穆斯堡爾譜學(xué)是應(yīng)用穆斯堡爾效應(yīng)研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)科。穆斯堡爾效應(yīng)即γ射線的無反沖共振吸收，是在1958年由德國物理學(xué)家穆斯堡爾發(fā)現(xiàn)的。穆斯堡爾效應(yīng)對環(huán)境的依賴性非常高，常利用多普勒效應(yīng)對γ射線光子的能量進(jìn)行調(diào)制，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。吸收率（或者透射率）與相對速度之間的變化曲線叫做穆斯堡爾譜。穆斯堡爾譜的能量分辨率非常高，可以用來研究原子核與周圍環(huán)境的超精細(xì)相互作用。穆斯堡爾譜學(xué)中最常用的是57Fe的能量為14.4 keV的γ射線，能量分辨率可以達(dá)到10-13。119Sn也經(jīng)常用到。穆斯堡爾譜學(xué)在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、冶金學(xué)、礦物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。近年來穆斯堡爾譜學(xué)也在一些新興學(xué)科，比如材料科學(xué)和表面科學(xué)領(lǐng)域，開拓了廣泛的應(yīng)用前景。
簡介
基于穆斯堡爾效應(yīng)、具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的γ射線譜學(xué)。
穆斯堡爾效應(yīng)? 一種原子核無反沖的γ射線共振散射或吸收現(xiàn)象。1957～1958年間，德國物理學(xué)家R.L.穆斯堡爾在觀察Ir(129keV)的γ射線共振散射本底時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。并在理論上作了解釋。
一個(gè)自由原子核發(fā)射或吸收γ光子時(shí)，原子核都要受到反沖。反沖能量是激發(fā)態(tài)能量同基態(tài)能量的差，m是該原子核的質(zhì)量,с是真空中的光速)。這個(gè)能量損失使發(fā)射譜或吸收譜偏差 的能量。核激發(fā)態(tài)的能量寬度Γ取決于激發(fā)態(tài)壽命τ。對大部分核輻射，，難以實(shí)現(xiàn)共振吸收。穆斯堡爾發(fā)現(xiàn)，若原子核被束縛在晶體點(diǎn)陣上，則發(fā)射或吸收γ光子時(shí)，整個(gè)晶體反沖，這時(shí)m應(yīng)該代以晶體的質(zhì)量。晶體質(zhì)量遠(yuǎn)大于一個(gè)原子核的質(zhì)量，于是反沖能量ER顯著減小，因此容易觀察到共振吸收現(xiàn)象。這就是所謂無反沖γ共振吸收。但實(shí)際點(diǎn)陣振動(dòng)狀態(tài)是量子化的，在反沖能量小于點(diǎn)陣振動(dòng)的能級間隔時(shí)，它將被整個(gè)晶體吸收。所以穆斯堡爾效應(yīng)又稱為零聲子發(fā)射和吸收。發(fā)生這種過程的幾率f稱為無反沖因子或穆斯堡爾分?jǐn)?shù)：
其中k是γ射線的波矢,是該原子核在γ射線發(fā)射方向上振動(dòng)振幅的均方值。迄今為止，已經(jīng)觀察到穆斯堡爾效應(yīng)的有 40多種元素，80多種核素，100多條穆斯堡爾躍遷線。這些核素稱為穆斯堡爾核。其中最常用的是和,括號內(nèi)為γ光子能量。
無反沖γ射線的最主要特點(diǎn)是譜線的寬度接近于核能級寬度。如。表明它具有極高的γ射線能量分辨率，因此能觀察到原子核能級的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。在共振實(shí)驗(yàn)中，由于源同吸收體的化學(xué)環(huán)境的差異，原子核外ｓ電子電荷密度發(fā)生變化，它同原子核電荷的相互作用使躍遷能量相應(yīng)變化，其差值表現(xiàn)為能量位移，稱為同質(zhì)異能位移或化學(xué)位移 δ。自旋的核，電荷分布是非球形對稱的，核具有電四極矩eQ，它同核所處的電場梯度發(fā)生相互作用使核能級產(chǎn)生四極分裂（eq是描述電場梯度的參量）。自旋的核具有核磁矩,它同核所處的內(nèi)磁場相互作用，使核能級產(chǎn)生分裂（見塞曼效應(yīng)）。在穆斯堡爾譜中可以清楚地分辨這些超精細(xì)相互作用引起的位移和分裂。以及f等常稱為穆斯堡爾參量。若已知核周圍環(huán)境的電磁結(jié)構(gòu)則可以研究核的特性，反之，若核的性質(zhì)已知，由測量結(jié)果可以推得核周圍環(huán)境的電磁結(jié)構(gòu)，即用穆斯堡爾核為探針研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。
穆斯堡爾譜
1957年R.穆斯堡爾在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：固體中的某些放射性原子核有一定的幾率能夠無反沖地發(fā)射γ射線，γ光子攜帶了全部的核躍遷能量。而處于基態(tài)的固體中的同種核對前者發(fā)射的γ射線也有一定的幾率能夠無反沖地共振吸收。這種原子核無反沖地發(fā)射或共振吸收γ射線的現(xiàn)象后來就稱之為穆斯堡爾效應(yīng)。
由于穆斯堡爾效應(yīng)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在同一量級，因而具有極高的能量分辨率。以57Fe核14.4Kev的躍遷為例，自然線寬ΓH為，能量分辨率約為10-13的量級（原子發(fā)射和吸收光譜的能量分辨率在理想情況下可達(dá)的量級），因此它是研究固體中國足球協(xié)會(huì)超級聯(lián)賽精細(xì)相互作用的有效手段。目前已廣泛在應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、物理冶金學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)和考古學(xué)等許多領(lǐng)域，發(fā)展成為一門獨(dú)立的波譜學(xué)----穆斯堡爾譜學(xué)。
穆斯堡爾譜方法的主要特點(diǎn)是：分辨率高，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，對試樣無破壞，實(shí)驗(yàn)技術(shù)較為簡單，試樣的制備技術(shù)也不復(fù)雜，所研究的對象可以是導(dǎo)體、半導(dǎo)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(xì)小顆粒，甚至是冷凍的溶液，范圍之廣是少見的。主要的不足之處是：只有有限數(shù)量的核有穆斯堡爾效應(yīng)，且許多還必須在低溫下或在具有制備源條件的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，使它的應(yīng)用愛到較多的限制，事實(shí)上，目前只有和等少的穆斯堡爾核得到了充分的應(yīng)用。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(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)，可以預(yù)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。
穆斯堡爾效應(yīng)
穆斯堡爾效應(yīng)，即原子核輻射的無反沖共振吸收。這個(gè)效應(yīng)首先是由德國物理學(xué)家穆斯堡爾于1958年首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的，因此被命名為穆斯堡爾效應(yīng)。應(yīng)用穆斯堡爾效應(yīng)可以研究原子核與周圍環(huán)境的超精細(xì)相互作用，是一種非常精確的測量手段，其能量分辨率可高達(dá)10-13，并且抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)相對簡單、對樣品無破壞。由于這些特點(diǎn)，穆斯堡爾效應(yīng)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就迅速在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、冶金學(xué)、礦物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來穆斯堡爾效應(yīng)也在一些新興學(xué)科，如材料科學(xué)和表面科學(xué)開拓了應(yīng)用前景。
理論上，當(dāng)一個(gè)原子核由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，發(fā)出一個(gè)γ射線光子。當(dāng)這個(gè)光子遇到另一個(gè)同樣的原子核時(shí)，就能夠被共振吸收。但是實(shí)際情況中，處于自由狀態(tài)的原子核要實(shí)現(xiàn)上述過程是困難的。因?yàn)樵雍嗽诜懦鲆粋€(gè)光子的時(shí)候，自身也具有了一個(gè)反沖動(dòng)量，這個(gè)反沖動(dòng)量會(huì)使光子的能量減少。同樣原理，吸收光子的原子核光子由于反沖效應(yīng)，吸收的光子能量會(huì)有所增大。這樣造成相同原子核的發(fā)射譜和吸收譜有一定差異，所以自由的原子核很難實(shí)現(xiàn)共振吸收。迄今為止，人們還沒有在氣體和不太粘稠的液體中觀察到穆斯堡爾效應(yīng)。
1957年底，穆斯堡爾提出實(shí)現(xiàn)γ射線共振吸收的關(guān)鍵在于消除反沖效應(yīng)。如果在實(shí)驗(yàn)中把發(fā)射和吸收光子的原子核置于固體晶格中，那么出現(xiàn)反沖效應(yīng)的就不再是單一的原子核，而是整個(gè)晶體。由于晶體的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一的原子核的質(zhì)量，反沖能量就減少到可以忽略不計(jì)的程度，這樣就可以實(shí)現(xiàn)穆斯堡爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中原子核在發(fā)射或吸收光子時(shí)無反沖的概率叫做無反沖分?jǐn)?shù)f，無反沖分?jǐn)?shù)與光子能量、晶格的性質(zhì)以及環(huán)境的溫度有關(guān)。
穆斯堡爾使用（）晶體作γ射線放射源，用（）晶體作吸收體，于1958年首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了原子核的無反沖共振吸收。為減少熱運(yùn)動(dòng)對結(jié)果的影響，放射源和吸收源都冷卻到88K。放射源安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)盤上，可以相對吸收體作前后運(yùn)動(dòng)，用多普勒效應(yīng)調(diào)節(jié)γ射線的能量。經(jīng)過β-衰變成為的激發(fā)態(tài)，191Ir的激發(fā)態(tài)可以發(fā)出能量為129 keV的γ射線，被吸收體吸收。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤不動(dòng)，即相對速度為0時(shí)共振吸收最強(qiáng)，并且吸收譜線的寬度很窄，每秒幾厘米的速度就足以破壞共振。除了191Ir外，穆斯堡爾還觀察到了等原子核的無反沖共振吸收。由于這些工作，穆斯堡爾被授予1961年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
截至2005年上半年，人們已經(jīng)在固體和粘稠液體中實(shí)現(xiàn)了穆斯堡爾效應(yīng)，樣品的形態(tài)可以是晶體、非晶體、薄膜、固體表層、粉末、顆粒、冷凍溶液等等，涉及40余種元素90余種同位素的110余個(gè)躍遷。然而大部分同位素只能在低溫下才能實(shí)現(xiàn)穆斯堡爾效應(yīng)，有的需要使用液氮甚至液氦對樣品進(jìn)行冷卻。在室溫下只有三種同位素能夠?qū)崿F(xiàn)穆斯堡爾效應(yīng)。其中57Fe的 14.4 keV 躍遷是人們最常用的、也是研究最多的譜線。
穆斯堡爾效應(yīng)對環(huán)境的依賴性很高。細(xì)微的環(huán)境條件差異會(huì)對穆斯堡爾效應(yīng)產(chǎn)生顯著的影響。在實(shí)驗(yàn)中，為減少環(huán)境帶來的影響，需要利用多普勒效應(yīng)對γ射線光子的能量進(jìn)行細(xì)微的調(diào)制。具體做法是令γ射線輻射源和吸收體之間具有一定的相對速度，通過調(diào)整v的大小來略微調(diào)整γ射線的能量，使其達(dá)到共振吸收，即吸收率達(dá)到最大，透射率達(dá)到最小。透射率與相對速度之間的變化曲線叫做穆斯堡爾譜。應(yīng)用穆斯堡爾譜可以清楚地檢查到原子核能級的移動(dòng)和分裂，進(jìn)而得到原子核的超精細(xì)場、原子的價(jià)態(tài)和對稱性等方面的信息。應(yīng)用穆斯堡爾譜研究原子核與核外環(huán)境的超精細(xì)相互作用的學(xué)科叫做穆斯堡爾譜學(xué)。
穆斯堡爾譜的寬度非常窄，因此具有極高的能量分辨本領(lǐng)。例如57Fe的 14.4 keV 躍遷，穆斯堡爾譜寬度與γ射線的能量之比，67Zn的 93.3 keV 躍遷，107Ag的93 keV 躍遷。因此穆斯堡爾效應(yīng)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就在各種精密頻差測量中得到廣泛應(yīng)用。例如：
測量引力紅移 —— 引力引起的紅移量一般小于10-10數(shù)量級，歷史上應(yīng)用穆斯堡爾效應(yīng)首先對其進(jìn)行了精密測量。相對論預(yù)言，由于地球上不同高度引力勢能不同，會(huì)引起光子離開地球時(shí)在不同高度的頻率不同，相差20米帶來的頻率測量變化為。1960年，龐德和里布卡利用穆斯堡爾效應(yīng)測量到了這個(gè)微小的變化。
驗(yàn)證邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn) —— 1970年，伊薩克(G.R.Isaak)利用穆斯堡爾效應(yīng)測量了地球相對于以太的速度。實(shí)驗(yàn)測得此速度的上限為，基本證實(shí)了不存在地球相對于以太的運(yùn)動(dòng)。
穆斯堡爾譜儀
利用多普勒速度掃描實(shí)現(xiàn)共振吸收測量的裝量(見彩圖), 它的原理如圖1所示。通常由無反沖的放射源和吸收體，產(chǎn)生多普勒速度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和探測器組成。多普勒速度υ同補(bǔ)償能量之間的關(guān)系是，獲得一個(gè)譜線所需要的多普勒速度約為譜線寬度或超精細(xì)分裂的數(shù)量級，F(xiàn)e約為毫米／秒的數(shù)量級。圖2是一些典型的穆斯堡爾譜──透過吸收體的γ射線光子數(shù)對多普勒速度的函數(shù)。圖中的凹峰表示最大共振吸收發(fā)生的位置，圖2a中它同機(jī)械零速度的速度差值反映了吸收體相對于源的化學(xué)位移 δ。圖2b分別為Fe的四極分裂和磁偶極相互作用塞曼效應(yīng)分裂譜。
應(yīng)用
穆斯堡爾效應(yīng)的各種應(yīng)用，通稱為穆斯堡爾譜學(xué)。它幾乎涉及所有自然科學(xué)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代R.V.龐德等人用穆斯堡爾效應(yīng)在地面上測量了源同吸收體在高度上相距22.5m時(shí)的γ射線能量位移，在1％的精度內(nèi)驗(yàn)證了重力位移效應(yīng)的驗(yàn)證了A.阿爾伯特·愛因斯坦的等效原理。在有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了譜線隨溫度移動(dòng)（熱紅移）有人把這類實(shí)驗(yàn)看成是對相對論時(shí)間效應(yīng)的一個(gè)驗(yàn)證（見狹義相對論）。
在核物理方面，穆斯堡爾譜學(xué)可以用來測量核激發(fā)態(tài)的磁矩、電四極矩；也可以直接由譜線寬度確定核能級壽命；由化學(xué)位移確定激發(fā)態(tài)和基態(tài)間核電荷半徑的相對變化等。
凝聚態(tài)物理方面，測量無反沖因子可用于固體的點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)的研究；此外，由熱位移也能獲得的信息。磁超精細(xì)相互作用對磁有序材料，如鐵磁、硫酸亞鐵磁和反鐵磁的研究特別有用，可以確定物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)磁場隨溫度的變化確定磁有序化溫度、鑒定含鐵物相、相變研究等。
聚合物中分子內(nèi)和分子間的作用力同材料性質(zhì)有關(guān)，穆斯堡爾譜學(xué)可用來研究高壓對材料性質(zhì)的影響。在極低溫度下穆斯堡爾效應(yīng)可用來研究超導(dǎo)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變及化學(xué)成分與超導(dǎo)性的關(guān)系。
化學(xué)上的應(yīng)用，最主要的穆斯堡爾參量是化學(xué)位移和四極矩分裂。它們可用來研究穆斯堡爾原子的電子組態(tài)，并可以獲得化學(xué)價(jià)鍵方面的知識(shí)，穆斯堡爾譜還可以用來研究錫、鈦的有機(jī)金屬化合物。
在生物科學(xué)方面，利用穆斯堡爾效應(yīng)研究了血紅素蛋白、鐵硫蛋白、貯鐵及轉(zhuǎn)移鐵的蛋白等的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。這是利用過渡金屬可以取不同的氧化狀態(tài)的特點(diǎn)，因此，它們很容易參與氧化還原作用，鐵和是各種金屬酶的活性中心，它們起著催化電子轉(zhuǎn)移和氧化作用，也是帶氧蛋白的活性中心。
參考資料 >