固体中的原子核研究方法

固体中的原子核研究方法

摘要：本文主要介绍了固体物理物理学中原子核物理学的地位及两个研究方向，进一步详细论述了中子能量分布固体衍射术和磁体衍射术，文章的最后同时也介绍了晶体穆斯保尔效应

关键词：固体原子核中子能量分布衍射穆斯保尔

0 引言

固体物理学是物理学中最重要的学科之一它的重大科学意义在于)在这个领域内的研究能够发现固体中的新过程、新性质,并弄清楚它的物理本质和机理，这些结果又给研究物质的性质提供了新的方法,从而对所有自然科学中的实脸方法的进一步发展起着重大作用。实际上,在研究固体进程中所建立的科学实脸方法现在已握在物理学、化学、地质学和物学的若干部阴中得到最广泛的应用。指出一点就足以说明问题了。

作为物理学中如此“古老的”部门的固体物理学,却又怎么能够给科学技术带来这么多的新东西呢？而这些新的成就在很大程度上依然决定着技术进步的速度和规模。要回答这个问题也很容易。因为我们远不知固体内部桔构的全部捆节。正是这些细节决定着科学技术上最有意义、最重要的固体的原子、原子核和基本粒子结构的研究所取得的普遍的进展,是使固体物理学永远保持年青的“肇事人”。这些进步表明,在研究固体内部拮构的方法方面引起新的强有力的“冲击”存在着无限的可能,从而帮助揭露最有趣的固体性质和固体内进行的过程。因此,某些与电子物理学和原子核物理学有关的实验方法在现代固体物理学实验方法中占据首要地位,因为正是借助于它们才能句到深明固体的微观构造的秘密[1]。

1 原子核物理学方法两个方向

现在,原子核物理学方法渗入固体物理学是沿着两个主要方向进行的。一方面,研究决定固体物理一化学性质总和的固体电子桔构;为此,既利用固体内原有的原子核,也利用外来的核微粒束和核射线束（如中子、正电子、 射线等）来作为探测[2]。另一方面,能量和张度足够大的核微粒束或核射核束通过在晶体中创造重要的大量的各种缺陷的方式来改变固体精构,使固体的性质发生根本的变化。桔果,有可能创造新的物质并对其加工的新方法。

可是磁中子衍射法的可能性不尽限于决定原子磁性拮构。较仔细地研究在有原子磁性有序的晶体中的电子磁矩上的中子散射强度,可以弄清各个晶格结点附近电子磁矩密度的分布。由这种所谓散射的磁形状因子方法所确定的密度分布,在许多情况下,同孤立的原子中的电子磁矩密度有显著的差别。与此同时,关于晶体中磁矩密度分布的详细使人仍在从事有意意地“设计”具有指定的物理性盾的新磁性材料方面变得十分主动。磁中子衍射术同时提供了测定由磁活性不同的元素的原子所粗成的金属合金及化合物中的各原子对磁矩的分别贡

献的可能性。这在有意示地制备具有事先指定的和实践要求的新的磁性物质的道路上是一个非常重要的阶段。

2 中子能量的分布

上述的一切任务,均借助于在晶体中电子磁矩上中子散射强度的角分布的方法,由实际来加以解决。但是也可以研究中子按能量的分布。当研究中子与晶体电子系统间的能量交换过程的时候,这种处理方法就成为中子非弹性散射方法的基础。中子非弹性散射法是研究晶格动力学、亦郎研究组成晶格的原子核和电子的运动的最有效、最精确的方法之一它可以从实验上测定晶格弹性振动的能级（由中子非弹性核散射法）以及具有原子磁性有序的晶体电子系就磁振动的能级（由中子非弹性磁散射法）[3]。现代固体电子理论告祈我们晶格振动在一定的近似下,可以看作是某些有效的量子构成物或一种组成特殊的理想气体的所有准粒子或自旋波的运动，中子在这些声子上的非弹性散射,可以判明晶格运动的全部基本特征（能级、寿命等等）。同样,晶体电子系统的“磁”运动可以看作是磁准粒子的或自旋波的运动。中子与自旋波的相互作用（非弹性散射）,也可以研究晶体中磁运动的动力学。

在由一磁性状态变到另一磁性状态（如铁磁变到顺磁等等）的相变点（居里点）附近,研究固定磁性物体的中子散射,具有重大的意义。在这种情况下,中子散射可以研究磁化张度起伏的动力学及其他规律。这种方法被推广到所谓有序合金相变的情况中,在那里,中子提供了获得有关相变动力学有价值的知识的可能性。

因此研究以原子反应堆为其源的慢中子的弹性与非弹性散射既可确定晶格本身拮构（结晶化学的和原子磁性的）也可确定晶格动力学,还顺便地解决了静多其他的重要任务,例如可以详细地研究液体中的原子运动的动力学等等。

3 固体结构中子衍射术和固体磁性中子衍射

固体结构中子衍射术和固体磁性中子衍射术方面的工作,在全世界以最广泛的规模进行着。每年在这方面发表的研究著作数以百计,专门性科学代表会议和临时的学术会议也举行过好多次。磁性中子衍射术具有特殊意义。现在,如果不利用原子核研究方法,要想较为认真地研究铁磁体和反敛磁体则完全不可能。1935年出现的晶体中子衍射方面的第一批工作,迫使我们重新考虑关于原子磁性拮构的筒单图象。现在,实验发现了许多新的原子磁拮构,从前甚至从没有设想过它们的存在。可以有把握地说,磁中子衍射今后将大大地促进现代磁学理论的进步。

4 晶体穆斯保尔效应

近几年来,晶体Y射钱散射过程的研究主要与晶体穆斯保尔效应的研究有关。穆斯保尔效应是:晶体原子核由于同整个晶格有着强有力的化学结合,在它放出了量子时没有象气体

中的放射性原子核那样经受明显的“反冲”。由于一定的能量消耗于放出下量子的原子核的反冲上,因此根据能量守恒定律,被放出的 射线的量子所具有的能量比放射性原子核在激发态与基态简的能量差还要小。当这种量子飞到处于基态的另一原子核跟前时,它所具有的能量尚不足以使它为这些原子核所吸收而使荻原子核处于激发状态（这时发生了共振的量子条件的破坏）。正因为如此,长期以来,不能观察到射线为自由的原子核共振吸收仅仅在1956年,穆斯保尔才猜想到可以利用固体中原子核的拮合,使原子核反冲减小到不破坏共振条件而发生下射拔为基态原子核所吸收的程度[5]。

现代原子的量子理论严格地表明：在铁磁休中,引起自发磁矩的未填满的壳层上的电子,本身在原子核内并不能产生出这样强大的磁场。因为在原子核所占的位置上,电子密度接近于零。同时在这里,金属的导电电子和某些内部电子（所S电子）的密度最大,但是这些电子本身的磁矩互相抵消了,因此一般言之,似乎不产生任何磁场。穆斯保尔效应的实验迫使人们重新考虑这些图象。很清楚,未填满的壳层上的电子（具有较大的磁矩）使导电电子和内部S电子得到“磁化”。这些被磁化了的电子,在原子核上造成为穆斯保尔效应所能量出的强大磁场。

5 总结

以上,对某些研究固体内部构造时用之有效的原子核物理学方法作了一个筒要的描述,合人满意地指出,这些方法在固体物理学领域内具有巨大的科学意义及实践意义。完全有理由断言,原子核研究方法是固体物理学实验的前沿阵地,应该极广泛地被应用。

[参考文献]

[1]固体物理学，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教育出版社.

[2]固体物理学，方俊鑫著，上海科学技术出版社.

[3]物理化学学报，中国科协，2000年.

[4]黄昆、韩汝琦，半导体物理基础，科学出版社（1979）

[5]李正中，固体理论，高等教育出版社（1985）