穆斯堡尔谱原理及应用..

4 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。 5 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。 6 化学位移决定谱线中心的位臵移动，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 线中心的位臵。
电四极分裂距－穆斯堡尔谱参数
I=3/2
I=1/2
当电场梯度不为零的时候，而原子核电荷分布不是球对称 的时候（即具有电四极距），就有电四极相互作用。电四极 相互作用使得简并能级部分消除，因此出现超精细分裂。
电四极分裂可以给出有关键的性质、分子和电子的结构。
虽然原子核的形状接近球形，但多数核是 轴对称的椭球形。因此用电四极矩Q来表 征核电荷分布偏离球对称的程度。
在这个温度晶体结构发生了改变。
确定晶位的分布
在固溶体和化合物中，同种原子或离子可能占据几 种晶位。如在柘榴石铁氧体中， Fe3+ 离子可能占据八面 体位臵和四面体位臵。确定该原子或离子在不同晶位中 的占有率对研究磁性材料具有很大意义。 若所有的点阵具有同样的无反冲分数f，那么，某一 相的谱线分量的总强度（谱线面积）应该与其中元素的 含量成正比。因此，只要分别计算出对应不同晶位的谱 线的面积，就可以得到该原子或离子的晶位占有率。
可以证明，如果原子核电荷分布是球对称的， 则 Q ＝ 0; 若原子核电荷分布非球对称的，则 Q≠0，外电场和原子核的电四极矩之间的相互作 用将引起能量的变化，使能级分裂，出现两个 亚能级，在谱线上可观察到两条特征谱线。两 峰之间的距离叫四极矩分裂，两峰的中心相对 零速度是化学位移δ。
例如 57Fe
要得到真正的单相材料，必须把样品在1200摄氏度、 大约10-8托的真空中烧结。图2示出在这样条件下样品的穆 斯堡尔谱，成分为FeTiO3，用最小二乘法，把这个谱用洛 伦兹型拟合，可看出，没有第二种物相痕迹.
相变
通过确定超精细Fra Baidu bibliotek量和温度之间的关系，常 常可以确定相变。例如，在晶体结构或原子占位 对称性较低的情况下，也常常出现相当大的电四 极矩效应。根据实验谱线可以求出电四极相互作 用能 ΔEQ ，当 ΔEQ 随温度出现突变时，可以确定
另一种方法，是用最小二乘法，用洛仑兹拟合实验谱
线，从而获得材料中各种成分的情况。 例如：联系到月岩样品的穆斯堡尔谱学的研究，制备 了含有少量Fe3+和Mg2+的钛铁矿样品。在这些固溶体系统 中，为了得到单相材料，必须使用很低的氧分压，如果氧 分压太高，则将得到 FeTiO5-(Fe, Mg)Ti2O5固溶体系统中 的第二种相。当温度为1200摄氏度和处于较低真空条件下 所烧结的样品的穆斯堡尔谱如下页图 1所示。两条强的共 振线是由FeTiO3中的Fe3+形成的。由铁板钛矿(Fe2TiO5)结 构中的Fe2+形成的吸收线也是十分清楚地。
磁超精细分裂(Zeamann effects)
在原子核处常常存在有核外电子形成的磁场H，可使核 能级进一步分裂，又叫核塞曼效应。
综上所述， 可得到下图：
具有穆斯堡尔效应的化学元素
广泛研究 较难研究
很难研究
目前，发现具有穆斯堡尔效应的化学元素（不包括铀后元素）只有42种， 80多种同位素的100多个核跃迁。 大多数的要在低温下才能观察到，只有57Fe 的14.4kev和119Sn的23.8kev 核跃迁在室温下有较大的穆斯堡尔效应的几率。
同质异能移（化学位移）－穆斯堡尔谱参数
激发态
基态
一般情况下，源和吸收体中的穆斯堡尔原子核的环境不同， 所以吸收体相对源出现了一个能量差值，记做 δ＝Ea－Eg=ΔEa－ ΔEg 同质异能移主要取决于核位臵处的电子电荷密度，这与穆 斯堡尔原子核周围的电子配位状态有关，因此同质异能移可提 供化学键、价态和配位基的有关信息。
穆斯堡尔谱学的基础是放射性原子核发出光子， 这些光子被吸收体中的同种原子核共振吸收。由于 吸收体化学组成或晶体结构不同，发射或吸收的光 子能量会有细微变化。利用穆斯堡尔效应可以测量 出这种变化，从而得到有用的信息。
穆斯堡尔谱学的特点：
1 穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领，很容易 探测出原子核能级的变化。 2 利用穆斯堡尔谱可以方便地研究原子核与其周 围环境间的超精细相互作用，可以灵敏地获
穆斯堡尔谱的产生
如果入射的γ光子能量和吸收体中的某原子核的能级跃迁 能量相等，这种能量的γ光子就会被吸收体共振吸收。 若要测得共振吸收的能量的大小，必须发射一系列不同 能量的γ光子。 但是一般放射源发射的只是具有某一、二种能量的γ光子， 这是不能形成穆斯堡尔谱的，但通过源和吸收体之间的相 对运动多普勒效应，可得到一系列不同能量的γ光子。 这种经过吸收体后的γ射线计数和多普勒速度(代表γ光子 的能量）之间的关系就是穆斯堡尔谱。
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。
相成分的分析
对于表示磁性材料的特征来说，穆斯堡尔谱学有相 当普遍的应用，其中包括对固态物相的鉴定。 如果材料不止一种含铁的相。那么每一种相都对应 他自己的穆斯堡尔谱。可与已知相的穆斯堡尔标准谱相
比较。这与采用 X 射线衍射图样分析的方法是一致的。 当然，穆斯堡尔谱学在这方面的应用远不及 X 射线衍射 那样普遍。但穆斯堡尔效应的灵敏度高，可以检测到有 些X射线检测不出来的第二相。
穆斯堡尔源 将穆斯堡尔原子的母核核素通过一定方式嵌入 某种基体中制成，最重要的穆斯堡尔源是57Co, 它衰变得到57Fe的14.41keV穆斯堡尔跃迁。下 表是57Co穆斯堡尔源所发出的辐射能量。
样品(吸收体)的制备
数据处理
一次往复运动得到一 个实验数据，为得到 精确的穆斯堡尔参数， 必须用计算机分析， 最常用的是将穆斯堡 尔仪测量得到的数据 按洛仑兹线型进行拟 合。
穆斯堡尔谱原理及其应用
主要内容
1、穆斯堡尔谱原理
2、穆斯堡尔谱的应用
Rudolf Mö ssbauer 1929-德国慕尼黑大学，慕尼黑工业大学实验物理学家 1961年获得诺贝尔物理学奖-因对g辐射的共振吸收的研究和发现与此联系的 穆斯堡尔效应 1929年1月31曰出生于德国的慕尼黑。 中学时就对物理学发生了兴趣，把余暇时间都用来阅读有关物理学的书籍。 1948年他进入慕尼黑技术学院物理系，三年后以优异成绩提前毕业。 1955年又获得硕士学位。在此期间，他除了进行硕士论文的准备工作之外， 还担任该校数学研究所的兼职教师。 然后，他来到海德堡的马克斯· 普朗克物理研究所担任研究助理。 1955年至1957年在这里完成了博士论文，以后又做了一系列实验研究。 1958年1月他获得博士学位。 1961年应邀成为美国加州理工学院教授。 1972-1977年任劳厄－朗之万研究所所长。 1958年发现了g辐射的共振吸收中的穆斯堡尔效应。 三年后他获得诺贝尔物理学奖时只有32岁。
1957年底，穆斯堡尔提出实现γ射线共振吸收的关 键在于消除反冲效应。如果在实验中把发射和吸收光 子的原子核臵于固体晶格中，那么出现反冲效应的就 不再是单一的原子核，而是整个晶体。由于晶体的质 量远远大于单一的原子核的质量，反冲能量就减少到 可以忽略不计的程度，这样就可以实现穆斯堡尔效应。 实验中原子核在发射或吸收光子时无反冲的概率叫做 无反冲分数f，无反冲分数与光子能量、晶格的性质以 及环境的温度有关。
得原子核周围的物理和化学环境的信息。
穆斯堡尔效应的发现
1957年，德国27岁的年轻科学家穆斯堡尔在做博士论文的实验工 作中，发现了原子核对γ －射线的无反冲共振吸收，这种效应后 来以他的名字命名，叫做穆斯堡尔效应。 激发态 γ －射线 E0 Eg 基态
放射源
吸收体
γ 射线是一种强电磁波，它的波长比 X射线还要短， 一般波长＜ 0 ． 001 纳米。在原子核反应中，当原子核 发生 α 、 β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发 态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能 量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过 射线辐射来实现的，这种射线就是γ射线。 γ 射线具有极强的穿透本领。人体受到 γ 射线照射 时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生 电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子， 如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主 要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常 化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。
理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出 一个γ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，处于自由状态的 原子核要实现上述过程是困难的。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，这个反冲 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。这 样造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。迄今为止，人们还没 有在气体和不太粘稠的液体中观察到穆斯堡尔效应。

(3) 当标样相对含铁样品运动，则样品接受 的γ射线能量为hv+/- ΔE； (4) 当速度达到某值， 使： B= hv+/-ΔE=A+/-VE/C；则形成共振吸收， 就得到Mossbauer谱。

3、 穆斯堡尔效应的发现

1956年，27岁的穆斯堡尔(Rudolph L. Mossbaure) 攻读博士学位，致力于有关γ射线共振吸收的研究。 发现了穆斯堡尔效应：无反冲的γ发射和其共振吸 收现象。
穆斯堡尔谱的应用范围
穆斯堡尔谱广泛应用于物理、化学、材料科学、冶金学、 生物学和医学、地质学、矿物和考古等领域。
1、穆斯堡尔谱鉴定物质结构
2、验证广义相对论和测微小振动
3、磁性和磁性相变的研究
4、化学配位及催化机理的研究 5、研究铁固溶体的相结构
穆斯堡尔效应是原子核无反冲的γ射线的发射和吸收，
四极矩分裂Qs的意义： 四极矩分裂是穆斯堡尔谱的一个重要参数，它与 原子的对称性关系很大，表面原子相对本体原子 有较低的对称性，因而有较大的电场强度，根据 这个差别可以区分这两种不同原子。 表面化学吸附物质的存在可以改变电场梯度，而 这又与化学吸附键的强度以及化学吸附物质相对 于表面原子的位臵有关。因此，测量表观四极分 裂的大小变化，可以提供表面状况的信息。
1 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臵情 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。 2 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。 3 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。
穆斯堡尔谱参数
超精细相互作用 由于原子核存在于由原子的壳层电子和邻近配位体的电荷
所产生的电磁场中，原子核本身带正电荷和各种核矩，因
此核和核所处的电场和磁场之间存在着相互作用，这种作 用十分微弱，称为超精细相互作用。 需要考虑以下三种主要的超精细相互作用：
1
同质异能位移（化学位移I.s 或δ） 2 四极分裂 3 磁超精细分裂
原理
1、多普勒效应:
如一个辐射源相对接收者运动, 则对接收者而言, 辐射
波长(频率、能量)随二者的相对运动方向与速度而变化： ΔE=VE/C
ΔE-射线能量的变化；
E-射线能量 V-速度
2、 同质异能核 (1) 电荷数与质量相同但能态不同的核， 如：Fe, Fe 2+, Fe 3+。 (2) 如用放射性核57Fe为标样，它发出能量 为A=hv的γ射线；（γ射线是不稳定的原子 核从能量较高的激发态跃迁到能量较低的 能级或基态时，放出的电磁波） 含铁样品中Fe 的能级差为B； 设ΔE=A-B