穆斯堡尔效应及其应用

穆斯堡尔效应及其应用

摘要：穆斯堡尔效应是现代核物理技术的核心理论，也是解决空间测距精确程度的重要方法。本文具体而清晰地阐述了穆斯堡尔效应及应用形式，也对相应的科学领域进行了针对性的概述。

关键词：穆斯堡尔效应γ光子发射谱吸收谱

一.引言

在1958年由德国青年物理学家穆斯堡尔首次发现由γ射线所发出的一种共振荧光现象，后来人们把这一种现象称为无反冲γ射线共振吸收效应又称穆斯堡尔效应。这一效应发现之后马上引起了物理学界以及与物理学相关的科学界的重视，很快成为跨学科多门类的新兴技术，渗透到了物理学中的核物理、点阵动力学、超导物理、磁学；化学中的化学键、化合物的结构、催化；以及地质学、生物学、医学、工学、人文科学甚至到考古学、美术学都有广泛的应用。换句话说，只要是与物质结构微观结构有关的研究学科，都有穆斯堡尔效应的踪迹。因此，穆斯堡尔效应的应用探究直到现在仍然是一个十分重要的研究领域。

穆斯堡尔在完成他的硕士论文时首次观察了191Os经过β衰变成191Ir 以及187Re、177Hf、188Er等原子核无反冲γ共振吸收现象。本文阐述穆斯堡尔效应之后，对穆斯堡尔效应的具体应用分几个方面进行阐述，现代很多技术都与穆斯堡尔效应有关，这一结果是十分令人满意的。

二.穆斯堡尔效应的理论诠释

一个处于静止状态的自由原子核，根据动量守恒定律，释放一个γ光子时，将受到一个反冲动量，反冲动量为：

P=mv=h c ν （1） 所以：R E =12m 2v =22m p =2

22m E c （2） 式中：m 为原子核的质量 E 为释放γ光子的能量 c 为真空的光速 这个动量应该由原子核的跃迁所释放的能量021E E E =-来提供，所以

发射γ光子所需要的能量为：

·¢E =h ν=0R E E -=2202m E E c

- (3) 我们使发射谱线的中心发生偏移，使谱线不在0E 处，而在0R E E -处。 如果一个原子核发射的γ射线的有一个反冲，发出的γ射线相应的能量就会减少一部分：10R E E E -=

另外一个吸收的原子核也具有一个反冲能量，所以，要产生共振荧光现象就应该提供相应的能量：20R E E E -=

这样会导致发射谱和吸收谱产生相差为2R E 的距离，如图1；

图1；

原子核吸收γ光子的过程，同时也会获得光子所发射的反冲能量

2

22R m E E c =，这种反冲动量一定是入射光子提供的，则：

22Îü002R m E E E E E c

=+=+ （4） 经过这样的操作，会使发射谱和吸收谱相距2R E 的距离，如图一；

例如对于57Fe 来说，第一激发态释放14.4kev 的γ光子能量。原子核所受到的反冲能量为R E =1.9⨯310-ev ，这样会使发射谱和吸收谱的间

距等于2R E =3.8⨯310-ev ，此外，R E 与激发态的能级的自然宽度相比

较确实是一个大量，遵循海森堡不确定关系即E t h ∆•∆≥，所以有寿命的激发态一定存在能级的自然宽度Γ。例如：57Fe 能级的半衰期为

9.8810-⨯s ，它的自然宽度为：

94.710c c ττ-Γ===⨯ev （5）

所以2R E 比n Γ大一百多万倍，这样就会导致一个自有存在的57Fe 原子

核所发出的14.4kev 能量的光子，不能为另一个基态的57Fe 所吸收。一般而言，自由原子核发射γ光子所获得的反冲能量大于410-ev ，而谱线能级的自然宽度在16191010--ev 范围内，前者远远大于后者，这就是实验观察不到自由原子核所发射的γ射线所产生共振荧光的内在本质。

三.穆斯堡尔效应的特征

自从德国物理学家穆斯堡尔发现并观测穆斯堡尔效应以后，它的发展速度是十分惊人地。由穆斯堡尔效应开展的学科和领域不断增大，它已经成为观测物质微观结构的非常重要的技术手段，这与穆斯堡尔效应的几个优点是密不可分的。

（1）微观探测性 穆斯堡尔效应发出的光子形成的谱线是有物质（固态、液态、气态）这里特别是固体物质的固有属性决定的，它

是表征被测样品中特殊同位素所发出的能级谱线随外界的变化而引起谱线变化的情况。这里说的不是大量物体在总体程度上的统计平均所引起的宏观现象，所以，通过穆斯堡尔效应的进一步研究，我们可以清楚的发现许多物质内部的微观结构以及微观结构与微观结构之间相互联系的内部机理，同时我们也可整合物质内部与外部的联系的有关资料，为以后研究新的科研技术打下坚实的基础。

（2）高分辨率我们知道穆斯堡尔谱线中的吸收谱和发射谱之间交叠区域是非常狭窄的。因此，我们可以得到很高的分辨率，同时，我们也可以利用穆斯堡尔效应观察很多物质超精细结构的相互作用（例如：测量地月距离）。表1，给出了穆斯堡尔谱线的分辨率以及其他几种光谱的分辨率供我们参考。

表1, 几种谱的分辨率

1

10-

3

10-

8

10-

--

69

1010

--

1014

1010

（3）高度的选择性用已知的57Fe作为γ-射线源时，在待测样品中只有含有57Fe的样品才会出现穆斯堡尔效应，所以它具备程度较高的选择性，同时它可以运用到含有组分复杂物质的特定元素的确定以及所处化学环境的数据分析。从穆斯堡尔效应的发现到1971年，短

短的几年中，就已经观测到很多元素中都具有穆斯堡尔效应的特性。

（4）高度的灵敏性随着科学技术的不断发展仪器设备性能的不断优化以及信息储存技术的应用，使穆斯堡尔效应的探测和获取数据的程度都有很高的灵敏度。例如，把穆斯堡尔效应应用到物质超精细结构的相互作用方面都取得了很大的成功。

（5）动态探测性因为穆斯堡尔效应具有高分辨率、高度的选择性和极高的灵敏度等特性。所以在一定程度上可以利用穆斯堡尔效应来探究化学中物质反应速率及催化问题，以及相变和地质学中的陨石、月岩和其他的动力学过程。

（6）非破坏性探测在一般情况下，我们进行穆斯堡尔效应的探测时，有两个突出的优点：①.所需待测样品的数量极少。②.不会对待测样品的物理和化学属性产生任何影响。因为穆斯堡尔效应具有这样的突出优点，在化学中的催化问题占据很高的地位。

综上所述，正如哲学中所说的一样：“任何事物都是一个矛盾的个体。”穆斯堡尔效应具有一定的优点但也具有一定的缺点。例如，（1）穆斯堡尔效应只有在固体物质中才能应用，这样可以在一定程度上削弱光子反冲能量和热致增宽效应；（2）穆斯堡尔效应发展到今天，我们并不能观测所有物质的穆斯堡尔效应；（3）许多具有穆斯堡尔效应的元素都应该在极低温度的情况下进行观测。

四.在磁学上以及与磁学领域相关的应用

对于穆斯堡尔效应发展速度是十分惊人的以及它的应用方面是十分广泛的。它在磁学以及磁性物质等方面就占据相当重要的地位，