穆斯堡爾譜課件

穆斯堡爾譜1穆斯堡爾譜12第1節(jié)穆斯堡爾譜概述第2節(jié)穆斯堡爾譜的應用第3節(jié)穆斯堡爾譜儀第4節(jié)穆斯堡爾效應第5節(jié)穆斯堡爾譜學第6節(jié)穆斯堡爾譜分析第7節(jié)總結(jié)與展望γγ2第1節(jié)穆斯堡爾譜概述γγ1.穆斯堡爾譜概述

31.穆斯堡爾譜概述

31956年,27歲的德國學者穆斯堡爾研究γ射線共振吸收問題,他在總結(jié)、吸收前人的研究基礎上指出:將發(fā)射和吸收γ光子的原子核置于晶格束縛之中,當發(fā)射和吸收γ光子時,由所在晶格來承擔全部反沖,而原子核本身不受反沖的影響.這時所觀察到的就是無反沖共振吸收.所以把這種原子核無反沖發(fā)射和共振吸收γ射線的現(xiàn)象稱為穆斯堡爾效應.4一、穆斯堡爾效應的發(fā)現(xiàn)1956年,27歲的德國學者穆斯堡爾研究γ射線共振吸收問題51958年，德國人穆斯堡爾(R.L.Mossbaure)在致力于有關(guān)原子核γ射線共振吸收的研究時，發(fā)現(xiàn)了穆斯堡爾效應。1961年，穆斯堡爾由于發(fā)現(xiàn)穆斯堡爾效應分享到了諾貝爾物理學獎。51958年，德國人穆斯堡爾(R.L.Mossbaure)（1）原子核能級：原子核具有能級結(jié)構(gòu)，處于不同狀態(tài)的原子核具有不同的能量。（2）原子核衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過釋放能量回落到基態(tài)，其能量釋放是以發(fā)射γ光子的形式完成，稱為γ衰變。6知識回顧~（1）原子核能級：原子核具有能級結(jié)構(gòu)，處于不同狀態(tài)的原子核具（3）原子核的共振吸收：原子核（發(fā)射體）發(fā)射出的γ光子，在通過處于基態(tài)的同種元素原子核（吸收體）時，將被原子核吸收，其能量可躍遷到激發(fā)態(tài)，為原子核的共振吸收。7（4）原子核的反沖：原子核在發(fā)射或吸收γ光子時，核將受到一個相反方向的反沖，自身要產(chǎn)生反沖作用。（5）核反沖作用的消除：將發(fā)射體和吸收體都冷卻到液態(tài)空氣溫度（約88K），使原子核由于鍵合作用被牢牢固定在點陣晶格上，反沖動能趨向于零。無反沖核γ發(fā)射和共振吸收，可使穆斯堡爾效應大大增強。（3）原子核的共振吸收：原子核（發(fā)射體）發(fā)射出的γ光子，在通8（6）原子的放射性8（6）原子的放射性9（7）光電效應9（7）光電效應10（8）康普頓效應10（8）康普頓效應11（9）電子對效應11（9）電子對效應12二、穆斯堡爾效應

無反沖原子核的γ發(fā)射和其共振吸收現(xiàn)象。即處于激發(fā)態(tài)的原子核發(fā)射出的γ光子，被另一個處于基態(tài)的同種元素原子核所吸收，而躍遷到激發(fā)態(tài)的現(xiàn)象。12二、穆斯堡爾效應無反沖原子核的γ發(fā)射和其共振吸收凡是有穆斯堡爾效應的原子核,簡稱為穆斯堡爾核.目前,發(fā)現(xiàn)具有穆斯堡爾效應的化學元素(不包括鈾后元素)只有42種,80多種同位素的100多個核躍遷.尤對于不含穆斯堡爾原子的固體,可將某種合適的穆斯堡爾核人為地引入所要研究的固體中,即將穆斯堡爾核作為探針進行間接研究,也能得到不少有用信息13凡是有穆斯堡爾效應的原子核,簡稱為穆斯堡爾核.目前,發(fā)現(xiàn)具有穆斯堡爾效應是原子核對γ射線的無反沖共振吸收現(xiàn)象.此效應自1957年發(fā)現(xiàn)以來,激起的研究熱情至今不衰,它不僅在理論上具有深刻的意義,又有著廣泛的應用價值.被公認為是20世紀物理學實驗的里程碑之一14穆斯堡爾效應是原子核對γ射線的無反沖共振吸收現(xiàn)象.此效應自三、穆斯堡爾譜的應用由于穆斯堡爾效應得到的穆斯堡爾譜線寬Γ與核激發(fā)態(tài)平均壽命所決定的自然線寬ΓH在同一量級，因而具有極高的能量分辨率。15三、穆斯堡爾譜的應用由于穆斯堡爾效應得到的穆斯堡爾譜線寬Γ與1616如今穆斯堡爾譜已廣泛在應用于物理學、化學、材料科學、物理冶金學、生物學和醫(yī)學、地質(zhì)學、礦物學和考古學等許多領(lǐng)域，發(fā)展成為一門獨立的波譜學----穆斯堡爾譜學。17如今穆斯堡爾譜已廣泛在應用于物理學、化學、材料科學、物理冶金由于吸收體物質(zhì)中化學組成或晶體結(jié)構(gòu)不同，吸收的光子能量會有細微變化。穆斯堡爾譜分析即是應用穆斯保爾效應研究分子中原子的價態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、化學鍵的離子性、配位數(shù)等變化而引起的核能級的變化18四、穆斯堡爾譜分析的特點由于吸收體物質(zhì)中化學組成或晶體結(jié)構(gòu)不同，吸收的光子能量會有細1、分辨率高，靈敏度高，抗干擾能力強，所研究的對象可以是導體、半導體或絕緣體，試樣可以是晶體或非晶體態(tài)的體材料、薄膜或固體的表層，也可以是粉末、超細小顆粒，甚至是冷凍的溶液，范圍之廣是少見的。2、利用穆斯堡爾譜可方便地研究原子核與其周圍環(huán)境間的超精細相互作用，可以靈敏地獲得原子核周圍的物理和化學環(huán)境的信息,為物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的分析提供重要的信息。191、分辨率高，靈敏度高，抗干擾能力強，所研究的對象可以是導體3、不足之處是：只有有限數(shù)量的核有穆斯堡爾效應，且許多還必須在低溫下或在具有制備源條件的實驗室內(nèi)進行，使它的應用受到較多的限制，事實上，至今只有Fe和Sn等少的穆斯堡爾核得到了充分的應用。203、不足之處是：只有有限數(shù)量的核有穆斯堡爾效應，且許多還必須即使如此，它仍不失為固體物理研究的重要手段之一，在有些場合甚至是其他手段不能取代的，并且隨著實驗技術(shù)的進一步開發(fā)，可以預期，它將不斷地克服其局限性，在各研究領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。21即使如此，它仍不失為固體物理研究的重要手段之一，在有些場合甚22穆斯堡爾譜：γ射線被無反沖共振吸收后的強度隨能量的變化穆斯堡爾效應：原子核對γ射線的無反沖發(fā)射與共振吸收穆斯堡爾譜學：利用穆斯堡爾效應通過原子核與核外環(huán)境的超精細相互作用來對物質(zhì)作微觀結(jié)構(gòu)分析的學科22穆斯堡爾譜：γ射線被無反沖共振吸收后的強度隨能量的變化穆232.穆斯堡爾波譜的應用232.穆斯堡爾波譜的應用242425251．相分析和相變從穆斯堡爾譜中得到的超精細相互作用參數(shù)隨溫度的變化，隨外加磁場的變化隨壓力的變化等，可以用來研究相變也可以鑒定固體中的物相，并可發(fā)現(xiàn)新相。此外還可以確定居里溫度和奈耳溫度。261．相分析和相變從穆斯堡爾譜中得到的超精細相互作用參數(shù)隨奧氏體相變的穆斯堡爾譜27利用穆斯堡爾譜學研究在不銹鋼中奧氏體相變過程。

奧氏體相變的穆斯堡爾譜27利用穆斯堡爾譜學研究在不銹鋼中奧2．確定磁有序溫度和類型從超精細場與溫度的變化，能確定磁有序溫度。對多晶材料加一外場，觀察躍遷強度的變化能研究磁耦合的一些性質(zhì)，即鐵磁眭、亞鐵磁性或反鐵磁性等等。在磁有序材料中用相對吸收線強度與角度的關(guān)系可以確定自旋方向。

282．確定磁有序溫度和類型從超精細場與溫度的變化，能確定磁有3．表面和界面的磁性研究利用穆斯堡爾譜學對過渡金屬表面和界面的磁性研究作出了重要貢獻。穆斯堡爾譜學也是研究鋼鐵腐蝕的有效手段之一，利用背散射方法可做表面測量并在2O～3000A范圍內(nèi)對不同深度進行選擇分析。它已發(fā)展成為一種能定性和定量分析的方法。

293．表面和界面的磁性研究利用穆斯堡爾譜學對過渡金屬表面和4．晶格缺陷和位錯利用穆斯堡爾譜學研究固體和液體中的擴散，從譜線的寬度和形狀能給出原子徒動的信息。與離子注入結(jié)合起來可以研究注入過程的微觀特點及注入雜質(zhì)近鄰的電子結(jié)構(gòu)。而晶格缺陷、位錯、表面原子和體內(nèi)原子的差異都可以從化學移位中反映出來。

304．晶格缺陷和位錯利用穆斯堡爾譜學研究固體和液體5．非晶態(tài)、儲氫、液晶和半導體材料等方面的研究穆斯堡爾譜學可對某些新材料進行研究。例如：對非晶態(tài)材料的研究可以了解非晶態(tài)金屬的原子排列、磁結(jié)構(gòu)和自旋取向等信息；對于儲氫材料三元氫化物的研究，可以了解氫的化學狀態(tài)及其所在位置，相的形成，吸氫后對晶體的電性與磁性的影響及吸氫機理等

315．非晶態(tài)、儲氫、液晶和半導體材料等方面的研究穆斯堡爾譜學6．化學鍵的性質(zhì)。用穆斯堡爾譜學與核四極矩實驗結(jié)合起來，可以研究化學鍵的性質(zhì)；與核磁共振、電子自旋共振等方法結(jié)合起來可以研究自旋一點陣或自旋一自旋弛豫、自旋波的激發(fā)及其傳播特性等。

326．化學鍵的性質(zhì)。用穆斯堡爾譜學與核四極矩實驗結(jié)合起來，可7．催化機理的研究在化肥、石油煉制等化工生產(chǎn)中都離不開催化劑。利用穆斯堡爾譜學可以研究催化劑的吸收，均勻相和非均勻相、測定催化活性狀態(tài)和化學轉(zhuǎn)化的中問產(chǎn)物等。

337．催化機理的研究在化肥、石油煉制等化工生產(chǎn)中都離不開催8．生物醫(yī)學方面的研究。穆斯堡爾譜學是研究蛋白質(zhì)和酶的一種有力工具，研究對象從可分離的蛋白質(zhì)擴大到生物組織以至完整的生物體。研究領(lǐng)域由生理、生化開始深入到醫(yī)學、病理的探討。

348．生物醫(yī)學方面的研究。穆斯堡爾譜學是研究蛋白質(zhì)和酶的一種有正常人肺部樣品(A)和—個患含鐵血黃素沉著病(煤礦職業(yè)病)人肺部樣品(B)的穆斯堡爾譜

35正常人肺部樣品(A)和—個患含鐵血黃素沉著病(煤礦職業(yè)病)人9．礦物地質(zhì)方面的研究利用穆斯堡爾效應可以測定礦物中鐵的氧化狀態(tài)、電子組態(tài)。

369．礦物地質(zhì)方面的研究利用穆斯堡爾效應可以測定礦物中鐵的圖為幾個具有代表性的鐵的穆斯堡爾譜線。不同氧化狀態(tài)和電子組態(tài)的鐵具有不同的譜線。

37圖為幾個具有代表性的鐵的穆斯堡爾譜線。不同氧化狀態(tài)l0．在物理學中的應用利用穆斯堡爾譜曾成功地測定和檢驗了愛因斯坦相對論，即引力紅移實驗。

38l0．在物理學中的應用利用穆斯堡爾譜曾成功地測定和檢驗了愛因3.穆斯堡爾譜儀393.穆斯堡爾譜儀3940原理示意圖放射源試樣γ射線探測器一、原理40原理示意圖放射源試樣γ射線探測器一、原理探測器接收γ射線，并轉(zhuǎn)化成電壓脈沖信號，可反映試樣吸收γ射線的情況41探測器接收γ射線，并轉(zhuǎn)化成電壓脈沖信號，可反映試樣吸收γ射線42穆斯堡爾譜儀42穆斯堡爾譜儀43裝置示意圖探測器探測到未被吸收的γ射線，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后得到電脈沖信號，并經(jīng)放大器放大后送入模數(shù)變換器，顯示譜線

43裝置示意圖探測器探測到未被吸收的γ射線，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后得4444單道分析器45單道分析器45探測器46探測器46驅(qū)動器47驅(qū)動器47484849

穆斯堡爾譜儀設計原理：（1）多普勒效應：發(fā)射體的運動會引起發(fā)射出的γ光子能量改變的現(xiàn)象（2）多普勒速度補償：為了將無反沖共振吸收的情況在圖譜上清晰地顯示出來，放射源常安放在一個做勻加速的電磁振動器上，γ光子的能量可隨著振動方向和運動速度在一定范圍內(nèi)變化，即通過調(diào)整γ射線輻射源和吸收體之間的相對速度使其發(fā)生共振吸收。

49穆斯堡爾譜儀設計原理：（1）多普勒效應：發(fā)射體的運動會多普勒效應:如一個幅射源相對接收者運動,則對接收者而言,幅射波長（頻率、能量）隨二者的相對運動方向與速度而變化：

ΔE=VE/CΔE-射線能量的變化E-射線能量V-速度同質(zhì)異能核（1）電荷數(shù)與質(zhì)量相同但能態(tài)不同的核，如：Fe,Fe+,Fe2+,Fe3+,Fe6+

。（2）如用放射性核57Fe為標樣，它發(fā)出能量為A=hv的γ射線；（γ射線是不穩(wěn)定的原子核從能量較高的激發(fā)態(tài)躍遷到能量較低的能級或基態(tài)時，放出的電磁波）含鐵樣品中Fe的能級差為B；設ΔE=A-B50多普勒效應:50（3）當標樣相對含鐵樣品運動，則樣品接受的γ射線能量為hv+/-ΔE；（4）當速度達到某值，使：B=hv+/-ΔE=A+/-VE/C；則形成共振吸收，就得到Mossbauer譜51（3）當標樣相對含鐵樣品運動，則樣品接受的γ射線能量為hv+根據(jù)多普勒效應可知,當源向著接收器運動時,頻率增加;而遠離接收器運動時,頻率減小.如果相對運動發(fā)生在接收器和光源的連線上,接收器接收到光波頻率ν與它們之間相對運動速度v及光源發(fā)射頻率ν0之間滿足如下關(guān)系52根據(jù)多普勒效應可知,當源向著接收器運動時,頻率增加;而遠離接可見,利用發(fā)射源與吸收體之間相對運動產(chǎn)生多普勒效應,導致γ光子能量發(fā)生變化,只要改變相對運動速度v大小,就能得到一系列不同能量的γ光子.53可見,利用發(fā)射源與吸收體之間相對運動產(chǎn)生多普勒效應,導致γ光54Cu－Fe合金的穆譜

穆斯堡爾譜圖：穆斯堡爾譜圖橫坐標為放射源的運動速度，單位為mm/s；縱坐標為吸收率（或者透射率），為電壓脈沖信號經(jīng)放大、分析而記錄出來。54Cu－Fe合金的穆譜穆斯堡爾譜圖：穆斯堡爾譜圖橫坐標為55554.穆斯堡爾效應

564.穆斯堡爾效應

56原子光譜的共振吸收從經(jīng)典電動力學的觀點來看﹐吸收光和發(fā)射光的基本單元是諧振子。每種諧振子都有它的固有頻率﹐當外來電磁波的頻率和諧振子的固有頻率相同時﹐諧振子會對外來的輻射產(chǎn)生很強的吸收﹐這種吸收稱為共振吸收。原子核γ射線的共振吸收未能實現(xiàn)(1929-1950)57原子光譜的共振吸收從經(jīng)典電動力學的觀點來看﹐吸收光和發(fā)射光的穆斯堡爾進行的共振吸收實驗裝置圖

58穆斯堡爾進行的共振吸收實驗裝置圖

58無反沖原子核共振吸收的最基本特征

?同類原子核發(fā)射出和吸收到的γ射線能量完全相同?共振吸收所獲得的共振譜線寬度僅為γ射線自然寬度的兩倍左右（≈10－8eV），這正是穆斯堡爾效應具有極高能量靈敏度的根源59無反沖原子核共振吸收的最基本特征

?同類原子核發(fā)射出和吸收到6060616162625.穆斯堡爾譜學635.穆斯堡爾譜學63穆斯堡爾譜學主要內(nèi)容

超精細相互作用和穆斯堡爾參數(shù)

超精細磁場來源

穆斯堡爾譜所給出的微觀信息

64穆斯堡爾譜學主要內(nèi)容

超精細相互作用和穆斯堡爾參數(shù)

超精細65

原子核存在于由原子的殼層電子和鄰近配位體的電荷所產(chǎn)生的電磁場中，原子核本身又帶正電荷，因此核與核所處的電場和磁場之間存在著相互作用，這種作用十分微弱，稱為超精細作用，對穆斯堡爾譜圖有一定的影響。穆斯堡爾譜參數(shù)三種主要的超精細作用：同質(zhì)異能位移；四極矩分裂；磁超精細分裂65原子核存在于由原子的殼層電子和鄰近配位體的電荷所同質(zhì)異能移位66同質(zhì)異能移位又稱為原子核的體積效應，是由電單極相互作用引起的。我們已經(jīng)知道，原子核雖然很小，但無論多小還是有一定的體積，它本身不是一個點核，而是具有一定的形狀和大?。|(zhì)異能移位66同質(zhì)異能移位又稱為原子核的體積效應，是由電單67（1）同質(zhì)異能位移（化學位移）

是由穆斯堡爾核電荷與核所處的電場之間的靜電作用引起的譜帶位移（δ）。產(chǎn)生的穆斯堡爾譜①穆斯堡爾原子在激發(fā)態(tài)和基態(tài)時，其原子核周圍的電荷密度不同，則可出現(xiàn)化學位移，即與原子核周圍的電子配置情況有關(guān)，通過δ可以了解原子的價態(tài)和化學鍵的重要信息。67（1）同質(zhì)異能位移（化學位移）是由穆斯堡爾核電荷在穆斯堡爾實驗中，同質(zhì)異能移取決于：?原子核有關(guān)的因子(Re,Rg).?核外電子有關(guān)的信息(原子核處的電子密度）對于反射源在不同基體中57Co(Rh),57Co(Pd)原子核處的電子密度不同68在穆斯堡爾實驗中，同質(zhì)異能移取決于：68

與原子核的對稱性有關(guān)雖然原子核的形狀接近球形，但多數(shù)核是軸對稱的橢球形。因此用四極矩Q來表征核電荷分布偏離球?qū)ΨQ的程度。69②

如果放射源中穆斯堡爾原子所處的化學狀態(tài)和吸收體完全相同，則化學位移為零。③化學位移決定譜線中心的位置移動（偏離v=0時的譜線位置），但不是唯一的決定因素，還有溫度效應。

（2）四極矩分裂與原子核的70①如果原子核電荷分布是球?qū)ΨQ的，則Q＝0;若是橢球體，則Q≠0。外電場和原子核的四極矩之間的相互作用將引起能量的變化，使能級分裂，出現(xiàn)兩個亞能級，在譜線上可觀察到兩條特征譜線。②四極矩分裂是穆斯堡爾譜的一個重要參數(shù)，通過分裂譜可以了解原子核的對稱性，即電子云分布情況和電子云的分布梯度。

如表面原子相對本體原子有較低的對稱性，根據(jù)這個差別可以區(qū)分這兩種不同原子。70①如果原子核電荷分布是球?qū)ΨQ的，則Q＝0;若是橢球71

（3）磁超精細分裂在原子核處常常存在有核外電子形成的磁場H，可使核能級進一步分裂，又叫核塞曼效應。表現(xiàn)在譜圖上為出現(xiàn)多個穆斯堡爾譜帶71（3）磁超精細分裂在原子核處常常存在有核外電子形成的磁72穆斯堡爾參數(shù)給出的微觀信息72穆斯堡爾參數(shù)給出的微觀信息綜上所述，穆譜可有以下幾種圖譜：73綜上所述，穆譜可有以下幾種圖譜：736.穆斯堡爾譜分析746.穆斯堡爾譜分析7475由于吸收體物質(zhì)中化學組成或晶體結(jié)構(gòu)不同，吸收的光子能量會有細微變化。穆斯堡爾譜分析即是應用穆斯保爾效應研究分子中原子的價態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、化學鍵的離子性、配位數(shù)等變化而引起的核能級的變化。75由于吸收體物質(zhì)中化學組成或晶體結(jié)構(gòu)不同，吸收的光子能量會穆斯堡爾譜能方便地確定某種固體(含穆斯堡爾核)是否為非晶態(tài).因為晶態(tài)固體的穆斯堡爾譜參量都有確定的值,共振譜線很尖銳,而非晶態(tài)固體,由于穆斯堡爾譜參量是連續(xù)或準連續(xù)分布的,因而共振譜線較寬.76穆斯堡爾譜能方便地確定某種固體(含穆斯堡爾核)是否為非晶態(tài).7777787879實例分析79實例分析8080總結(jié)與展望81總結(jié)與展望81分辨率高，靈敏度高，抗干擾能力強，所研究的對象可以是導體、半導體或絕緣體，試樣可以是晶體、非晶體，可以是粉未、超細小顆粒，范圍非常廣。利用穆斯堡爾譜可方便地研究原子核與其