体的穆斯堡尔源去测同一吸收体，所得同质异能移不同。
9

如果反冲能量小于晶 格特征振动能量（声 子能量）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。
10

无反冲共振吸收过程的几率 f ，f 称为兰姆-穆斯堡尔分数或德拜-瓦莱 （Debye-Waller）分数。
x 2 为热振动原子核射线方向上偏离平衡位置的位移对时间t
28

57
Fe 的电四极相互作用,3/2 和1/2之间的跃迁：
对于单晶双峰相对强度： θ为γ前进方向和电场梯度主轴间的夹角
29

原子核处的（EFG）的来源：
①原子核周围电子云的电荷分布的不对称。例如来自满壳层的电子对的极化， 或者来自未充满的电子轨道上非球形对称分布的电子；
②近邻电荷。例如配合基，近邻离子。对于离子性晶体，这影响特别重要。
16

放射源
放射源应该给出较窄的洛伦兹谱线，激发态的半衰期最好处 在0.1-1us； 放射源应辐射单线洛伦兹谱线，放射性原子应处在非磁性材 料的立方对称的等价晶格位置上； 放射源中的穆斯堡尔核应该具有较大的无反冲因子f (>1%)； 作为放射源基质材料其化学性能应该稳定； 基质不应该形成增强本底的因素。
191 76
Os
74keV
在室温可以观测到一定的共振吸收。
1958年，穆斯堡尔在研究
191

Ir 的
129keV γ共振吸收时发现，将放射 源和吸收体的温度降至液氮温度时，

42keV
共振荧光反而增加。
129keV
191 77
Ir
8

束缚在晶体内的原子核发射或吸收γ量子时，一般会使吸收反 冲动量的晶格的振动状态发生变化。由于内能的量子化，晶体 只能不连续地吸收反冲能量，随着降低温度，内部能态被激发 的几率越来越小，因此对于一部分进行量子跃迁的γ射线而言， 晶体将作为整体来吸收反冲动量。在这情况下发射或吸收的γ 量子的能量实际上不会受到损失，因而能理想地满足共振条件。
l0
HL 0
L 0
HL 0
HL 0
未满壳层的非s电子
核外电子绕核运动的轨道磁矩在何处产生的磁场
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H D——自旋偶极场
核外电子自旋磁矩在核处产生的磁场
35

谱线强度
1、如果是多晶粉末样品，夹角θ随机分布，那么与角度有关的因子应对整个 球进行积分，于是六条亚谱线的相对强度为3：2：1：1：2：3。 2、如果γ射线方向与磁场平行(θ ＝0)时，强度比为3：0：1：1：0：3，而 当垂直(θ ＝ π /2)时，为3：4：1：1：4：3。

Fe原子自旋方向由0转到π/2
Fe1.96 Ru0.04OS 在不同温度下的四
极分裂值随温度的变化曲线
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磁学中的应用
自穆斯堡尔效应发现以来，在磁学和磁性材料研究中就占 有重要的地位，也是研究工作最多和最集中的领域。
40多种穆斯堡尔元素中,
57
Fe 核素具有良好的性能，如可在室温和高温下

对于取向随机分布的多晶样品，分裂的谱线强度相等。但某些情况下，由于 原子振动的各向异性(例如表面原子的振动常常是各向异性的)，因而引起相 应无反冲分数f的各向异性，将会得到不等强度的双线。
对于核自旋 I>3/2的情况要复杂的多，对于 129 I 的穆斯堡尔谱， ， 2 2 根据选择定则 mI 0, 1 ，四极分裂将引起8条亚谱线。 在固定的穆斯堡尔核的情况下，影响四极分裂的因素是吸收体核的核外环境， 即由（EFG）确定。因此，四极分裂值能直接反映穆斯堡尔核周围环境的对 称性。