穆斯堡爾效應（M?ssbauer effect，縮寫ME），又稱無反沖核共振吸收、無反沖共振吸收、射線無反沖發射及共振吸收效應、射線零聲子發射及共振吸收效應，是原子核射線的無反沖共振吸收和共振散射現象，是核物理學中的一種特殊現象。
早在19世紀，就已經有了共振吸收的概念。為了實現原子核的共振吸收，科學家們不斷進行實驗。直到1951年，物理學家默恩（P.B.Moon）利用多普勒效應，通過實驗觀察到了射線的共振效應。沿著前人的思路，1956年德國物理學家穆斯堡爾（Rudolf L.M?ssbauer）發現了共振吸收的反常現象。之后，他提出實現射線共振吸收的關鍵在于消除反沖效應。1958年，穆斯堡爾首次在實驗中實現了原子核的無反沖共振吸收，為了紀念他在物理學這一領域的貢獻，將這一現象命名為穆斯堡爾效應。除了外，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，1961年穆斯堡爾被授予諾貝爾物理學獎。
穆斯堡爾效應在物理學、生物醫學、化學、地質礦物學、材料科學和考古學等領域得到了廣泛的應用，并已發展成一門獨立的學科——穆斯堡爾譜學。穆斯堡爾效應在物理學領域是進行基礎研究的重要手段，可以測量核激發態的磁矩、電四極矩及確定核能級的壽命；在醫學中可以用于進行疾病的診斷、治療效果的評價以及癌癥治療方面的研究等。
簡史
早期研究
共振吸收的概念由來已久，早在19世紀，瑞利勛爵就提出在原子系統中會發生共振散射。1904年，物理學家伍德（R.W.Wood）用鈉的線實現了原子的共振熒光。與此類似，科學家們想到用射線應當也可以實現原子核的共振吸收或共振散射。為了實現原子核的共振吸收，科學家們不斷進行實驗。1929年，瑞士科學家托馬斯·庫恩（W.Kuhn）指出原子核也應有與原子共振熒光類似的射線共振吸收熒光，并首先試圖通過實驗來觀察射線的共振散射現象，但一直沒能觀察到。在后來的20年間，不斷有人嘗試庫恩的設想，但由于沒有認識到發射和吸收射線時原子核的反沖產生的影響，都沒有取得成功。
通過認識到庫恩實驗失敗的根本原因，1951年，物理學家默恩（P.B.Moon）從理論上認識到反沖引起的能量變化的影響后，利用多普勒效應，把輻射源鍍在鋼制定子和轉子邊緣的一個位置上，用高速離心機使輻射源相對于散射體以的高速運動，增加發射譜線和吸收譜線的重疊程度，終于觀察到了射線的共振效應。1953年，物理學家馬姆福斯（千克Malmfors）通過升高放射源或吸收體的溫度來產生克里斯蒂安·多普勒效應，同樣也觀察到了射線共振效應。
發現過程
根據前人的研究，理論上，當一個原子核由激發態躍遷到基態時，就會發出一個射線光子，這個射線在其所通過的路程上會被同種原子核共振吸收，從而使原來的原子核從基態躍遷到激發態。原子核到達激發態后還會通過再發射射線，或發射內轉換電子和X射線的方式消掉激發態。但是，對于自由原子的核（如處于氣體狀態），由于它在發射和吸收光子時受到反沖效應，而譜線自然寬度遠小于反沖能量，觀察不到共振現象。1956年，德國物理學家穆斯堡爾在測量的射線的共振透射強度時，意外地發現對于有反沖的共振吸收效應，降低溫度，多普勒效應減弱，但共振吸收效應不但沒有減弱反而增強了。于是，穆斯堡爾將實現射線共振吸收的關鍵歸因于消除反沖效應。1957年底，他想到把發射和吸收光子的原子核置于固體晶格中，由于晶體的質量遠遠大于單一的原子核的質量，反沖能量就減少到可忽略不計的程度，這樣就可以實現穆斯堡爾效應。
1958年，穆斯堡爾首次在實驗中實現了原子核的無反沖共振吸收，為了紀念他在物理學這一領域上的貢獻，將他所實現的原子核的無反沖共振吸收命名為穆斯堡爾效應。他在實驗中使用（鋨）晶體作射線放射源，用（銥）晶體作吸收體，并且為減少熱運動對結果的影響，放射源和吸收源都冷卻到開，將放射源安裝在一個環島上，可以相對吸收體作前后運動，用多普勒效應調節射線的能量。經過衰變成為的激發態，的激發態可以發出能量為的射線，被吸收體吸收。實驗發現，當轉盤不動，即相對速度為時共振吸收最強，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。同年，德語《物理雜志》發表了穆斯堡爾關于共振效應的文章。除了外，穆斯堡爾還觀察到了、、等原子核的無反沖共振吸收。穆斯堡爾因這一發現與研究原子核中電子散射的羅伯特·霍夫施塔特（Robert Hofstadter）一起獲得1961年的諾貝爾物理學獎。
后續發展
穆斯堡爾效應是一種重要的物理測量工具，它在發現之后，很快就被應用于核物理、固體物理和相對論物理等方面。1958年，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室和阿貢國家實驗室的科學家們，成功地證實了穆斯堡爾效應的正確性，并用英文于1959年8月在美國《物理評論快報》上重新發表了穆斯堡爾的文章。1959年11月1日，《物理評論快報》發表了科學家龐德（R.V.Pound）和里布卡（G.A.Rebka Jr）的文章，文章中提出了兩點建議：一是用穆斯堡爾效應驗證引力紅移，二是用和可以比獲得更尖銳的譜線。12月15日，《物理評論快報》刊登來自哈威爾的希弗和馬歇爾（W.Marshall）以及龐德和里布卡的文章，這兩篇文章都討論了用所做的實驗，并且龐德和里布卡得出了表示線寬和超精細結構的曲線。1960年，龐德和里布卡用穆斯堡爾效應證實了阿爾伯特·愛因斯坦的等效原理和引力紅移。
簡介
穆斯堡爾效應是一種原子核射線的無反沖共振吸收和共振散射現象。應用穆斯堡爾效應可以研究原子核與周圍環境的超精細相互作用，是一種非常精確的測量手段，射線的共振發射或共振吸收譜線極其尖銳，共振現象對射線能量的變化極其敏感，可以探測出極微小射線能量的變化，其能量分辨率高達，并且抗干擾能力強、實驗設備和技術相對簡單、對樣品無破壞。另外，穆斯堡爾效應只對某些特定的原子核（穆斯堡爾原子核，如等）敏感，因此能夠得到特定原子核附近物理和化學方面的信息。截至2022年，已經觀測到具有原子核穆斯堡爾效應的化學元素有近50個，躍遷有100多個。穆斯堡爾效應在物理學、生物醫學、化學、地質礦物學、材料科學和考古學等領域得到了廣泛的應用，并已發展成一門獨立的學科——穆斯堡爾譜學。
穆斯堡爾效應的應用也有一定的局限性。觀察到穆斯堡爾效應的元素有限，其中還缺少輕元素。除了，，等少數穆斯堡爾同位素外，一般還必須在低溫環境下才能觀察到明顯的穆斯堡爾效應；應用限于在固體以及在少數黏稠或冷凍液體中，而在一般液體和氣體中是根本觀察不到的穆斯堡爾效應。
基本原理
在適當頻率的光輻射下，原子中的電子可由基態躍遷到激發態，產生原子吸收光譜；電子也可以由激發態躍遷到基態，產生原子發射光譜。同樣，原子核也有能級結構，當它從激發態躍遷到基態時，發射出具有能量為的射線，這種射線在通過同種類的原子核時，也應能被同種類的原子核所吸收，吸收了射線的原子核便由基態躍遷到激發態，這就是原子核的共振吸收。
但實際上，由于處于自由狀態的原子核在發射和吸收射線時，自身要產生反沖作用，其反沖能量大大超過了譜線的自然寬度，因此理想的共振吸收現象是很難觀察到的。根據能量守恒和動量守恒原理，粒子（原子、原子核）發射的光子的動量為：
粒子（原子、原子核）本身也受到一個數值相等但方向相反的反沖動量，反沖動量使粒子產生反沖運動，其反沖動能為：
式中，為粒子的質量。
根據能量守恒原理，因為反沖作用，則發射射線的能量為，吸收射線的能量為。而共振吸收效應的大小取決于這兩個能量分布（譜線）重疊的多少。如果反沖能量大大超過譜線的自然線寬，譜線間不能有效重疊，將不能產生共振吸收。因此，若要產生穆斯堡爾效應，反沖能量最好趨向于零、發射線和吸收線應大部分重疊。
在核無反沖發射或吸收射線過程（即穆斯堡爾效應）中，處于固體中的放射性核，由于它受周圍原子的束縛，不能自由地運動，即固體中原子的振動狀態不因發射光子而改變。理論計算表明，此時核有一定的幾率無反沖地發射光子，無反沖發射光子的幾率為，為發射的光子的波矢，為發射核在觀察方向上的均方振幅，也就是說，在固體中放射性核所發射的光子中，晶格本身沒有從躍遷中獲得能量，反沖能量為為，核發射或吸收的光子的能量均嚴格地等于核躍遷能。類似地，處于固體中的穩定核（處于能量最低的基態）有一定的幾率無反沖吸收同種核所發射的光子，這樣發射譜線與同種核的吸收譜線完全重疊，且發射譜線和吸收譜線與自然線寬在同一量級，有較大的幾率產生共振吸收，這就是穆斯堡爾效應的基本原理。
理論詮釋
經典理論
物理學家約瑟夫沙皮羅（俄語：Иосиф Соломонович Шапиро，I. S. Shapiro，1918-1999）提出了穆斯堡爾效應的經典理論，他把原子核輻射γ射線看作射頻率為的電磁波，其矢量勢為
其中為阻尼系數，是核激發態自然寬度的一半，即。可以證明，不考慮熱運動影響時振子給出的輻射強度為
設輻射源與觀察處的距離為，則觀察處電磁波的相位相對輻射源落后，只要觀測位置不變，這個相位就不變，它對研究無反沖分數無影響，故在式未考慮它。
實際上，固體中的原子圍繞平衡位置不停地作熱振動。從經典觀點來看，這種振動通過多普勒效應對電磁波進行相位調制。
令為核沿射線傳播方向的速度分量，則輻射波的相位為
式中為輻射的約化波長，是輻射傳播方向上核離開平衡位置的距離，它表示為
式中假定所有的穆斯堡爾熱核振動的頻率相同，即屬于愛因斯坦模型。于是式的矢量勢變為
將上式中最右邊的指數部分按貝塞爾函數展開可得
于是可寫成
輻射強度分布為
因此，輻射包含無頻移的穆斯堡爾譜線及一系列頻率為的伴線，各個譜線均為半寬度等于的洛倫茲線型，強度由相應的貝塞爾函數的平方值確定（下圖）。因此，穆斯堡爾效應的是分數為
通常，故
或
式中是原子振動的均方位移。
量子理論
式中為原子核的質量，為光子能量，為真空中的光速。這反沖能量必須由原子核的躍遷能量來提供，因此發射光子的能量為
使發射譜線的中心不再在處，而在處。原子核吸收射線過程，也獲得反沖能量，這反沖能量必須由入射射線提供，則
結果使發射譜與吸收譜相距的距離。如對而言，第一激發態發射的射線，原子核的反沖能，發射譜與吸收譜間距。而發射譜與吸收譜的自然寬度，對于第一激發態，毫微秒，則。因此比大一百萬倍，所以一個自由原子核所發射的的光子不能為另一個處于基態的自由原子核所吸收。一般來說，自由核反沖能量大于，而譜線自然寬度在范圍，前者遠大于后者，因此，觀察不到自由原子核的射線的共振熒光現象。
若將輻射原子核置于晶體之中，由于晶格熱振動，穆斯堡爾核發射射線時伴生的反沖能量，一部分以動量的形式傳給整個晶體，因整個晶體質量很大，這部分能量很小，絕大部分反沖能量變為晶體點陣的振動能量，而晶格振動能量的變化只能為聲子能量的整數倍。如果反沖能量小于聲子能量，則不能引起晶格振動的變化，也就是說在發射或吸收光子時存在著一定幾率，此時沒有能量傳給晶格，實現了無反沖能量發射。同樣也可獲得無反沖能量的吸收。這樣發射譜和吸收譜重疊，則可觀察到共振熒光現象。因沒有能量傳給晶格，即不激發聲子，所以這個過程也叫零聲子發射和吸收過程。
固體理論
用固體的振動模型可以簡單直觀地解釋穆斯堡爾效應。在固體物理中，有兩種簡化了的模型——愛因斯坦模型和德拜模型，這兩種模型的共同點是把點陣運動當作線性振子。振子振動的能量是量子化的，其能級是，點陣振動的量子稱之為聲子，式中是聲子量子數（整數），為零點能量，一般可忽略。由于共振原子是位于固體晶格上，因此它受到晶格的束縛。當激發態的共振原子核發射射線回到基態時，伴隨的反沖能量可以分成兩部分：
式中，是反沖能量傳給整個晶體的線動量相聯系的能量。但由于發射射線的原子核在晶格的結點上，受晶格的束縛，所以反沖體是整個晶體。是很小量，可以忽略；是反沖能量轉換到點陣振動的動能平均值。以下分三種情況討論：
（1）原子核在輻射中，射線的能量很高，反沖能量很大。當大于原子在固體點陣中的束縛能量時（原子的束縛能在），原子將脫離點陣束縛。
（2）反沖能量小于原子在點陣中的束縛能量而大于原子點陣振動的特征能量（聲子能量），那么原子將保留在自己位置上，反沖能將使點陣振動加強，固體的溫度升高。
（3）如果反沖能量小于點陣振動的特征能量即聲子能量時，就會發生新的效應。按阿爾伯特·愛因斯坦的固體模型，當很小時，只有不太高的聲子激發（），產生各級聲子激發都取一定的幾率。零級聲子激發過程無能量轉換給晶格振動。零級聲子激發過程，就是無反沖發射（或吸收）過程。
效應測量
測量原理
穆斯堡爾效應測量常用的方法是透射法，所用的儀器為透射譜儀。儀器的測量原理如下圖所示，圖中1為放射源；2為試樣；3為射線探測器。它由閃爍計數器、電子放大器、甄別器和自動多道分析器組成。閃爍計數器的前端有一片碘化鈉熒光晶體，當射線照射到它上面時便會發生微弱的熒光，此熒光經光電倍增管轉化為脈沖電壓并進行放大，然后經過多道分析器，再進行自動記錄（自動打印出數據）。由于脈沖電壓值的大小與碘化鈉晶體接收到的射線光子數成正比，因此，用這種方法可將樣品吸收射線的情況記錄下來。
為了將無反沖共振吸收的情況在圖譜上清晰地顯示出來，在測量時常利用多普勒效應對射線的能量進行調制。所測到的穆斯堡爾譜，其橫坐標為放射源的運動速度，也稱多普勒速度；縱坐標為吸收計數（見下圖）。圖中曲線稱為多普勒速度譜。利用多普勒效應的措施是將射線源安放在一個做恒加速度運動的振子上，光子的能量可隨著振動方向和速度大小在一定范圍內進行調制。當速度為零時，光子的能量不變，核共振吸收達到最大值。當振子的速度增大時，核共振吸收減少，速度達到時，共振吸收遭到完全破壞，當速度為負時，也會有同樣的結果。
測量條件
放射源：穆斯堡爾效應的測量對放射源的主要要求是發出沒有能級分裂的射線，有高的無反沖分數。常用的放射源是。通常是將擴散到無磁性薄膜中作放射源。從母核衰變為激發態的，退激時發射能量為的射線，無反沖分數可達。的半衰期為270天，適合用于實驗工作，其次是。
吸收體：穆斯堡爾效應的測量對吸收體（即所要研究的樣品）的制備工藝無嚴格要求。樣品的厚度必須合適，一般對鐵及鐵合金樣品厚度取為宜。太薄信號太弱。太厚時、線譜的形狀將由飽和效應而失真，直徑取即可。多晶粉末樣品需要粘結和壓制而成薄片狀，為了避免射線的散射，要用低原子序數的物質作粘結劑。
環境：穆斯堡爾效應對環境的依賴性很高，細微的環境條件差異會對穆斯堡爾效應產生顯著的影響。在實驗中，為減少環境帶來的影響，需要利用多普勒效應對射線光子的能量進行細微的調制。具體做法是令射線輻射源和吸收體之間具有一定的相對速度，通過調整的大小來微調整射線的能量，使其達到共振吸收，即吸收率達到最大，透射率達到最小。
測量步驟
（1）將放射性原子核束縛于固體晶格中制成穆斯堡爾源，穆斯堡爾源中的原子核發射射線，并由核激發態躍遷到基態；
（2）通過放射源和吸收體之間相對運動的多普勒效應，使射線的能量有一個微小的調制；
（3）經調制后的射線在吸收體中同種穆斯堡爾原子核上引起共振吸收；
（4）測量透過吸收體的射線計數與調制能量（即與多普勒速度）的關系，就是透射穆斯堡爾譜（穆斯堡爾吸收譜）；
（5）測量共振吸收后散射體再發射的射線或內轉換電子或射線（一般從背面測量）與調制能量（即與多普勒速度）的關系，就是散射穆斯堡爾譜。
結果分析
通過測量透過吸收體的光子計數，所得到的穆斯堡爾譜稱為透射穆斯堡爾譜。如果測量由吸收體散射后的光子計數得到的穆斯堡爾譜，稱為散射穆斯堡爾譜（或背散射穆斯堡爾譜），即吸收體共振吸收后處于激發狀態，再向基態躍遷時發射出射線，又稱二次光子。共振吸收時，發射出二次光子數目最多。在透射穆斯堡爾譜中，因吸收發生共振時透過計數率最小，所以形成倒立的吸收峰。在散射譜中，由于共振吸收時發射二次光子數目最多，所以穆斯堡爾譜是正立的峰。對于一些簡單的譜，有時對譜圖進行定性分析就可獲得不少有價值的信息，但對于一些復雜物相的譜，必須將實驗譜擬合為一系列理論譜線的疊加，才能由譜得出有價值的信息。
應用
穆斯堡爾效應廣泛地應用于物理學、生物醫學、化學、地質礦物學、材料科學、考古學、冶金學等研究領域，成為了科學研究和分析檢測的一種重要手段，它的各種應用統稱為穆斯堡爾譜學。
物理學
在物理學領域，穆斯堡爾效應是進行基礎研究的重要手段。穆斯堡爾效應在相對論研究中，用于驗證相對論效應的一些重要結論；在核物理研究中，可以用來測量核激發態的磁矩、電四極矩及確定核能級的壽命，并以此來驗證核模型的正確性；在固體物理研究中，研究原子的運動、固體相變特性、電子的狀態、固體缺陷等；在凝聚態物理方面，可用于點陣動力學的研究，也可確定磁超精細相互作用，對鐵磁、硫酸亞鐵磁和反鐵磁質的研究有重要作用，可以確定物質的磁結構。
生物醫學
生物大分子的研究
自20世紀60年代初用穆斯堡爾效應研究氯化血紅素以來，從生物大分子到人體組織或器官的許多生物系統已用穆斯堡爾效應進行了研究，穆斯堡爾效應已成為生命科學研究中的重要手段之一，但主要局限于核，用來研究含鐵蛋白質、生物分子等。其中，利用穆斯堡爾效應對血紅素蛋白、鐵硫蛋白、鐵傳遞蛋白、鐵貯存蛋白及生物化學反應中的催化劑——酶等生物大分子結構與功能的研究已達到相當高的水平。
醫學研究
穆斯堡爾效應在醫學研究領域中的應用主要表現在疾病的診斷、治療效果的評價、臨床醫學以及癌癥治療方面的研究。穆斯堡爾效應作為一種靈敏的診斷手段，用于檢測正常人及病人組織或器官中含穆斯堡爾核的各種不同化合物的種類和數量，為病理學研究提供直接證據，也可以比較治療前后特征化合物的變化，以評價某種治療方法的效果，也可以用來研究環境因素，如電磁輻射等對人體的影響；穆斯堡爾譜可以為某些與血液有關的疾病的診斷治療提供有價值的信息，例如對地中海貧血病、鐮刀狀細胞貧血病、瘧疾等的研究；對高原紅細胞增多癥患者紅細胞的穆斯堡爾譜研究，可以發現與正常人譜的差別，從而查找出病因；對乙型肝炎血液的穆斯堡爾譜研究，可發現譜參數都有較大差別；用共振穆斯堡爾幅射治療癌癥的研究表明，該方法可能成為無副作用治療癌癥的有效方法。
化學
穆斯堡爾效應涉及固體中核集團激發態和基態能級間的共振躍遷，因此核的能級結構決定著譜形狀及諸參量，而共振核的能級結構又決定于核所處的化學環境，所以穆斯堡爾譜能極為靈敏地反映共振原子核周圍化學環境的變化，由它可以獲得共振原子核周圍化學環境的變化，以及共振原子的氧化數、自旋態、化學鍵的性質等有關固體微觀結構的信息。如，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，因為晶態固體的穆斯堡爾譜參量都有確定的值，共振譜線尖銳；而非晶態固體，由于穆斯堡爾譜參量是連續或準連續分布的，因而共振譜線較寬。
地質礦物學
確定礦物中鐵的信息
通過穆斯堡爾效應分析樣品中鐵的氧化態、電子組態和配位數，可測定礦物中陽離子位置分布及有序無序程度（與礦物成因有關）、測定和在各種礦物相中的含量比，以及它們在各種礦物晶體點陣位置上的占有數百分比，從而得出有用的信息。例如，由鐵在巖石或土壤中的價態，提供有關礦物化學演變歷史的信息；由三價鐵與二價鐵的含量可以揭示礦物結晶過程中有關氧分壓的信息；而且從和在不同點陣位置上的占有數，可以獲得某些礦物及其基質巖過去經受的熱和壓力的情況。
研究多相集合物
在火星和石隕石研究方面，通過研究火星黏土及火星樣品結構類似物的穆斯堡爾效應，提供火星粘土的礦物相以及為火星早期是否存在生命提供證據；隕石對于研究太陽系的形成和演化、生命的起源、空間技術等都有科學價值，通過穆斯堡爾效應，可以準確地確定隕石中鐵含量、鐵在各物相中的分布、價態、配位，從而得到隕石質變歷史的信息，并對隕石進行分類。
材料科學
穆斯堡爾效應在磁性材料中的應用主要是物相分析、非晶材料的鑒定、相變研究、確定晶位分布、磁有序化溫度的確定、磁織構和磁有序化類型研究、內磁場及符號的確定、磁弛豫過程的研究等。在納米材料研究中主要用于研究納米尺寸的微晶、薄膜和塊材表面及界面磁性，對材料中原有結構的排列、超精細場分布、磁結構、超順磁性、超鐵磁性和動力學效應等提供重要信息。在新材料研究中的應用突出地表現在對非晶材料、液晶、準晶、高溫超導、有機高分子化合物聚合物、巴基球分子、薄膜和多層薄膜等研究。
考古學
應用穆斯堡爾效應可以判斷古代文物的地理出處、制造工藝、文物年齡及鑒定文物的真偽。不少國家用穆斯堡爾效應研究古陶瓷器、古錢、化石、古窯址、古建筑、古磚瓦、古谷物灰、青銅器、古鐵器、深湖沉積物等出土文物。通過對考古學的研究表明，古陶碎片的穆斯堡爾參數與其產地、顏色和年代有一定聯系。陶器主要原料是黏土，它含有層狀和鏈狀硅酸鹽微晶和鐵氧化物等土壤礦物，根據粘土中含鐵相的熱變化規律以及相應穆斯堡爾參量的改變可以得到考古的有關信息，如原料的物相、燒制工藝（氣氛、溫度和燒結時間）以及老化效應（風化、水化和自然輻照），由老化效應可以估計陶器的年代。
參考資料 >
穆斯堡爾效應與磁結構研究.中國科普博覽.2024-05-29
穆斯堡爾效應的發現.physicsteam.2024-04-21
APPARENT WEIGHT OF PHOTONS.Physical Review Journals.2024-05-29