核分析基础第5章

二、穆斯堡尔参数
2.四级分裂 四级分裂
原子核四极矩与核外电场梯度（ 原子核四极矩与核外电场梯度（EFG）之间有电四 ） 极相互作用。 极相互作用。 穆斯堡尔核处的电场梯度(EFG)来源于两部分贡献。 来源于两部分贡献。 穆斯堡尔核处的电场梯度 来源于两部分贡献 穆斯堡尔核周围非立方对称分布的离子， 穆斯堡尔核周围非立方对称分布的离子，会在穆斯堡尔 核处形成电场梯度， 核处形成电场梯度，通常称这部分电场梯度为配体或点 阵贡献；除此之外， 阵贡献；除此之外，穆斯堡尔原子部分填充的价电子也 会对电场梯度产生贡献，称为价电子贡献。 会对电场梯度产生贡献，称为价电子贡献。 在固定的穆斯堡尔核的情况下， 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，实 确定。 素是吸收体核的核外环境，即由 确定 因此， 验上观测到的四极分裂值， 验上观测到的四极分裂值，直接反映出有关穆斯堡尔核 周围的电子结构、键的性质和分子对称方面的信息。 周围的电子结构、键的性质和分子对称方面的信息。
3.地质勘探 地质勘探——探测地层中水分布信息 地质勘探 探测地层中水分布信息
可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、 可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、 含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。 含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。
二、正电子湮没谱参数
3. 多普勒能移：因湮没电子对有动量而相对探测器运 多普勒能移： 使得探测到的湮没辐射会产生多普勒效应， 动，使得探测到的湮没辐射会产生多普勒效应，相应的 γ光子能量以 光子能量以511keV中心有一相对移动，该能量移动叫 中心有一相对移动， 光子能量以 中心有一相对移动 多普勒能移。 多普勒能移。 多普勒能移的大小与湮没电子对动量有关， 多普勒能移的大小与湮没电子对动量有关，同时反 映出电子动量。电子动量有一分布， 映出电子动量。电子动量有一分布，使得能移也有一分 多普勒能移也反映电子动量信息。 布。多普勒能移也反映电子动量信息。多普勒能移导致 谱线加宽。 谱线加宽。
一、基本原理
• 当某原子的原子量和原子序数之一为奇数或均为奇 数时，这些原子核会发生像陀螺一样的自旋运动， 数时，这些原子核会发生像陀螺一样的自旋运动，自旋 运动会产生磁矩。 运动会产生磁矩。当一个有磁矩的原子核放到一个外加 磁场中，会产生两种取向，一种是与外加磁场方向一致 磁场中，会产生两种取向， 的取向，称为顺磁取向。 的取向，称为顺磁取向。另一种是与外加磁场方向相反 的取向，称为反磁取向。顺磁取向能量低， 的取向，称为反磁取向。顺磁取向能量低，反磁取向能 量高，期间形成一系列能级。 量高，期间形成一系列能级。当某一原子核从一种低能 级的取向跃迁到高能级时， 级的取向跃迁到高能级时，也就是原子核磁矩与外加磁 场的夹角会发生变化，要吸收能量，通过仪器检测能量 场的夹角会发生变化，要吸收能量， 的吸收情况，可以得到能量吸收图， 的吸收情况，可以得到能量吸收图，这种图就叫做核磁 共振谱图。 共振谱图。
二、应用
1. 解析分子结构 2.核磁共振成像（医学） 核磁共振成像（医学） 核磁共振成像
人体内含有非常丰富的水，不同的组织， 人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相 如果能够探测到这些水的分布信息， 同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较 完整的人体内部结构图像， 完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分 子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布， 子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测 人体内部结构的技术。 人体内部结构的技术。
一、基本原理
正负电子对相遇时会同时消失继而转变成2或 个 正负电子对相遇时会同时消失继而转变成 或3个γ 光子，这一过程称为正负电子对湮没 简称正电子湮 正负电子对湮没（ 光子，这一过程称为正负电子对湮没（简称正电子湮 没）。 在不同的材料中， 在不同的材料中，正电子的湮没机制及湮没寿命各 不相同，它能反映出材料的微观结构和电子密度等信息。 不相同，它能反映出材料的微观结构和电子密度等信息。 正电子湮没技术就是利用正电子与物质的相互作用， 正电子湮没技术就是利用正电子与物质的相互作用， 就是利用正电子与物质的相互作用 以获得有关凝聚态物质内部及表面微观结构和缺陷信息 的一种实验技术。 的一种实验技术。 正电子与物质相互作用过程： 热化——扩散 扩散——湮没 正电子与物质相互作用过程： 热化 扩散 湮没
二、正电子湮没谱参数
1. 正电子寿命：正电子从产生到进入介质中湮没，发 正电子寿命：正电子从产生到进入介质中湮没， 湮没光子为止的时间间隔。 出γ湮没光子为止的时间间隔。 湮没光子为止的时间间隔 正电子寿命与介质电子密度有关。 正电子寿命与介质电子密度有关。电子密度低则正 电子寿命长。 电子寿命长。由正电子寿命可获取有关介质电子密度信 例如正电子在位错、 息。例如正电子在位错、空位等电子密度低的缺陷处湮 没，寿命必然变长。 寿命必然变长。
一、基本原理
如果把放射源和吸收体都做成固体或晶体， 如果把放射源和吸收体都做成固体或晶体，使原子 放入固体晶格，原子核受到晶格束缚能的限制， 放入固体晶格，原子核受到晶格束缚能的限制，遭受反 冲的不再是单个原子核，而是整个晶体， 冲的不再是单个原子核，而是整个晶体，它的反冲质量 比一个原子质量大很多，因而反冲能很小，可以忽略。 比一个原子质量大很多，因而反冲能很小，可以忽略。 这样就可以观察到γ射线无反冲共振吸收 射线无反冲共振吸收。 这样就可以观察到 射线无反冲共振吸收。 通过调整γ射线辐射源和吸收体之间的相对速度使 通过调整 射线辐射源和吸收体之间的相对速度使 其发生共振吸收。吸收率（或者透射率） 其发生共振吸收。吸收率（或者透射率）与相对速度之 间的变化曲线叫做穆斯堡尔谱。 间的变化曲线叫做穆斯堡尔谱。 迄今为止，人们已经在固体和粘稠液体中实现了穆 迄今为止， 斯堡尔效应，在气体和不太粘稠的液体中则没有观察到。 斯堡尔效应，在气体和不太粘稠的液体中则没有观察到。
二、穆斯堡尔参数
3.磁致分裂 磁致分裂
能量态为E的原子核，其自旋量子数 时 能量态为 的原子核，其自旋量子数I>0时，具有非 的原子核 零的磁偶矩µ，它与核区域的磁场B相互作用，叫做磁 零的磁偶矩 ，它与核区域的磁场 相互作用， 相互作用 偶极相互作用，它会使核能级分裂， 偶极相互作用，它会使核能级分裂，又称核的塞曼分裂 或磁致分裂。 或磁致分裂。 从磁分裂谱，可以得到内磁场的大小， 从磁分裂谱，可以得到内磁场的大小，由此可推算 出核外电子自旋状态和磁性质方面的信息。 出核外电子自旋状态和磁性质方面的信息。
第五章 其它核分析技术
第3节 核磁共振技术 节
• 核磁共振：具有磁距的原子核在高强度磁场作用下，可 核磁共振：具有磁距的原子核在高强度磁场作用下，
吸收适宜频率（能量）的电磁辐射， 吸收适宜频率（能量）的电磁辐射，由低能态跃迁到高能 态的现象。 态的现象。 • 不同分子中原子核的化学环境不同， 将会有不同的共 不同分子中原子核的化学环境不同， 振频率，产生不同的共振谱。记录这种波谱即可判断该原 振频率，产生不同的共振谱。 子在分子中所处的位置及相对数目， 子在分子中所处的位置及相对数目，用于进行定量分析及 分子量的测定，并对有机化合物进行结构分析。 分子量的测定，并对有机化合物进行结构分析。
二、穆斯堡尔参数
原子核周围环境（核外电子、邻近原子） 原子核周围环境（核外电子、邻近原子）变化会影 响原子核的能级。虽然这种影响极微小， 响原子核的能级。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、 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。 形状、宽度和面积上都能灵敏地反映出来。 原子核与核周围环境间的越精细相互作用产生的同 原子核与核周围环境间的越精细相互作用产生的同 质异能位移、 四极分裂和磁致分裂，这些统称为穆斯 质异能位移、 四极分裂和磁致分裂，这些统称为穆斯 逐尔参数。 逐尔参数。
三、实验设备
穆斯堡尔谱仪的设备包括无反冲 辐射源、 穆斯堡尔谱仪的设备包括无反冲γ辐射源、 无反冲 辐射源 源的驱动系统、射线探测器及其记录系统。 及其记录系统 源的驱动系统、射线探测器及其记录系统。
四、方法应用
穆斯堡尔效应可应用于固体物理、化学、 穆斯堡尔效应可应用于固体物理、化学、生 地质、冶金、材料、考古等许多学科领域。 物、地质、冶金、材料、考古等许多学科领域。
二、穆斯堡尔参数wenku.baidu.com
1.同质异能位移 同质异能位移 同质异能位移又称γ射线能量的化学移 射线能量的化学移。 同质异能位移又称 射线能量的化学移。它是由穆 斯堡尔核的核电荷分布与核周围的电子（ 电子 电子） 斯堡尔核的核电荷分布与核周围的电子（s电子）之间 静电作用引起的。 静电作用引起的。 一般来说，价电子壳层结构变化直接影响s电子的 一般来说，价电子壳层结构变化直接影响 电子的 布居，或者间接通过p或 电子对 电子起屏蔽作用， 电子对s电子起屏蔽作用 布居，或者间接通过 或d电子对 电子起屏蔽作用，这 样都会引起核处s电子密度的变化 电子密度的变化， 样都会引起核处 电子密度的变化，进而影响它的同质 异能位移。因此， 异能位移。因此，根据穆斯堡尔实验测得的同质异能位 移值， 移值，能得到有关化合物或矿物中铁的化学键以及价态 等有价值的信息。 等有价值的信息。
三、工作方法
正电子湮没基本实验方法： 正电子湮没基本实验方法： 寿命测量、角关联测量、 寿命测量、角关联测量、多普勒展宽测量
三、应用
1.固体材料缺陷与掺杂研究 固体材料缺陷与掺杂研究 2.相变研究 相变研究 3.金属和合金电子结构 金属和合金电子结构 4.聚合物材料研究 聚合物材料研究 5.研究化学反应动力学 研究化学反应动力学 6. 正电子断层扫描（医学诊断） 正电子断层扫描（医学诊断）
核分析基础
教师：刘晓辉 成都理工大学 核技术与自动化工程学院
第五章 其它核分析技术
第1节 穆斯堡尔效应 节
穆斯堡尔效应：一种原子核无反 穆斯堡尔效应： 冲的γ射线共振散射或吸收现象 冲的 射线共振散射或吸收现象 。
一、基本原理
理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态， 理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出一 射线光子。 个γ射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原子核时， 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， 就能够被共振吸收。但是实际情况中，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， 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， 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。 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， 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。 原子核很难实现共振吸收。
第五章 其它核分析技术
第2节 正电子湮没技术 节
• 正电子是电子的反粒子,两者除电荷符号相反 正电子是电子的反粒子 两者除电荷符号相反 其他性质（ 外,其他性质（静止质量、电荷的电量、自旋）都 其他性质 静止质量、电荷的电量、自旋） 相同。 相同。 • 衰变产生， 正电子可以由 β+ 衰变产生，也可由核反应和 电子直线加速器产生，还可以通过γ射线与物质的 电子直线加速器产生，还可以通过 射线与物质的 相互作用产生。 相互作用产生。
二、正电子湮没谱参数
2. 2γ角关联：在一个方向上测量两根 射线相对于 角关联： 角关联 在一个方向上测量两根γ射线相对于 180°相反方向的偏离。 °相反方向的偏离。 这种偏离是由湮没前电子所具有的横向动量造成的， 这种偏离是由湮没前电子所具有的横向动量造成的， 所得结果与固体中电子动量密度沿某一个方向上的分布 有关。 有关。