穆斯堡尔谱

12第1节穆斯堡尔谱概述第2节穆斯堡尔谱的应用第3节穆斯堡尔谱仪第4节穆斯堡尔效应第5节穆斯堡尔谱学第6节穆斯堡尔谱分析第7节总结与展望γγ1.穆斯堡尔谱概述31956年,27岁的德国学者穆斯堡尔研究γ射线共振吸收问题,他在总结、吸收前人的研究基础上指出:将发射和吸收γ光子的原子核置于晶格束缚之中,当发射和吸收γ光子时,由所在晶格来承担全部反冲,而原子核本身不受反冲的影响.这时所观察到的就是无反冲共振吸收.所以把这种原子核无反冲发射和共振吸收γ射线的现象称为穆斯堡尔效应.4一、穆斯堡尔效应的发现51958年，德国人穆斯堡尔(R.L.Mossbaure)在致力于有关原子核γ射线共振吸收的研究时，发现了穆斯堡尔效应。1961年，穆斯堡尔由于发现穆斯堡尔效应分享到了诺贝尔物理学奖。（1）原子核能级：原子核具有能级结构，处于不同状态的原子核具有不同的能量。（2）原子核衰变：处于激发态的原子核可以通过释放能量回落到基态，其能量释放是以发射γ光子的形式完成，称为γ衰变。6知识回顾~（3）原子核的共振吸收：原子核（发射体）发射出的γ光子，在通过处于基态的同种元素原子核（吸收体）时，将被原子核吸收，其能量可跃迁到激发态，为原子核的共振吸收。7（4）原子核的反冲：原子核在发射或吸收γ光子时，核将受到一个相反方向的反冲，自身要产生反冲作用。（5）核反冲作用的消除：将发射体和吸收体都冷却到液态空气温度（约88K），使原子核由于键合作用被牢牢固定在点阵晶格上，反冲动能趋向于零。无反冲核γ发射和共振吸收，可使穆斯堡尔效应大大增强。8（6）原子的放射性9（7）光电效应10（8）康普顿效应11（9）电子对效应12二、穆斯堡尔效应无反冲原子核的γ发射和其共振吸收现象。即处于激发态的原子核发射出的γ光子，被另一个处于基态的同种元素原子核所吸收，而跃迁到激发态的现象。凡是有穆斯堡尔效应的原子核,简称为穆斯堡尔核.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.尤对于不含穆斯堡尔原子的固体,可将某种合适的穆斯堡尔核人为地引入所要研究的固体中,即将穆斯堡尔核作为探针进行间接研究,也能得到不少有用信息13穆斯堡尔效应是原子核对γ射线的无反冲共振吸收现象.此效应自1957年发现以来,激起的研究热情至今不衰,它不仅在理论上具有深刻的意义,又有着广泛的应用价值.被公认为是20世纪物理学实验的里程碑之一14三、穆斯堡尔谱的应用由于穆斯堡尔效应得到的穆斯堡尔谱线宽Γ与核激发态平均寿命所决定的自然线宽ΓH在同一量级，因而具有极高的能量分辨率。1516如今穆斯堡尔谱已广泛在应用于物理学、化学、材料科学、物理冶金学、生物学和医学、地质学、矿物学和考古学等许多领域，发展成为一门独立的波谱学----穆斯堡尔谱学。17由于吸收体物质中化学组成或晶体结构不同，吸收的光子能量会有细微变化。穆斯堡尔谱分析即是应用穆斯保尔效应研究分子中原子的价态、晶体结构、化学键的离子性、配位数等变化而引起的核能级的变化18四、穆斯堡尔谱分析的特点1、分辨率高，灵敏度高，抗干扰能力强，所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶体或非晶体态的体材料、薄膜或固体的表层，也可以是粉末、超细小颗粒，甚至是冷冻的溶液，范围之广是少见的。2、利用穆斯堡尔谱可方便地研究原子核与其周围环境间的超精细相互作用，可以灵敏地获得原子核周围的物理和化学环境的信息,为物质微观结构的分析提供重要的信息。193、不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，且许多还必须在低温下或在具有制备源条件的实验室内进行，使它的应用受到较多的限制，事实上，至今只有Fe和Sn等少的穆斯堡尔核得到了充分的应用。20即使如此，它仍不失为固体物理研究的重要手段之一，在有些场合甚至是其他手段不能取代的，并且随着实验技术的进一步开发，可以预期，它将不断地克服其局限性，在各研究领域发挥更大的作用。2122穆斯堡尔谱：γ射线被无反冲共振吸收后的强度随能量的变化穆斯堡尔效应：原子核对γ射线的无反冲发射与共振吸收穆斯堡尔谱学：利用穆斯堡尔效应通过原子核与核外环境的超精细相互作用来对物质作微观结构分析的学科232.穆斯堡尔波谱的应用24251．相分析和相变从穆斯堡尔谱中得到的超精细相互作用参数随温度的变化，随外加磁场的变化随压力的变化等，可以用来研究相变也可以鉴定固体中的物相，并可发现新相。此外还可以确定居里温度和奈耳温度。26奥氏体相变的穆斯堡尔谱27利用穆斯堡尔谱学研究在不锈钢中奥氏体相变过程。2．确定磁有序温度和类型从超精细场与温度的变化，能确定磁有序温度。对多晶材料加一外场，观察跃迁强度的变化能研究磁耦合的一些性质，即铁磁眭、亚铁磁性或反铁磁性等等。在磁有序材料中用相对吸收线强度与角度的关系可以确定自旋方向。283．表面和界面的磁性研究利用穆斯堡尔谱学对过渡金属表面和界面的磁性研究作出了重要贡献。穆斯堡尔谱学也是研究钢铁腐蚀的有效手段之一，利用背散射方法可做表面测量并在2O～3000A范围内对不同深度进行选择分析。它已发展成为一种能定性和定量分析的方法。294．晶格缺陷和位错利用穆斯堡尔谱学研究固体和液体中的扩散，从谱线的宽度和形状能给出原子徒动的信息。与离子注入结合起来可以研究注入过程的微观特点及注入杂质近邻的电子结构。而晶格缺陷、位错、表面原子和体内原子的差异都可以从化学移位中反映出来。305．非晶态、储氢、液晶和半导体材料等方面的研究穆斯堡尔谱学可对某些新材料进行研究。例如：对非晶态材料的研究可以了解非晶态金属的原子排列、磁结构和自旋取向等信息；对于储氢材料三元氢化物的研究，可以了解氢的化学状态及其所在位置，相的形成，吸氢后对晶体的电性与磁性的影响及吸氢机理等316．化学键的性质。用穆斯堡尔谱学与核四极矩实验结合起来，可以研究化学键的性质；与核磁共振、电子自旋共振等方法结合起来可以研究自旋一点阵或自旋一自旋弛豫、自旋波的激发及其传播特性等。327．催化机理的研究在化肥、石油炼制等化工生产中都离不开催化剂。利用穆斯堡尔谱学可以研究催化剂的吸收，均匀相和非均匀相、测定催化活性状态和化学转化的中问产物等。338．生物医学方面的研究。穆斯堡尔谱学是研究蛋白质和酶的一种有力工具，研究对象从可分离的蛋白质扩大到生物组织以至完整的生物体。研究领域由生理、生化开始深入到医学、病理的探讨。34正常人肺部样品(A)和—个患含铁血黄素沉着病(煤矿职业病)人肺部样品(B)的穆斯堡尔谱359．矿物地质方面的研究利用穆斯堡尔效应可以测定矿物中铁的氧化状态、电子组态。36图为几个具有代表性的铁的穆斯堡尔谱线。不同氧化状态和电子组态的铁具有不同的谱线。37l0．在物理学中的应用利用穆斯堡尔谱曾成功地测定和检验了爱因斯坦相对论，即引力红移实验。383.穆斯堡尔谱仪3940原理示意图放射源试样γ射线探测器一、原理探测器接收γ射线，并转化成电压脉冲信号，可反映试样吸收γ射线的情况4142穆斯堡尔谱仪43装置示意图探测器探测到未被吸收的γ射线，经过光电转换后得到电脉冲信号，并经放大器放大后送入模数变换器，显示谱线44单道分析器45探测器46驱动器474849穆斯堡尔谱仪设计原理：（1）多普勒效应：发射体的运动会引起发射出的γ光子能量改变的现象（2）多普勒速度补偿：为了将无反冲共振吸收的情况在图谱上清晰地显示出来，放射源常安放在一个做匀加速的电磁振动器上，γ光子的能量可随着振动方向和运动速度在一定范围内变化，即通过调整γ射线辐射源和吸收体之间的相对速度使其发生共振吸收。多普勒效应:如一个幅射源相对接收者运动,则对接收者而言,幅射波长（频率、能量）随二者的相对运动方向与速度而变化：ΔE=VE/CΔE-射线能量的变化E-射线能量V-速度同质异能核（1）电荷数与质量相同但能态不同的核，如：Fe,Fe+,Fe2+,Fe3+,Fe6+。（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-B50（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51根据多普勒效应可知,当源向着接收器运动时,频率增加;而远离接收器运动时,频率减小.如果相对运动发生在接收器和光源的连线上,接收器接收到光波频率ν与它们之间相对运动速度v及光源发射频率ν0之间满足如下关系52可见,利用发射源与吸收体之间相对运动产生多普勒效应,导致γ光子能量发生变化,只要改变相对运动速度v大小,就能得到一系列不同能量的γ光子.5354Cu－Fe合金的穆谱穆斯堡尔谱图：穆斯堡尔谱图横坐标为放射源的运动速度，单位为mm/s；纵坐标为吸收率（或者透射率），为电压脉冲信号经放大、分析而记录出来。554.穆斯堡尔效应56原子光谱的共振吸收从经典电动力学的观点来看﹐吸收光和发射光的基本单元是谐振子。每种谐振子都有它的固有频率﹐当外来电磁波的频率和谐振子的固有频率相同时﹐谐振子会对外来的辐射产生很强的吸收﹐这种吸收称为共振吸收。原子核γ射线的共振吸收未能实现(1929-1950)57穆斯堡尔进行的共振吸收实验装置图58无反冲原子核共振吸收的最基本特征ï同类原子核发射出和吸收到的γ射线能量完全相同ï共振吸收所获得的共振谱线宽度仅为γ射线自然宽度的两倍左右（≈10－8eV），这正是穆斯堡尔效应具有极高能量灵敏度的根源596061625.穆斯堡尔谱学63穆斯堡尔谱学主要内容超精细相互作用和穆斯堡尔参数超精细磁场来源穆斯堡尔谱所给出的微观信息6465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，原子核本身又带正电荷，因此核与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，称为超精细作用，对穆斯堡尔谱图有一定的影响。穆斯堡尔谱参数三种主要的超精细作用：同质异能位移；四极矩分裂；磁超精细分裂同质异能移位66同质异能移位又称为原子核的体积效应，是由电单极相互作用引起的。我们已经知道，原子核虽然很小，但无论多小还是有一定的体积，它本身不是一个点核，而是具有一定的形状和大小．67（1）同质异能位移（化学位移）是由穆斯堡尔核电荷与核所处的电场之间的静电作用引起的谱带位移（δ）。产生的穆斯堡尔谱①穆斯堡尔原子在激发态和基态时，其原子核周围的电荷密度不同，则可出现化学位移，即与原子核周围的电子配置情况有关，通过δ可以了解原子的价态和化学键的重要信息。在穆斯堡尔实验中，同质异能移取决于：ï原子核有关的因子(Re,Rg).ï核外电子有关的信息(原子核处的电子密度）对于反射源在不同基体中57Co(Rh),57Co(Pd)原子核处的电子密度不同68与原子核的对称性有关虽然原子核的形状接近球形，但多数核是轴对称的椭球形。因此用四极矩Q来表征核电荷分布偏离球对称的程度。69②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，则化学位移为零。③化学位移决定谱线中心的位置移动（偏离v=0时的谱线位置），但不是唯一的决定因素，还有温度效应。（2）四极矩分裂70①如果原子核电荷分布是球对称的，则Q＝0;若是椭球体，则Q≠0。外电场和原子核的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。②四极矩分裂是穆斯堡尔谱的一个重要参数，通过分裂谱可以了解原子核的对称性，即电子云分布情况和电子云的分布梯度。如表面原子相对本体原子有较低的对称性，根据这个差别可以区分这两种不同原子。71（3）磁超精细分裂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。表现在谱图上为出现多个穆斯堡尔谱带72穆斯堡尔参数给出的微观信息综上所述，穆谱可有以下几种图谱：736.穆斯堡尔谱分析7475由于吸收体物质中化学组成