穆斯堡尔效应

该谱学的应用涉及到物理和其他学科的许 多领域；
成为研究物质微观结构及其微小变化
的有力工具。
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I
实验原理
ER
ER
发射时： E E0 ER
吸收时： E' E0 ER
测不准原理：
: h
E
E0
E
'
E
ER
E
2
2Mc2
6
钠黄光：
E 2 . 1 0 3 e V o r 5 8 9 . 6 n m 3 P 1 2 3 S 1 2
3
概述
Mössbauer谱学： 研究具有一定体积的原子核与周围环
境电或磁的相互作用。
原子核：具有电荷、电四极矩和磁偶极矩； 环 境：在核处形成的电荷分布、电场梯度
和磁场；
4
概述
该谱学的创建主要是Mössbauer的贡献， 不是由于实验方法和技术的逐渐改进和积 累而成的；
能量分辨率极高，且设备比较简单；
2M
u v u v
E R ' E R 2 E R c o s是 P i 与 P 之 间 的 夹 角
对 各 向 同 性 热 运 动 ， 速 度 方 向 求 平 均 后 ， 0
D 2 ER
I 191 r
:
ER: 0.046eV
T300KD: 0.084eV
9
O 1 9 1
76
s
14h
几率让整个晶格受到反冲。
ER
E
2
2Mc2
11
1960年，哈佛大学的Pound和Rebka利用 57Fe的14.4keV的射线的Mössbauer效应在 实验室检验了光在地球引力场作用下的红 移效应；
Pound等人通过测量无反冲射线的能量随 放射源温度的变化，检验了相对论预言的 二次Doppler效应。
Re2Rg2 2RR
2 5Z e 2 0 2 A 0 2 S R e 2 R g 2
4 5 Z e2R 2 R R 02 A02 S
21
100(r,,) 2
200(r,,) 2
等几率线
210(r,,) 2
211(r,,) 2
310(r,,) 2
541(r,,) 2
100(r,,) 2
大学物理实验 穆斯堡尔效应
物理实验教学中心 2006-12
1
Outlines
概述 实验原理 Mössbauer参数 实验装置 实验测量 数据处理
2
概述
1958年德国人R.L.Mössbauer首先在 实验中发现了Mössbauer效应——原 子核对射线的无反冲发射和共振吸 收，获1961年Nobel物理奖。
200(r,,)
2
210(r,,)
211(r,,)
2
2
等几率面
322(r,,) 2 310(r,,) 2 320(r,,) 2 321(r,,) 2
430(r,,) 2 431(r,,) 2 432(r,,) 2
23 433(r,,)2
541(r,,) 2
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4 5 Z e2R 2 R R 02 A02 S
发发射射的前光动子量动：量：uPuPvvi E u uv c
发射后动量： P f
uv uv uuv Pi PPf
原子核的反冲能量：
E R ' u P u v f2 2M u P v i22 u P v M 2u P v M iu P vE Ru P v M iu P v
8
uv 2 设原子核的热运动动能： Pi
R r
4r2dr
2 Ze2R2 0 2
5
19
E E eE g 2 5Z e 2 02R e 2 R g 2
Ee
e
e
E0
ES
E0
EA
g
g
放射源（S）
吸收体（A）
2 5Z e 2 0 2 A 0 2 S R e 2 R g 2
20
RRe Rg R Re Rg
2
16
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、化学位移
由Mössbauer核电荷与核所在处电场 之间的静电作用引起的；
17
cs soddy
谱 同二
动
线 质次
态
的 异多
同
中 能普
质
心 移勒
异
移 位移
能
位
位
移
位
18
对半径为R的原子核：
Ze
V
r
r Ze R
3 2
r2 2R2
rR rR
E Ze
R
R
0
3 2
r2 2R2
δ可正可负。δ为正，说明从放射源到吸收体在核处的 电子电荷密度是增加的，原子核体积减小；δ为负， 说明从放射源到吸收体在核处的电子电荷密度是减小 的，原子核体积增加。
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以不同基态的穆斯堡尔谱源去测量同一吸收体的穆 斯堡尔谱时，所得化学位移不同。所以通常需要说 明这种化学位移是相对于何种标准吸收体而言。
12
实验原理——实验设计
几何布置：透射式
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实验原理——能量扫描
Doppler能量： ED c E
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放
射
样
电磁振动器
源
Pb
品 Pb
Pb Pb
NaI探测器
功放
放大器
三角波 产生器
单道
方波 产生器
MCA
计算机 穆斯堡尔谱仪方框图
Mössbauer参数
同质异能位移（化学位移） 磁偶极矩 电四极矩 无反冲分数
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如果激发态核半径与基态核半径不等，则化学位移可 以不为零，而与这个穆斯堡尔原子核周围电子配置情 况有关，所以根据δ可以得到化学键性质、价态、氧 化态、配位基的电负性等化学信息。
如果放射源中穆斯堡尔原子所处的化学状态和吸收体 完全相同，则化学位移总是为零，所得谱线共振吸收 最大处即是谱仪零速度处。
: 108 s
: 6.55108eV
ER 2M E2c2 : 1010eV
ER =
191Ir： E 129keV
ER
E2 2Mc2
:
0.046eV
: 1.41010s
: 9.2106eV E R ?
7
谱线的Doppler增宽：
由于发射或吸收时原子热运动所引起的多普勒效益， 使发射谱线和吸收谱线增宽。
74keV
16d
Pb Ir D Pb
5.6s 42keV
1.410-10 s
129keV
I1 9 1
77 r
Os
+
室温时，由于谱线的Doppler增宽，能发 生共振吸收；
液氮温度时，谱线的Doppler增宽减小， 共振吸收反而增大了约3%；
Mössbauer采用了Lamb的共振吸收理论： 束缚在晶格中的原子核发射或吸收射线时，有一定的
当穆斯堡尔谱原子处于不同价态和不同自旋状态时， 原则上有不同的化学位移。
化学位移决定谱线中心的位置移动，但不是唯一的 决定因素，温度效应与化学位移叠加在一起决定谱 线中心的位置。
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2、磁偶极分裂
在原子核处常常存在有核外电子形成的 磁场，可使核能级进一步分裂，又叫核 塞曼效应。