大学物理实验测量高速电子的动量与能量关系

大学物理实验穆斯堡尔效应物理实验教学中心2006-12Outlines实验原理Mössbauer参数实验装置实验测量概述数据处理概述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。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；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；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。实验原理0E'EEREREEI0REEE'0REEE222REEMc发射时：吸收时：h测不准原理：钠黄光：12122.103589.633EeVornmPS810s2102102REEeVMc191Ir：129EkeV220.0462REEeVMc86.5510eVRE101.410s69.210eVRE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。iP发射前动量：发射的光子动量：EPc发射后动量：fPifPPP原子核的反冲能量：222'22fiiiRRPPPPPPPEEMMMM设原子核的热运动动能：22iPM'2cosRRRiEEEPP是与之间的夹角0对各向同性热运动，速度方向求平均后，2RDE191:0.0463000.084rRIEeVTKDeV19176Os14h74keV16d5.6s1.410-10s42keV129keV19177rI+OsPbPbDIr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，有一定的几率让整个晶格受到反冲。222REEMc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。实验原理——实验设计几何布置：透射式实验原理——能量扫描DEEcDoppler能量：功放三角波产生器方波产生器放射源PbPb样品PbPbNaI探测器放大器单道MCA计算机穆斯堡尔谱仪方框图电磁振动器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；cssoddy谱线的中心移位同质异能移位二次多普勒移位动态同质异能移位对半径为R的原子核：22322ZerRrVrZerrRRR22202223422205RZerRErdrRRrZeR2222205egegEEEZeRRgeeE0ESEge0EAE放射源（S）吸收体（A）222222005egASZeRRegRRR2egRRR222222005egASZeRR222egRRRR22224005ASRZeRR等几率线2100(,,)r2200(,,)r2210(,,)r2211(,,)r2310(,,)r2541(,,)r等几率面2100(,,)r2200(,,)r2210(,,)r2211(,,)r2310(,,)r2541(,,)r2320(,,)r2321(,,)r2322(,,)r2430(,,)r2431(,,)r2432(,,)r2433(,,)r22224005ASRZeRR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。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。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。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。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。mNNIEgmH3、电四极分裂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；231421IQzzeQmIIEVIIijNijQrxxdv12I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置有关。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。120E电单极作用meEmgE磁偶极作用电四极作用323212123212121E2E3E4E5E6E以57Fe为例说明这三种相互作用对核能级的影响10,1Im选择定则:57对Fe:0.09060.1547gNeN615365433egNigNieNiegNiggHgHgHggH3:2:1:1:2:34、无反冲分数即核对射线产生无反冲共振吸收的几率，用f表示：2224xfe功放三角波产生器方波产生器放射源PbPb样品PbPbNaI探测器放大器单道MCA计算机穆斯堡尔谱仪方框图电磁振动器实验装置ATieoeioAToeee111oiATeGe1AT1G1、振子驱动2、放射源嵌入对称性好的基底材料中，以使原子核发射单线谱。5657(,)FednCo5857(,2)NippCo57Co57Fe014.4keV136.3keV72523212270d57Co衰变图250d119Sn321211289.54keV23.87keV0119Sn衰变图EC99.8%9%91%2.1、获得Mössbauer核的方式EC、衰变同质异能跃迁库仑激发（带电粒子加速器）2.2、对放射源的要求应有较窄的洛伦兹谱线源中的Mössbauer核应有较大的无反冲因子，这要求；对基底材料要求化学性能稳定；基底材料无干扰信号。120.11ts5160EkeV对57Co，其基底常用Pd,Pt,Rh等材料。3、样品样品有效厚度：015AAAAATfnda4、射线探测器闪烁探测器（0.1~1mm的NaI(Tl)）正比计数器半导体探测器1、实验测量1.1、标准样品-Fe(bcc)1.2、Fe2O31.3、不锈钢1、速度定标确定多道道址与速度的对应关系；常用相对标定法；6110.65610.6560.0444/371131Kmmsch道增益：零速度位置：6103711310.1798255220.0444chK2、化学位移232316FeO0FeO2KEc0KEc不锈钢不锈钢3、电四极分裂236521FeO2EKEc0E不锈钢4、内磁场23236161FeOFeOFeFeBB61610FeFeBB不锈钢不锈钢谢谢！