穆斯堡尔效应的应用

指一种原子核无反冲的γ射线共振散射或吸收的现象。德国物理学家R.L.穆斯堡尔于 1957年～1958年间在观察19 1Ir（129keV）的γ射线共振本底时首先发现这种现象，并在理论上作了解释。一个自由原子核发射或吸收γ光子时，原子核要受到反冲，反冲能量损失，发射谱或吸收谱便产生偏差，对大部分核辐射，难以实现共振吸收。若原子核被束缚在晶体点阵上，晶体质量远大于一个原子核的质量，发射或吸收γ光子时，整个晶体反冲，反冲能量将显著减小，容易观察到共振吸收现象。这就是所谓无反冲γ共振吸收。但实际上点阵振动状态是量子化的，在反冲能量小于点阵振动的能级间隔时，它将被整个晶体吸收。所以穆斯堡尔效应又称零声子发射和吸收。迄今为止，已经观察到的穆斯堡尔效应有40多种元素，80多种核素，100多条穆斯堡尔跃迁线。这些核素称为穆斯堡尔核。其中最常用的是57Fe（14.4keV）和119Sn（23.8keV），括号内为γ光子的能量。无反冲γ射线最主要特点是谱线的宽度接近于核能级宽度，这表明它具有极高的γ射线能量分辨率，因此能观察到原子核能级的超精细结构。在共振实验中，由于源同吸收体的化学环境的差异，原子核外s电子电荷密度发生变化，它与原子核电荷的相互作用使跃迁能量相应变化，其差值表现为能量位移。称为同质异能位移或化学位移。自旋大于 1/2的核，电荷分布非球形对称，核具有电四极矩，它与核所处的电场梯度发生

相互作用，核能级便产生四级分裂。自旋大于零的核，具有核磁矩，它与核所处的内磁场相互作用，核能级就产生分裂。在穆斯堡尔谱中可以清楚地分辨这些超精细相互作用引起

的位移和分裂。若已知核周围环境的电磁结构，则可以研究核的特性；反之，若核的性质已知，由测量结果可以推得核周围环境的电磁结构，即利用穆斯堡尔核，能探测物质的微观结构。

利用多普勒速度扫描可以实现共振吸收测量，这种装置称为穆斯堡尔谱仪。由该仪器能获得穆斯堡尔谱——透过吸收体的γ射线光子数对多普勒速度的函数。上图是一个典型的穆斯堡尔谱，凹峰表示最大共振吸收发生的位置，它与机械零速度的速度差值反映了吸收体相对于源的化学位移δ。

穆斯堡尔效应的各种应用，通称为穆斯堡尔谱学。它几乎涉及所有自然科学领域。20世纪60年代，物理学家用穆斯堡尔效应在地面上测量了源同吸收体在高度上相距22.5

米时的γ射线能量位移，在1%的精度内验证了重力位移效应和爱因斯坦等效原理，并发现谱线随温度移动（热红移）。

有些物理学家把这类实验看成是相对论时间效应的一个验证。在核物理方面，穆斯堡尔谱学可以用来测量核激发态的磁矩、电四极矩；也可以由谱线宽度确定核能级寿命；由能量位移确定激发态和基态间核电荷半径的相对变化。凝聚态物理方面，测量无反冲过程的几率可用于固体的点阵动力学的研究；磁超精细相互作用对磁有序材料，如铁磁、亚铁磁和反铁磁的研究，可以确定物质磁结构；根据内磁场随温度变化，可以确定磁有序化温度、鉴定含铁物相、相变研究。穆斯堡尔谱学还可用来研究高压对材料性质的影响；在极低温度下，用来研究超导性质的转变及化学成份与超导性的关系。在化学上，可用来研究穆斯堡尔原子的电子组态，并可以获得化学价键方面的知识，以及研究锡、钛金属有机化合物。在生物科学方面，利用穆斯堡尔效应可研究血红素蛋自、铁硫蛋白、贮铁及转移铁的蛋白等结构和性质。

穆斯堡尔效应的应用

穆斯堡尔效应是原子核无反冲的γ射线的发射和吸收，在本质上也是一种核磁共振。它可以用来研究原子核与核外环境的超精细相互作用，从而分析物质的微观结构。原子核外的环境影响原子核的超精细能级，进而影响穆斯堡尔谱。因此，研究穆斯堡尔谱可以得到原子核的超精细场（内场）、原子的价态、对称性等方面的数据。在固体物理、生物、化学等领域有着广泛的应用。下面主要就其在分析磁有序化材料结构中的应用做简单介绍。

材料磁性的研究已成为穆斯堡尔谱学最经常应用的领域之一。而对于研究磁性材料来说，57Fe的穆斯堡尔效应有着特殊的重要性。其原因为：

1.Fe是磁性材料中普遍存在的成分。

2.许多含Fe的磁有序化合物具有较高的德拜温度，可以在较高的温度下观察57Fe

的共振。

3.57Fe的激发态核有相当长的寿命和相当窄的共振线宽，核自旋小及核磁矩大，便

于研究超精细结构。

4.产生57Fe 的57Co具有较长的半衰期（270天），是可以采用大量生产的高质量放

射源。

穆斯堡尔效应在分析磁有序物质结构中的应用可以概括为以下几个方面：

1.确定磁有序度类型

2.确定磁有序化转变温度

3.相成分的分析

4.相变的分析

5.确定晶位分布

确定磁有序度类型

穆斯堡尔谱线的强度与内磁场Hi和γ射线传播方向的夹角有关。在纯四极距效应中，谱线强度与电场梯度的主轴方向和γ射线传播方向的夹角有关。它们的关系如下表所示：

表中θm及θq分别为内场及电场梯度的主轴方向和γ射线传播方向的夹角。因此，可以通过在不同方向加外磁场及梯度电场时穆斯堡尔谱线中各峰强度比的变化，判断原子磁矩有序化的情况。

下面将给出几个例子：

⏹如对于多晶的铁磁样品，当外场He=0时，由于多晶多畴，原子磁矩分布在空间的各个

方向上。根据上表给出的角度关系，在全空间平均，从而得到谱线中各峰的强度比为3：2：1：1：2：3。

⏹下图中外磁场He是沿γ射线的传播方向。这时的外磁场相当强，是样品达到饱和磁化。

因此，谱线各峰的强度比为3：0：1：1：0：3。对应的θm=0。

⏹下图中外强磁场是加在与γ射线传播相垂直的方向上。谱线各峰的强度比为3：4：1：

1：4：3。它对应于θm=90。

⏹对于亚铁磁体，当铁原子分别处于两套亚点阵中时，将出现两套亚点阵谱。在不加外

磁场时，他们的谱线均为右上图所示的3：2：1：1：2：3。

⏹加磁场时样品饱和磁化时，由于两套亚点阵的内磁场分别平行及反平行于外磁场，他

们的穆斯堡尔谱如右下图所示为3：0：1：1：0：3。