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穆斯堡尔谱共振

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穆斯堡尔谱分析实验报告

穆斯堡尔谱分析实验报告

穆斯堡尔谱分析实验实验目的：1、了解穆斯堡尔普分析原理2、了解辐射安全防护知识3、能够地定性说明谱线变化4、能够独立制作粉末样品实验原理：穆斯堡尔效应是一种无反冲的γ射线的共振吸收或共振散射效应。

当穆斯堡尔放射源在振子中获得多普勒速度补偿时，它就有可能和吸收体（样品）产生共振吸收。

在共振吸收时，探测器探测到的γ射线强度明显下降，从而可得到样品的共振吸收谱线。

如典型的α-Fe样品谱线共有六个峰，对应于不同的速度值，即不同的补偿能量值。

通用接口送出步进信号给函数产生器。

函数产生器将此序列脉冲分频，获得对称的方波信号，经积分后得到三角波信号，并作为基准信号被送入功率放大器。

同时，对应于三角波的谷点输出正同步信号给通用接口。

振动子处拾波线圈感应的信号也加入到功率放大器，功率放大器放大基准信号和感应信号的差值，将其送入到振动子的驱动线圈上。

在电磁力和弹性力共同作用下，使振动子的连杆系统往返运动。

由于放射源是装在连杆系统上，从而可获得多普勒速度补偿。

探测器探测到未被吸收体吸收的γ射线，经过光电转换后得到负脉冲信号，并经放大器放大后送入模数变换器，再通过高压，放大器和模数变换器的上、下阈调节，选择出对应于第一激发态能量的信号。

所选择的信号通过通用接口，在软件控制下送入到计算机内，显示谱曲线，并进行分析。

改变加到驱动线圈上的信号，从而改变放射源的运动速度，可得到不同速度的共振吸收谱。

普通穆斯堡尔系统的主要构成：典型的等加速穆斯堡尔谱仪由电磁震动器、波形发生器、负反馈放大器、伽玛射线探测和记录系统组成。

Fast mossbouer 系统的主要构成和原理示意图：•PC-based Mossbauer Systems IncludesPC 控制Mossbauer 测量系统包括•MA-250A Mossbauer Velocity Transducer 速度变换器•MR-351A Mossbauer Control/Function Generator控制功能发生器•MCA-3 Multichannel Data Processor/dual MCS MCDWIN Software 多通道数据处理软件•NHQ-103M HV3kV, up/down ramp 4mA, Digital Display, Volt/Current limit, RS232C高压电源•PAS-2 Prop. Counter Preamp/AMP/TSCA 正比计数前置放大•DS7030 200 Watts, 6 Voltages, OVP 电源•Opt-1 Sourceholder and Source Shield 放射源架及屏蔽体•Opt-3 Set of Cables-BNC/LEMO, BNC, MHV SHV,and BNC-,LEMO T-Conn.电缆接头•MB-100 Mossbauer Bench 100cm 支架•PC-MOSII Extended Mossbauer Analysis Program 谱分析软件•45431 Prop. Counter 1 at Kr 正比计数器• CM7070 8k ADC 100MHz, SCA Output for Moss. 模数转换器实验步骤介绍样品制备1）将Fe-C粉末与胶质混合后压延为薄片。

穆斯堡尔效应原理1_lx-1

穆斯堡尔效应原理1_lx-1
• 反冲能传给整个晶体及晶格振动。
ER =Etr Evib
• Etr: 传给整个晶体反冲的能量，很小，可以忽略。 • Evib: 传给晶格振动的能量。
穆斯堡尔谱学原理
• 穆斯堡尔实验——解释
• 如果反冲能小于晶格特征振动能量（声子能 量），发射γ射线前后，晶格处于零声子态， 没有声子发射，Eγ完全等于激发态与基态的 能量差E0。
穆斯堡尔谱学原理
• 概述
• 最常用的（室温下）穆斯堡尔同位素：
• 57Fe(14.4keV)、119Sn(23.8keV)、151Eu(21.5keV)
广泛研究 较难研究 很难研究
穆斯堡尔谱学原理
• 概述
• 这一效应对γ射线的固有能量分辨率极高， 因此可用来研究原子核与周围环境的超精细 相互作用引起的原子核能级及其微小的变化， 已成为研究物质微观结构的有力的分析手段。
汞原子 4.9eV 5.6*10-9eV 7.5*10-11eV
198Hg原子核 412keV
1.8*10-5eV 0.46eV
穆斯堡尔谱学原理
• 原子核的共振吸收
• 原子核发射γ时原子核获得的反冲动能为：
ER P2 / 2M • M为原子核质量，Pγ为光子动量，与能量的关系：
P E c
• 核的反冲动量Pn与Pγ大小相等、方向相反，反 冲动能ER是由原子核内部激发态返回基态时 提供的，因此激发核在退激发时发出的γ射线 能量Eγ比相应的跃迁能量E0要小ER：E E0 ER
• 在原子体系中。可以观察到原子光谱的共振 吸收。如钠光源下钠原子蒸汽的特征黄光。
• Na原子发射Na-D线能量E0=2.1eV，能级宽度4.4* 10-8eV，发射时反冲能量约10-10eV，小于能级宽 度。

穆斯堡尔谱

穆斯堡尔谱
要想吸收体中某种核发生共振吸收，就必须具有能发出相应于这种核跃迁能量的γ光子的放射源.。一般放射 源发射的只是一或二种能量的γ光子，这就不能形成穆斯堡尔谱。但使放射源相对于吸收体运动，利用多普勒效 应来调制γ射线的能量，可以得到一系列不同能量的γ光子。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。
主要的不足之处是：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57Fe和119Sn等少的穆斯堡尔核得到了充分的应用。 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。
定义
原子核无反冲地发射或共振吸收射线的现象后来就称之为穆斯保尔效应。 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.尤其是尚未发现比钾( K)元素更轻的含穆斯堡尔核素的化学元素.大多数要在低温下才能观察到, 只57 Fe的 1414keV和119Sn的 23. 87keV核跃迁在室温下有较大的穆斯堡尔效应的几率.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。
感谢观看
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。以57Fe核14.4Kev的跃迁为例，自然线宽ΓH为4.6x10-9eV，能量分辨率约为10-13的量级 （原子发射和吸收光谱的能量分辨率在理想情况下可达10-8的量级），因此它是研究固体中超精细相互作用的有 效手段。如今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。

穆斯堡尔谱

穆斯堡尔谱

V (r ) =
V (r ) =
Ze r
Ze R r (3 （4）
(r ≤ R )
因此，有限体积原子核的静电能量为
E=
Zeρ R
∫
R
0
2 2 2π r R (3 2 − 2 R 2 − r ) 4πr dr = − 5 ZeρR =
2
2π 5
Ze 2 R 2 φ (0)
俘获一个 K 层电子时，形成处于高激发态的 57Fe，它分别有 9％和 91％的概率辐 射 137keV 和 123keV 的γ射线跃迁至第一激发态和基态。 当 57Fe 原子核由第一激发 态跃迁至基态时，辐射出穆斯堡尔实验所需的 14.4keV 的γ射线。119mSn 源是通过 中子辐照 118Sn 来获得的。 亚稳态的 119mSn 衰变到处于激发态的 119Sn， 然后跃迁到 基态发射出 23.875keV 的 γ 射线为穆斯堡尔实验所用。 为了观测到无反冲的γ射线 吸收现象，一般采用将穆斯堡尔源的放射性同位素扩散到固体晶格（基质材料） 中，对于
2
（5）
其中 Ze 为 核电荷， φ (0) 为核处的电子波函数， ρ 为电子密度。 原子核在激发态和基态时的半径不同， 因此原子核在激发态与基态之间的跃迁 中，由于静电相互作用所引起的γ射线能量改变为
∆E = δE e − δE g =
2π 5
2 Ze 2 φ (0) ( Re2 − R g )
2
γ 射线吸收强度随着温度降低而增强这一与当时共振吸收观点不一致的 “反常” 现
象。穆斯堡尔及时敏锐地抓住这个“反常”现象，以严谨的科学态度从实验上进 行了多次重复，证实了其实验结果的可靠性，最终认识到在他的实验中共振原子 核是置于紧束缚的晶格中，部分原子核在发射和吸收 γ 射线时，消除了反冲能量 的损失，实现了无反冲共振吸收。他在两年多的时间内从实验上和理论上对这一 “反常”现象进行了解释，攻下这个当时许多物理学家为之努力近三十年而未能 解决的难题。穆斯堡尔实验非常精确，具有非常高的能量灵敏度，利用它可方便 地研究共振核与周围环境的超精细相互作用，为研究物质的微观结构提供了十分 重要的信息，而且对设备的要求相对简单，可以在一般大学实验室中进行。因此， 在很短时间内，这个效应便得到公认，并付诸于应用。由于穆斯堡尔本人在这方 面做出的杰出贡献， γ 射线无反冲共振发射和吸收现象被命名为穆斯堡尔效应， 并 于 1961 年被授予诺贝尔物理学奖。利用穆斯堡尔效应研究物质微观结构已经发展 成为一门独立的学科穆斯堡尔谱学，它是迄今为止能量分辨本领最高的物理研 究手段。经过四十多年的发展，穆斯堡尔谱学已在物理学、化学、生物学、地质 学、冶金学、材料科学、环境科学以及考古学等科学的领域中得到了广泛的应用。 3.11.18.1 穆斯堡尔效应无反冲 γ 射线共振发射和吸收 共振吸收是自然界存在的一种普遍现象。在 1929 年后的二十多年的时间内， 不断有人试图通过实验来观测 γ 射线共振吸收现象，但是都没有成功，其原因是 由于他们没有考虑和解决自由原子核在发射 γ 射线时存在反冲作用所产生的影 响。 自由的激发态原子核在发射γ射线时将发生反冲,其反冲能量 E R 为 ER ≅

穆斯堡尔谱仪操作规程

穆斯堡尔谱仪操作规程

穆斯堡尔谱仪操作规程穆斯堡尔谱仪是一种用于研究物质中的核共振吸收谱的仪器，在核物理、材料科学等领域有广泛的应用。

下面是穆斯堡尔谱仪的操作规程。

1. 仪器准备a. 确保穆斯堡尔谱仪所在的实验室或房间的环境符合实验要求，无干扰物。

b. 检查穆斯堡尔谱仪的电源和冷却系统是否正常，确保仪器的稳定运行。

c. 检查探测器和样品台的清洁程度，必要时进行清洗。

d. 校准仪器，确保数据的准确性。

2. 样品制备a. 选择合适的样品，确保其具有较好的结晶和纯度。

b. 确定样品的形状和大小，将其固定在样品台上。

c. 需要对样品进行特殊处理时，如加热、冷却、加压等，应按照实验要求进行操作。

d. 样品台应与探测器尽可能接近，确保信号的最大捕获。

3. 实验参数设置a. 设置合适的探测器位置和角度，以获得最佳的信号强度和分辨率。

b. 设置合适的回波时间（echo time），以确保实验过程中所需的时间范围内捕获足够多的数据。

c. 设置恒定的温度和压力条件，以保证实验的稳定性。

4. 数据采集和分析a. 开始实验后，采集一段时间内的信号数据。

b. 对采集到的数据进行预处理，如背景噪声的去除和信号的平滑处理。

c. 对处理后的数据进行分析，如峰位的测量、谱线的展宽和形状的分析等。

d. 根据实验需要，可以进行谱线拟合和多重谱的分析。

5. 结果记录与分析a. 记录实验过程中的关键参数和操作步骤。

b. 分析实验结果，查找和解释出现的谱线特征和现象。

c. 结果的解释应基于已有的理论知识和实验结果，提出合理的解释和结论。

6. 仪器维护和清洁a. 实验结束后，及时关闭仪器的电源和冷却系统，并进行清洁。

b. 定期维护仪器，如更换探测器和样品台，检查仪器的机械部件和电子元件是否正常工作。

c. 如发现故障或异常，及时联系仪器维修人员进行维修和处理。

7. 安全注意事项a. 在操作过程中，注意保护眼睛和皮肤，避免接触到有毒或腐蚀性物质。

b. 严禁在没有操作人员的情况下使用仪器。

穆斯堡尔谱解析

穆斯堡尔谱解析

穆斯堡尔谱解析穆斯堡尔谱解析穆斯堡尔效应是指铁族元素或其同位素的核自发辐射与晶格震动相互作用时发生的一种物理现象。

穆斯堡尔效应在化学、物理、材料学等领域具有广泛应用，可以提供原子、分子、离子的详细结构信息。

而穆斯堡尔谱谱图解析对于这些领域研究的进展至关重要。

1. 穆斯堡尔谱的基本原理穆斯堡尔谱是具有高分辨率、高灵敏度和高选择性的核磁共振技术。

其分析基本原理是通过核固有的自旋取向状态、核波矢的变化和与外部场的相互作用等，反映出核的周围电子和所嵌入的物质的性质。

2. 穆斯堡尔谱的特点穆斯堡尔谱谱图可以提供一些特定的定量信息，如原子核的价态、配位数、离子半径和联合程度等。

另外，穆斯堡尔谱不受样品形态和状态的限制，可以研究固体、液体、气体甚至是生物物质。

3. 穆斯堡尔谱解析的应用穆斯堡尔谱谱图解析在化学、物理、材料学等领域具有广泛应用。

常用于研究催化机理、氧化还原反应、电子转移、氧化剂和还原剂的定量分析、晶格缺陷及其影响等方面。

在材料学中，穆斯堡尔谱谱图解析可以解析纳米材料的晶格结构、表面化学和电子结构中的差异，研究材料的磁性、力学性质和温度依赖性质等。

4. 穆斯堡尔谱谱图解析的挑战穆斯堡尔谱谱图往往存在多峰性和线宽广的问题，因此解析谱图具有一定的挑战性。

针对这些问题，研究人员发展了多种定量分析方法和数据处理技术，如傅立叶变换、小波变换、能量拟合等。

5. 结语穆斯堡尔谱谱图解析是一项复杂而又具有广泛应用的技术，具有提供描述化学反应机制和研究材料性质的重要价值。

未来，在物理、化学、材料科学等领域中，穆斯堡尔谱谱图解析将会成为研究的关键手段。

论穆斯堡尔谱效应及其在陶瓷领域中的应用

论穆斯堡尔谱效应及其在陶瓷领域中的应用摘要：本文简单介绍了穆斯堡尔效应、57Fe穆斯堡尔谱仪的结构与基本原理，以及在陶瓷领域中的应用。

把穆斯堡尔的方法运用到陶瓷领域中，将为陶瓷界带来更多的益处。

关键词：穆斯堡尔谱；效应；原理；陶瓷；应用1前言2穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应是由德国科学家穆斯堡尔(R﹒L﹒Mssbauer)于1957年发现的。

在1961年获得了诺贝尔物理学奖。

这个效应实质上是无反冲核的γ射线共振吸收效应。

它是核能级之间跃迁产生的，具有一定能量的γ射线辐射的一种共振吸收现象。

2.1共振吸收共振吸收是常见的物理现象。

例如，两个固有频率相同的音叉放在一起时，如果一个音叉受到击打而发出声音，那么另一个未受击打的音叉也会吸收前一个音叉的能量，跟着振动，并发出相同的声音，这就是共振吸收现象。

同样，当具有一定能量的γ射线辐射到含有某种原子核的物质上时，当这个能量恰好等于该物质原子核的基态与激发态之间的能量差时，则这个原子核就会对辐射的γ射线产生共振吸收（如图1）。

2.2多普勒效应多普勒效应也是一种物理现象。

在科学意义上，多普勒效应定义是：当一个发射电磁波或声音的辐射体，由于它相对于观察者运动而改变了辐射体电磁波或声音的频率。

也就是说改变了辐射体电磁波或声音的能量。

这种改变的现象即为多普勒效应。

这个效应运用到能量为Er的γ射线辐射体时，如果这个辐射体放在运动着的载体上，那么它辐射γ射线的能量就会发生改变，其改变的能量数值为：ΔEs=（V0／C）·Er。

显然，辐射γ射线的能量的改变与辐射体载体的运动速度V0与光速C之比成正比。

2.3反冲现象与反冲能量当炮弹从炮管发射时，会产生后推的反冲力，同时使炮弹运动的能量相应有所减少，这就是反冲现象。

同样，当原子核发射γ射线时，原子核本身会受到反冲作用，并产生反冲能量。

这样，发射出来的γ射线能量Er将等于原子核激发态与基态之间的跃迁能量减去反冲的能量，即Er=（Ee-Eg）-ER（式中，Er为γ射线辐射的能量，Ee为原子核的激发态能量，Eg为原子核的基态能量，ER为反冲能量）。

1.4 穆斯堡尔效应

实验1.4 穆斯堡尔谱一、引言1957年，德国的穆斯堡尔（R. L. Mössbauer）意外发现（论文在1958年发表），嵌入固体晶格中的放射性原子核在发射γ射线时有一定的几率是无反冲的；发射的γ光子具有全部核跃迁能量。

同样，嵌入固体晶格中处于基态的核在吸收γ射线时也有一定的几率是无反冲的。

原子核无反冲发射γ射线和无反冲共振吸收γ射线的现象被命名为Mössbauer效应。

无反冲的几率常被称为无反冲分数f。

Mössbauer效应的一大特点是可以得到很窄的共振吸收（或发射）谱线。

如对于常用的Fe的14.4keV的γ射线，其自然宽度Γn为4.7×10-9eV，理想的Mössbauer共振线宽Γ略大于2Γn，约10-8eV量级，其相对的能量分辨率Γ/Eγ~6×10-13。

而对于67Zn的93keV的γ射线，其Γ/Eγ~1×10-15，有很高的能量分辨率。

用67 Zn的Mössbauer效应可以在实验桌上做广义相对论引力红移实验。

还有人发现，对109Ag的88 keV的γ射线，其相对的能量分辨率可达10-22数量级。

由于Mössbauer效应有极高的能量分辨率，以及γ射线可以方便地将物质内部信息携带出来等优点，Mössbauer效应一经发现，很快就在物理学、化学、磁学、地质学、生物医学、物理冶金学、材料科学、表面科学、考古学等许多领域得到广泛应用。

R. L. Mössbauer于1961年获得了诺贝尔物理奖。

二、实验目的1. 了解穆斯堡尔效应、穆斯堡尔谱学和穆斯堡尔谱仪的基本原理。

2. 掌握穆斯堡尔谱和穆斯堡尔谱基本参数的测定方法。

三、实验原理1. 穆斯堡尔效应设原子核A衰变到原子核B的激发态B* ，然后从激发态B*退激到基态B，发射出γ光子（图1），当这个光子遇到一个图1 γ光子的发射和吸收同样的原子核B 时，就应被共振吸收。

穆斯堡尔谱原理及应用

实验环境的控制
为了获得准确的实验结果，需要控制实验环境的 温度、压力等因素，以减少外部因素对实验结果 的影响。
03 穆斯堡尔谱在材料科学中 应用
金属与合金材料研究
相变研究
利用穆斯堡尔谱可以研究金属与 合金中的相变过程，如马氏体相 变、贝氏体相变等，揭示相变过 程中的原子结构和化学键变化。
缺陷与扩散研究
02
原子核能级的精细结 构
穆斯堡尔效应揭示了原子核能级的精细 结构，这种结构使得不同原子核在相同 条件下吸收或发射的γ射线能量有所不 同。
03
原子核与周围环境的 相互作用
原子核所处的化学环境、电子环境等 都会对其能级结构产生影响，进而影 响穆斯堡尔效应。
穆斯堡尔谱定义
01
γ射线能量与吸收系数的关系
穆斯堡尔谱与能级结构的关系
通过分析穆斯堡尔谱的峰位、峰宽和峰强等参数，可以了解原子核的能级结构以及其与周围环境的相互 作用等信息。这些信息对于研究原子核的性质和核反应机制具有重要意义。
02 穆斯堡尔谱实验技术
放射源与探测器
放射源
通常使用穆斯堡尔同位素作为放射源，如57Fe、119Sn等。这些同位素能发射 出具有特定能量的γ射线，用于穆斯堡尔谱的测量。
06 穆斯堡尔谱在其他领域应 用
地球科学中同位素年代测定
测定岩石和矿物的 形成年代
利用穆斯堡尔谱可以测定岩石 和矿物中放射性同位素的衰变 产物，从而推算出它们的形成 年代，为地质年代学研究提供 重要依据。
研究地球化学过程
通过分析不同地质体中同位素 的分布和组成，可以揭示地球 化学过程的机制和演化历史， 如壳幔相互作用、板块运动等 。
05 穆斯堡尔谱在生物医学中 应用
药物作用机制研究

穆斯堡尔谱

ຫໍສະໝຸດ 224π 5
Ze 2 R 2 ( ∆RR )[ φ (0) A − φ (0) S ]
7.60 7.55
2
2
（7）
其中 ∆R = Re − R g ， R = 放射源
e
E0 Es E0
计 数 10
吸收体
EA
6
7.50 7.45 7.40 7.35 7.30
δ
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 -1.2 -0.9 -0.6 -0.3
Eγ2 2 Mc 2
（1）
若 原 子 核 的 第 一 激 发 态 和 基 态 能 级 差 为 E0 ， 则 发 射 的 γ 射 线 能 量 为
Eγ = E 0 − E R 。同理，处于基态的相同原子核也会发生反冲，吸收的 γ 射线能量
是 E a = E 0 + E R 时才能实现共振吸收。由于自由原子核的反冲能量远远大于 γ 射 线能量谱线的自然宽度（约 100 万倍） ，因此不可能观测到共振吸收现象。 直到二十世纪五十年代， 默恩 (P.B. Moon) 才从理论上分析了由于反冲引起的 能量变化，并通过使放射源与吸收体之间作相对高速运动而产生附加多普勒能量
穆斯堡尔谱测量大多数采用透射式谱仪，但是在研究样品表面微观结构信息 或对很厚的样品进行无破坏分析时一般采用背散射式谱仪。在透射式谱仪中，主 要是测量透过样品的 γ 射线强度随γ射线能量的变化；在背散射谱仪中，主要是测 量γ射线被测样品共振吸收后所释放出次级辐射的强度随能量的变化。为了完整测 量共振谱线，必须使 γ 射线的能量在一定范围内变化。穆斯堡尔实验通常采用使 放射源和吸收体之间作相对运动的方式，通过多普勒附加能量来调制 γ 射线的能 量。若吸收体静止，放射源以速度 v 沿直线朝向吸收体运动，则调制后的 γ 射线 能量 E 为
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47
弛豫效应
N
L
原子核共振能级的平均寿命 原于核的拉摩进动时间
种物相或若干组超精细场的叠加，所以需要计算机拟合解谱。
洛伦兹线型：
一般用加权最小二乘法，使下式最小
用 q i 表示待求参数，使上式达到最 小，需满足
2 0 qi
20

电单极相互作用——同质异能移位

电四极相互作用——四极分裂
磁偶极相互作用——核塞曼分裂


电和磁超精细相互作用的耦合
21

E E
～1011
，具有很高的能量分辨本领
12
有46种元素，92种原子核，112种跃迁观察到穆斯堡尔谱效应
最常用的的穆斯堡尔同位素
13

穆斯堡尔实验装置
使用多普勒效应，通过放射源相对吸收体作一定方式的运动来调制γ射 线的的能量。
14

穆斯堡尔谱仪
背散射式谱仪
透射式谱仪
57
Fe
15

等加速透射式穆斯堡尔谱仪
191 76
Os
74keV
在室温可以观测到一定的共振吸收。
1958年，穆斯堡尔在研究
191

Ir 的
129keV γ共振吸收时发现，将放射 源和吸收体的温度降至液氮温度时，

42keV
共振荧光反而增加。
129keV
191 77
Ir
8

束缚在晶体内的原子核发射或吸收γ量子时，一般会使吸收反 冲动量的晶格的振动状态发生变化。由于内能的量子化，晶体 只能不连续地吸收反冲能量，随着降低温度，内部能态被激发 的几率越来越小，因此对于一部分进行量子跃迁的γ射线而言， 晶体将作为整体来吸收反冲动量。在这情况下发射或吸收的γ 量子的能量实际上不会受到损失，因而能理想地满足共振条件。
57
根据不同相对应的谱线围成的面 积可以确定不同相的成分比
Ai fi NiGi ( x) Aj f j N j G j ( x )
45
c.相变
1 2 EQ e qQ (3cos 2 1) 2
E（ Q T TM ) E（ Q T TM ) 0.43mm / s 2 0.22mm / s 1

对于取向随机分布的多晶样品，分裂的谱线强度相等。但某些情况下，由于 原子振动的各向异性(例如表面原子的振动常常是各向异性的)，因而引起相 应无反冲分数f的各向异性，将会得到不等强度的双线。
对于核自旋 I>3/2的情况要复杂的多，对于 129 I 的穆斯堡尔谱， ， 2 2 根据选择定则 mI 0, 1 ，四极分裂将引起8条亚谱线。 在固定的穆斯堡尔核的情况下，影响四极分裂的因素是吸收体核的核外环境， 即由（EFG）确定。因此，四极分裂值能直接反映穆斯堡尔核周围环境的对 称性。
4

原子核跃迁的能量比原子跃迁的能量大得多
γ
e
5

由于γ光子的能量比较高，原子核发射γ光子时受到反方向的冲量不可 忽略，根据能量守恒和动量守恒，反冲能为：

2Mc 2 自由原子核发射γ射线后的反冲能量
ER
E2
ER
E2 2Mc
3 8 ～ 10 eV ～ 10 eV 2
Γ～ℎ /τ
起源于原子核电荷与核所在处的电子电荷密度分布间的库仑相互作用。 对于半径为R的核，其静电势为：ຫໍສະໝຸດ r≥R r≤Rr R

有限体积原子核的静电能：
22

原子核在激发态和基态的原子半径不同， 由于静电库仑作用所引起能量 位移
Re
Rg
23

在穆斯堡尔实验中，比较放射源能量 ES 和吸收体能量 EA 的差别可 以得到净同质异能移位
42

研究物质结构、相成分和相变
a.鉴定物质结构形态
Al-Fe合金体系 中Al-Fe不同结 合方式的穆斯 堡尔谱
43
利用穆斯堡尔谱可以 鉴定非晶态磁性材料， 并能鉴别非晶态样品 中是否存在少量晶态 成分
44
b.相成分
含 Fe 为0.019at%的铝 箔在室温时有两相共存， 其一为α相，由少量的Fe 溶于体心立方结构的Al中 形成，其二为θ相，系金属 间化合物 Fe4 Al13
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放射源
放射源应该给出较窄的洛伦兹谱线，激发态的半衰期最好处 在0.1-1us； 放射源应辐射单线洛伦兹谱线，放射性原子应处在非磁性材 料的立方对称的等价晶格位置上； 放射源中的穆斯堡尔核应该具有较大的无反冲因子f (>1%)； 作为放射源基质材料其化学性能应该稳定； 基质不应该形成增强本底的因素。

注意： 1、如果激发态核半径和基态核半径不等，同质异能移就可以不为零； 2、同质异能移与核周围的电子配置情况有关，因此可以得到化学键性 质、价态、配位基的电负性等化学信息； 3、如果放射源中原子所处的化学状态和吸收体完全相同，则同质异能 移为0； 4、以不同基体的穆斯堡尔源去测同一吸收体，所得同质异能移不同。
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如果反冲能量小于晶 格特征振动能量（声 子能量）有一定几率
不与晶格交换能量的 过程，也就是无反冲 过程。完全没有反冲 能量损失的发射和吸 收过程。
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无反冲共振吸收过程的几率 f ，f 称为兰姆-穆斯堡尔分数或德拜-瓦莱 （Debye-Waller）分数。
x 2 为热振动原子核射线方向上偏离平衡位置的位移对时间t
28

57
Fe 的电四极相互作用,3/2 和1/2之间的跃迁：
对于单晶双峰相对强度： θ为γ前进方向和电场梯度主轴间的夹角
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原子核处的（EFG）的来源：
①原子核周围电子云的电荷分布的不对称。例如来自满壳层的电子对的极化， 或者来自未充满的电子轨道上非球形对称分布的电子；
②近邻电荷。例如配合基，近邻离子。对于离子性晶体，这影响特别重要。

Fe原子自旋方向由0转到π/2
Fe1.96 Ru0.04OS 在不同温度下的四
极分裂值随温度的变化曲线
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磁学中的应用
自穆斯堡尔效应发现以来，在磁学和磁性材料研究中就占 有重要的地位，也是研究工作最多和最集中的领域。
40多种穆斯堡尔元素中,
57
Fe 核素具有良好的性能，如可在室温和高温下
5 7


30

原子核的角动量 原子核的磁矩
PI
I (I 1)
e uI g N ( ) PI 2M p
原子核与磁场H 作用分裂的亚能级：
E uIz H
其中
e uIz g N ( )mI g N uN mI 2M p
mI I , I 1,
, I 1, I
E g N uN mI H
的均方值
x2 (t )
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随着温度的降低，原子被更为牢固地 束缚在晶格上，因此无反冲分数增大。 这就是穆斯堡尔观测到共振吸收强度 随温度降低而增加的原因。 同类原子核发射出和吸收到的γ射线能 量完全相同。
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,这正是穆斯堡尔效应具有极高能量灵敏 度的根源。
E g N uN H
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对于I :3/2↔1/2
选择定则：
I 1

mI 0, 1
磁场的来源
H Hhf Hex
Hhf HC H L H D
H C ——费米接触场
H L——轨道场
H D——自旋偶极场
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H C ——费米接触场

来自于原子核中s电子分布的自旋密度极化的贡献，对于所有自旋向上和
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二次多普勒效应
引起二次多普勒能移δT，这种效应起源于穆斯堡尔核的热运动引起的多 普勒效应，它叠加在同质异能移上，共同决定谱线“重心”的位置。
原子核在其激态寿命内进行了多次振荡
因此二次多普勒能移为
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核电四极矩与原子核处的电场梯度的相互作用。 对于核自旋的原子核，由于核内电荷分布的非对称性而产生核电四极 矩 eQ , 电四极矩 eQ 是衡量核电荷分布偏离球形对称的程度的张量。
放射源（S) 吸收体（A)
其中：
R
1 ( Re Rg ) 2
R Re Rg
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同质异能移位取决于： 1、与原子核有关的因子（原子核半径及其变化） 57 如在 Co 中 Re Rg ，119 Sn 中 Re Rg 2、与核外电子有关的因子（原子核处电子电荷密度） 如对于放射源在不同基体中 57Co( Rh) ,57Co( Pd ) 原子核处的电子密度不同
应用、有较长的寿命和较高的分辨率、适宜于一般条件下的应用；
Fe又是绝大多数磁性材料的重要组成成分，在获得多种多样的内禀磁性和技
术磁性中起着重要作用。 磁学中穆斯堡尔谱主要是研究内磁场及其分布，区别各种磁相，求出磁性转 变温度，局域磁矩，以及有序无序结构的转变等等。
研究磁性材料中Fe的微观环境及其变化规律是当 代磁学中的重要课题之一。
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常见的放射源：
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吸收体
吸收体在绝大数情况下为粉末形式，少数为单晶体。
对于粉末样品，通常将粉末样品与适当的载体物质相混 合，然后压制成厚度适当的薄片作为吸收体。载体要求对
射线是惰性的，一般选用有机化合物，如人造荧光树脂、
万能胶等。
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曲线拟合
实验测得的穆斯堡尔谱线绝大部分是比较复杂的，即大多数是多
设
Vzz eq
(Vxx Vyy ) / Vzz
其中 eq 为电场梯度张量的主分量，η为非对称参数，0 1

对于自旋为 I ，磁量子数为 mI ，电四极矩为 eQ 的原子核，在电场梯度 为 eq 时，其四极裂距为：