穆斯堡爾譜學(xué)研究論文綜述

1、東南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名林海學(xué)號(hào) 10309102指導(dǎo)教師 寇朝霞日期2012-04-24座位號(hào)報(bào)告成績實(shí)驗(yàn)名稱 穆斯堡爾譜學(xué)研究一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解穆斯堡爾效應(yīng)基本原理2、學(xué)習(xí)測(cè)定 -Fe 的穆斯堡爾譜并解譜實(shí)驗(yàn)原理穆斯堡爾效應(yīng)是一種原子核無反沖的 射線共振吸收或共振散射現(xiàn)象。由于核激發(fā)態(tài)有一定壽命， 相應(yīng)的躍遷譜線寬度很窄， 而核發(fā)射的 射線能量較大， 造 成核的反沖， 所以即使考慮到熱運(yùn)動(dòng)的多普勒展寬造成的發(fā)射譜線與吸收譜線的重疊， 一般 也無法觀察到核共振吸收現(xiàn)象。 穆斯堡爾考慮把靶原子核鑲嵌在晶格中， 發(fā)射 射線時(shí)帶著 整個(gè)晶體一起反沖， 這樣的反沖很小， 有很大的概率觀察到核共振吸收

2、現(xiàn)象， 這就是穆斯堡 爾效應(yīng)。(一) 射線共振吸收1、譜線的自然線寬射線存在一定的線寬，譜線核的激發(fā)態(tài)存在有限長的壽命 ，回到基態(tài)時(shí)發(fā)出的強(qiáng)度與光子頻率 之間有關(guān)，為：I( )(0)2 412即洛侖茲線性。將E=h/2 代入，I(E)1(E E0)2 4 24則當(dāng) E E0/2 時(shí) I(E)強(qiáng)度下降為最大值的一半，這時(shí)曲線寬度為 / ，稱為譜線的自然線寬 。2、自由原子核的反沖 由能量、動(dòng)量守恒定律可知核反沖能量ER 為：E 2E0222 2Mc 2 2Mc 2212p ERMu R2 2 M即 M 越大，反沖能量 ER越小。如以 57Fe為例， E0=14.4keV ，則有 ER 210-3

3、eV 比自然 線寬大得多。故對(duì) 57Fe，當(dāng)譜線不存在其他展寬，發(fā)射與吸收譜線之間不存在任何重疊， 所以不可能觀察到 射線的共振吸收現(xiàn)象。3、多普勒展寬由相對(duì)論性的多普勒效應(yīng)DT E v2 E kT 2 10 2 eV室溫下的多普勒效應(yīng)不是觀察到的 57Fe 發(fā)射射線的共振吸收。(二) 穆斯堡爾譜線的強(qiáng)度和寬度原子發(fā)射 射線時(shí)，反沖能量一般不足以激發(fā)聲子，則發(fā)射前后晶格處于相同的狀態(tài)， 這種無聲子躍遷過程的概率稱為無反沖分?jǐn)?shù)f?？梢宰C明，每發(fā)射一個(gè) 光子傳遞給晶格的平均能量等于核自由反沖時(shí)的能量 ER，即 Lipkin 求和定則：E(nf ) E(ni) P(nf,ni) ER nfE(ni)

4、和 E(nf) 分別代表發(fā)射 射線前后晶格初態(tài)和終態(tài)的能量，P(nf,ni)表示發(fā)射 射線時(shí)晶格由初態(tài) |ni躍遷到終態(tài) |nf 的概率。穆斯堡爾譜線的強(qiáng)度和寬度具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 無反沖分?jǐn)?shù) f 隨波矢 k0 的增加而減小。 晶格的愛因斯坦溫度或德拜溫度越高，無反沖分?jǐn)?shù) f 越大。 較高溫度時(shí)，振子將被激發(fā)到具有較高量子數(shù) n 的能級(jí)上去，這時(shí)無反沖分?jǐn)?shù) f 減小。而在低溫時(shí)，原子受到的束縛大，無反沖分?jǐn)?shù) f 變大。(三) 超精細(xì)相互作用 由于穆斯堡爾譜線非常尖銳， 可用于分辨超精細(xì)相互作用， 并定量給出它的數(shù)值。 一般 涉及到以下三種主要的超精細(xì)相互作用： 同質(zhì)異能移位、 電四極距分裂、

5、核磁偶極相互作用。1、同質(zhì)異能移位同質(zhì)異能移位是因?yàn)樵雍司哂幸欢ǖ捏w積， 原子的 s 電子在原子核內(nèi)部有一定的概率 分布。原子核電荷的勢(shì)場(chǎng)與核內(nèi) s 電子電子云之間的經(jīng)典庫侖作用使核能級(jí)有一個(gè)微小的移 動(dòng) E, 又稱化學(xué)移位。用經(jīng)典方法計(jì)算得：45 Ze2R2 RR ( (0) 2A(0) 2S )5R這里， R 為從激發(fā)態(tài)到基態(tài)時(shí)核半徑的變化。 同質(zhì)異能移位既與吸收體有關(guān)也與放射源有關(guān)。在57Fe 的譜學(xué)中最常用的標(biāo)準(zhǔn)參考材料是金屬 Fe和合二水硝普酸鈉 NaFe(CN) 5NO ?2H2O。2、電四極矩分裂 多數(shù)核及其核電荷的分布常偏離球形對(duì)稱分布， 不同的激發(fā)態(tài)其偏離程度也不同， 用核

6、 電四極矩 eQ 來確定其偏離球形對(duì)稱的程度。對(duì)57Fe基態(tài)和激發(fā)態(tài)而言，四極分裂后，激發(fā)12 態(tài)兩支能級(jí)之間能量差為EQe2Qq 。對(duì)不同化合物中相同的穆斯堡爾核來說，電四極2 矩 eQ 是常量。對(duì)于四極分裂的深入分析，可以得到核四周電荷分布對(duì)稱性方面的信息，不 僅與核的化學(xué)價(jià)態(tài)有關(guān)，也與晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性有關(guān)。穆斯堡爾源的制備中，通常選用具有立方精細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬作基底，核處電場(chǎng)梯度為零， 不存在四極分裂。3、核磁偶極相互作用核塞曼分裂 我們利用一級(jí)微擾理論求出原子核磁偶極矩與核處磁場(chǎng)哈密爾頓量的本征值為：EmB I gN NmI B可知磁偶極相互作用使 |I 分裂成 2I+1 個(gè)等間距的支能級(jí)

7、。相鄰能級(jí)間的間距為 E=gNB。57Fe的基態(tài) I=1/2 ，分裂為 mI= 1/2的兩個(gè)能級(jí)，裂距為 E=gNB，gg為基態(tài) 核的朗德 g因子。57Fe的 14.4keV 激發(fā)態(tài)， I=3/2 ，分裂為 mI= 3/2，1/2的四個(gè)能級(jí)，裂距 為 E=g3NB ，ge為激發(fā)態(tài)核的朗德 g 因子。由選擇定則， m= 1,共有六種躍遷。三實(shí)驗(yàn)步驟1、稱量樣品重量：取鐵的化合物稱量，需要含鐵5 10mg 即可；2、將樣品放入載物裝置內(nèi)，然后放到載物架上；3、測(cè)量 -Fe 的穆斯堡爾譜，對(duì)譜儀標(biāo)定速度，通過計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)；4、數(shù)據(jù)采集完成以后，用 Origin 畫出穆斯堡爾譜，進(jìn)行分析。四實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

8、處理及分析實(shí)驗(yàn)所得的原始數(shù)據(jù)見附表1。分別作出 Fe和 BaFeO3 的速度 -相對(duì)吸收關(guān)系圖，見圖1 和圖 2。圖 1.Fe 的速度 - 相對(duì)吸收關(guān)系圖圖 2.BaFeO3 的速度 - 相對(duì)吸收關(guān)系圖五討論1.什么是穆斯堡爾效應(yīng)？為何同一個(gè)核的 共振吸收很難觀測(cè)到？ 將放射的 光子與吸收 光子的原子核束縛在晶格中，當(dāng) 光子的能量滿足一定條件 時(shí)，遭受反沖的不是單個(gè)原子核， 而是整塊晶體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于單個(gè)原子核的質(zhì)量， 所以其反 沖速度極小， 反沖能量實(shí)際等于零。 整個(gè)過程可看作無反沖的過程， 這種效應(yīng)叫做穆斯堡爾 效應(yīng)。由于原子核發(fā)射 射線時(shí)，一般要受到反沖，本來是靜止的處于激發(fā)態(tài)的原子核，當(dāng)

9、它 通過放射 光子躍遷到基態(tài)時(shí)， 光子激發(fā)能 E0 的絕大部分，還有很小一部分變成了反沖 核的動(dòng)能 ER ；故 光子所釋放的能量 E0-ER，而處于基態(tài)的同類原子核吸收 光子時(shí)也會(huì) 有同樣的反沖，要把原子核激發(fā)態(tài)到能量E0 的激發(fā)態(tài)， 射線的能量則為 E0+E R，同一核發(fā)射 射線的能量與吸收 射線而能量不同，所以同一核的 射線共振吸收很難觀測(cè)到。附表速度 /cm s-1Fe 的相對(duì)吸收BaFeO3 的相對(duì)吸收-10.6047314.814.79-10.6414.814.79-10.5224314.814.79-10.557714.814.79-10.4401314.814.79-10.475

10、414.7914.79-10.3578314.7914.79-10.393114.7914.79-10.2755414.7914.79-10.3108114.7914.79-10.1932414.7914.7910.2285114.7914.7910.0991814.7914.7910.1344514.7914.7910.0168814.7914.7910.0521514.7914.79-9.9345914.7914.79-9.9698614.7914.79-9.8522914.7914.79-9.8875614.7914.79-9.7699914.7914.79-9.8052614.7914

11、.79-9.6876914.7914.79-9.7229614.7914.79-9.6053914.7914.79-9.6406614.7814.79-9.5230914.7814.79-9.5583614.7814.79-9.440814.7814.78-9.4760714.7814.78-9.358514.7714.78-9.3937714.7714.78-9.2644414.7714.78-9.2997114.7614.78-9.1821414.7514.78-9.2174114.7414.78-9.0998514.7314.77-9.1351214.7114.77-9.0175514.

12、6814.77-9.0528214.6414.76-8.9352514.5614.76-8.9705214.4114.76-8.8529514.0814.75-8.8882213.314.75-8.7706512.414.74-8.8059213.2614.73-8.6883514.0614.72-8.7236214.414.7-8.6060614.5514.68-8.6413314.6214.65-8.5237614.6614.61-8.5590314.6914.56-8.429714.714.48-8.4649714.7114.36-8.347414.7114.19-8.3826714.7

13、13.98-8.265114.6913.83-8.3003814.6713.86-8.1828114.6314.03-8.2180814.5614.23-8.1005114.4214.38-8.1357814.1114.48-8.0182113.3714.55-8.0534812.5714.6-7.9359113.3914.63-7.9711814.1214.65-7.8536114.4314.66-7.8888814.5614.66-7.7713114.6314.66-7.8065914.6714.66-7.6890214.714.64-7.7242914.7114.62-7.5949614

14、.7214.58-7.6302314.7214.52-7.5126614.7214.44-7.5479314.7114.31-7.4303614.714.15-7.4656414.6814.02-7.3480714.6414.03-7.3833414.5614.16-7.2657714.3814.32-7.3010413.9714.45-7.1834713.3214.54-7.2187413.6914.6-7.1011714.2514.64-7.1364414.514.66-7.0188714.614.68-7.0541414.6614.7-6.9365714.6814.7-6.9718514

15、.6914.71-6.8542814.6914.71-6.8895514.6814.7-6.7602214.6514.69-6.7954914.5914.67-6.6779214.4614.64-6.7131914.1514.62-6.5956213.5114.62-6.630913.4414.64-6.5133314.114.67-6.548614.4414.7-6.4310314.5814.71-6.466314.6514.72-6.3487314.6914.72-6.38414.7114.72-6.2664314.7214.72-6.301714.7214.7-6.1841314.721

16、4.69-6.219414.7214.66-6.1018314.7114.63-6.137114.6914.62-6.0195414.6714.63-6.0548114.6214.65-5.9372414.5414.68-5.9725114.3814.69-5.843181414.7-5.8784513.1414.7-5.7608812.6314.7-5.7961513.6114.7-5.6785914.2114.69-5.7138614.4714.67-5.5962914.5814.65-5.6315614.6414.61-5.5139914.6814.57-5.5492614.714.5-

17、5.4316914.7114.39-5.4669614.7114.25-5.3493914.7114.08-5.3846614.7113.99-5.2670914.6914.04-5.3023614.6714.19-5.184814.6414.34-5.2200714.5714.44-5.102514.4514.5-5.1377714.1714.54-5.0084413.5214.55-5.0437112.4714.55-4.9261413.0214.53-4.9614113.9514.48-4.8438514.3614.41-4.8791214.5314.29-4.7615514.6214.

18、12-4.7968214.6813.92-4.6792514.7113.8-4.7145214.7313.88-4.5969514.7414.08-4.6322214.7514.27-4.5146514.7614.41-4.5499214.7614.51-4.4323514.7714.58-4.4676214.7714.63-4.3500614.7814.66-4.3853314.7814.68-4.2677614.7814.7-4.3030314.7814.72-4.173714.7814.73-4.2089714.7914.74-4.091414.7914.75-4.1266714.7914.75-4.009114.7914.76-4.0443814.7914.76-3.9268114.7914.76-3.9620814.7914.77-3.8445114.7914.77-3.8797814.7914.77-3.7622114.7914.77-3.79748