穆斯堡爾譜共振

1、穆斯堡爾譜共振1穆斯堡爾效應(yīng)實驗方法超精細(xì)相互作用應(yīng)用2原子核對射線的無反沖發(fā)射與共振吸收3光子：原子核能級躍遷時釋放出的射線，是波長短于0.2 的電磁波。共振吸收：原子核由激發(fā)態(tài)到基態(tài)發(fā)射的光子容易被相同原子核所吸收。共振散射：處于基態(tài)的原子核共振吸收入射光子，躍遷到激發(fā)態(tài)，隨后退激時向空間各方向輻射同波長光。A4原子核躍遷的能量比原子躍遷的能量大得多e5由于光子的能量比較高，原子核發(fā)射光子時受到反方向的沖量不可忽略，根據(jù)能量守恒和動量守恒，反沖能為： / 222REEMc自由原子核發(fā)射射線后的反沖能量238210102REEeVeVMc 6利用發(fā)射前級輻射引起原子核反沖獲得運動速度機械運動

2、：將放射源固定于高速轉(zhuǎn)子的邊緣，由多普勒效應(yīng)， 光子得到附加能量升高溫度：譜線的半高寬隨溫度的上升而加寬，即重疊部分加大，共振吸收幾率增加。缺點：仍屬有反沖共振吸收，能量分辨本領(lǐng)差vEEc71958年，穆斯堡爾在研究 的129keV 共振吸收時發(fā)現(xiàn)，將放射源和吸收體的溫度降至液氮溫度時，共振熒光反而增加。191Ir19176Os74keV42keV129keV19177IrT=300K時， =0.07eV，ER =0.047eV，在室溫可以觀測到一定的共振吸收。8束縛在晶體內(nèi)的原子核發(fā)射或吸收量子時，一般會使吸收反沖動量的晶格的振動狀態(tài)發(fā)生變化。由于內(nèi)能的量子化，晶體只能不連續(xù)地吸收反沖能量，

3、隨著降低溫度，內(nèi)部能態(tài)被激發(fā)的幾率越來越小，因此對于一部分進行量子躍遷的射線而言，晶體將作為整體來吸收反沖動量。在這情況下發(fā)射或吸收的量子的能量實際上不會受到損失，因而能理想地滿足共振條件。9如果反沖能量小于晶格特征振動能量（聲子能量）有一定幾率不與晶格交換能量的過程，也就是無反沖過程。完全沒有反沖能量損失的發(fā)射和吸收過程。10無反沖共振吸收過程的幾率 f ，f 稱為蘭姆-穆斯堡爾分?jǐn)?shù)或德拜-瓦萊（Debye-Waller）分?jǐn)?shù)。2x為熱振動原子核射線方向上偏離平衡位置的位移對時間t的均方值2( )x t11共振吸收所獲得的共振譜線寬度僅為 射線自然寬度的兩倍左右,這正是穆斯堡爾效應(yīng)具有極高能

4、量靈敏度的根源。，具有很高的能量分辨本領(lǐng)1110EE同類原子核發(fā)射出和吸收到的射線能量完全相同。隨著溫度的降低，原子被更為牢固地束縛在晶格上，因此無反沖分?jǐn)?shù)增大。這就是穆斯堡爾觀測到共振吸收強度隨溫度降低而增加的原因。12最常用的的穆斯堡爾同位素有46種元素，92種原子核，112種躍遷觀察到穆斯堡爾譜效應(yīng)13穆斯堡爾實驗裝置使用多普勒效應(yīng)，通過放射源相對吸收體作一定方式的運動來調(diào)制射線的的能量。14穆斯堡爾譜儀透射式譜儀背散射式譜儀57Fe15等加速透射式穆斯堡爾譜儀16放射源放射源應(yīng)該給出較窄的洛倫茲譜線，激發(fā)態(tài)的半衰期最好處在0.1-1us；放射源應(yīng)輻射單線洛倫茲譜線，放射性原子應(yīng)處在非磁

5、性材料的立方對稱的等價晶格位置上；放射源中的穆斯堡爾核應(yīng)該具有較大的無反沖因子f (1%)；作為放射源基質(zhì)材料其化學(xué)性能應(yīng)該穩(wěn)定；基質(zhì)不應(yīng)該形成增強本底的因素。17常見的放射源：18吸收體對于粉末樣品，通常將粉末樣品與適當(dāng)?shù)妮d體物質(zhì)相混合，然后壓制成厚度適當(dāng)?shù)谋∑鳛槲阵w。載體要求對射線是惰性的，一般選用有機化合物，如人造熒光樹脂、萬能膠等。吸收體在絕大數(shù)情況下為粉末形式，少數(shù)為單晶體。19曲線擬合實驗測得的穆斯堡爾譜線絕大部分是比較復(fù)雜的，即大多數(shù)是多種物相或若干組超精細(xì)場的疊加，所以需要計算機擬合解譜。洛倫茲線型：一般用加權(quán)最小二乘法，使下式最小20iq用 表示待求參數(shù)，使上式達到最小，

6、需滿足iq20電單極相互作用同質(zhì)異能移位電四極相互作用四極分裂磁偶極相互作用核塞曼分裂電和磁超精細(xì)相互作用的耦合21起源于原子核電荷與核所在處的電子電荷密度分布間的庫侖相互作用。對于半徑為R的核，其靜電勢為：rRrRR Rr r有限體積原子核的靜電能：22原子核在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的原子半徑不同， 由于靜電庫侖作用所引起能量位移eRgR23在穆斯堡爾實驗中，比較放射源能量 和吸收體能量 的差別可以得到凈同質(zhì)異能移位SEAE放射源（S)吸收體（A)1()2egRRRegRRR其中：24同質(zhì)異能移位取決于：1、與原子核有關(guān)的因子（原子核半徑及其變化）如在 中 ， 中2、與核外電子有關(guān)的因子（原子核處電子

7、電荷密度）如對于放射源在不同基體中 , 原子核處的電子密度不同注意：1、如果激發(fā)態(tài)核半徑和基態(tài)核半徑不等，同質(zhì)異能移就可以不為零；2、同質(zhì)異能移與核周圍的電子配置情況有關(guān)，因此可以得到化學(xué)鍵性質(zhì)、價態(tài)、配位基的電負(fù)性等化學(xué)信息；3、如果放射源中原子所處的化學(xué)狀態(tài)和吸收體完全相同，則同質(zhì)異能移為0；4、以不同基體的穆斯堡爾源去測同一吸收體，所得同質(zhì)異能移不同。57CoegRR57()Co Rh57()Co Pd119SnegRR25二次多普勒效應(yīng)引起二次多普勒能移T，這種效應(yīng)起源于穆斯堡爾核的熱運動引起的多普勒效應(yīng)，它疊加在同質(zhì)異能移上，共同決定譜線“重心”的位置。原子核在其激態(tài)壽命內(nèi)進行了多次

8、振蕩因此二次多普勒能移為26對于核自旋的原子核，由于核內(nèi)電荷分布的非對稱性而產(chǎn)生核電四極矩 , 電四極矩 是衡量核電荷分布偏離球形對稱的程度的張量。( )ijnijQr x x dv22(3cos1)eQrdv選擇合適的坐標(biāo)系使 對角化ijQeQeQ核電四極矩與原子核處的電場梯度的相互作用。27原子核處的電場梯度00()0000 xxxyxzxxyxyyyzyyzxzyzzzzVVVVEFGEVVVVVVVV ()/zzxxyyzzVeqVVV設(shè)對于自旋為 ，磁量子數(shù)為 ，電四極矩為 的原子核，在電場梯度為 時，其四極裂距為：eQeqImI其中 為電場梯度張量的主分量，為非對稱參數(shù)，01eq1

9、22223(1)12 (21)3QIe qQEmI III28 的電四極相互作用,3/2 和1/2之間的躍遷：57Fe對于單晶雙峰相對強度：為前進方向和電場梯度主軸間的夾角29對于取向隨機分布的多晶樣品，分裂的譜線強度相等。但某些情況下，由于原子振動的各向異性(例如表面原子的振動常常是各向異性的)，因而引起相應(yīng)無反沖分?jǐn)?shù)f的各向異性，將會得到不等強度的雙線。原子核處的（EFG）的來源：原子核周圍電子云的電荷分布的不對稱。例如來自滿殼層的電子對的極化，或者來自未充滿的電子軌道上非球形對稱分布的電子；近鄰電荷。例如配合基，近鄰離子。對于離子性晶體，這影響特別重要。對于核自旋 I3/2的情況要復(fù)雜的

10、多，對于 的穆斯堡爾譜， ，根據(jù)選擇定則 ，四極分裂將引起8條亞譜線。129I57220, 1Im在固定的穆斯堡爾核的情況下，影響四極分裂的因素是吸收體核的核外環(huán)境，即由（EFG）確定。因此，四極分裂值能直接反映穆斯堡爾核周圍環(huán)境的對稱性。30原子核的角動量(1)IPI I原子核的磁矩()2INIpeugPMIzEu H 原子核與磁場H 作用分裂的亞能級：()2IzNINNIpeugmg u mM其中,1,1,ImI III NNIEg u m H NNEg u H31對于I :3/21/2選擇定則：1I 0, 1ImhfexHHH磁場的來源hfCLDHHHHCH費米接觸場LH軌道場DH自旋偶

11、極場32來自于原子核中s電子分布的自旋密度極化的貢獻，對于所有自旋向上和自旋向下的s電子，費米接觸場為CH費米接觸場228(0)|(0)|(0)|3cBnsnsnHgu s 通常包括在費米接觸相互作用中的電子有：核心s電子，近鄰離子混入母原子價殼層的電子，靠近核而具有s特征的傳導(dǎo)電子。33LH軌道場s電子0l 0LH 滿殼層0L 0LH 未滿殼層的非s電子0LH34核外電子繞核運動的軌道磁矩在何處產(chǎn)生的磁場DH自旋偶極場35核外電子自旋磁矩在核處產(chǎn)生的磁場譜線強度1、如果是多晶粉末樣品，夾角隨機分布，那么與角度有關(guān)的因子應(yīng)對整個球進行積分，于是六條亞譜線的相對強度為3：2：1：1：2：3。2、

12、如果射線方向與磁場平行( 0)時，強度比為3：0：1：1：0：3，而當(dāng)垂直( /2)時，為3：4：1：1：4：3。3637381.驗證物理基本原理；2.測量一些核的物理量；3.研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，相成分以及相變；4.通過磁相互作用可以了解材料的磁結(jié)構(gòu)性質(zhì)；5.以穆斯堡爾共振原子作為“探測原子”來探測不含穆斯堡爾原子化合物的微觀結(jié)構(gòu)；6.其他的一些應(yīng)用。單從穆斯堡爾譜在物理中的應(yīng)用角度看，可以：39測微小振動基本物理原理中的應(yīng)用：引力紅移的驗證光在引力場中經(jīng)過位移l l ，頻率改變簡單起見，考慮 ，即在和地面垂直的方向上移動040引力紅移的驗證結(jié)果15041測量核的物理量核物理中的應(yīng)用原子核的電四極

13、矩核磁矩IEuH 磁相互作用g因子INNuI gu42a.鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相成分和相變Al-Fe合金體系中Al-Fe不同結(jié)合方式的穆斯堡爾譜43利用穆斯堡爾譜可以鑒定非晶態(tài)磁性材料，并能鑒別非晶態(tài)樣品中是否存在少量晶態(tài)成分44b.相成分含 為0.019at%的鋁箔在室溫時有兩相共存，其一為相，由少量的Fe溶于體心立方結(jié)構(gòu)的Al中形成，其二為相，系金屬間化合物57Fe413Fe Al根據(jù)不同相對應(yīng)的譜線圍成的面積可以確定不同相的成分比( )( )iiiijjjjAf NG xAf N G x45c.相變221(3cos1)2QEe qQ在不同溫度下的四極分裂值隨溫度的變化曲線1.9

14、60.04SFeRuO)0.43/2)0.22/1QMQMETTmm sETTmm s（Fe原子自旋方向由0轉(zhuǎn)到/246磁學(xué)中的應(yīng)用研究磁性材料中Fe的微觀環(huán)境及其變化規(guī)律是當(dāng)代磁學(xué)中的重要課題之一。自穆斯堡爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，在磁學(xué)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領(lǐng)域。40多種穆斯堡爾元素中, 核素具有良好的性能，如可在室溫和高溫下應(yīng)用、有較長的壽命和較高的分辨率、適宜于一般條件下的應(yīng)用；57FeFe又是絕大多數(shù)磁性材料的重要組成成分，在獲得多種多樣的內(nèi)稟磁性和技術(shù)磁性中起著重要作用。磁學(xué)中穆斯堡爾譜主要是研究內(nèi)磁場及其分布，區(qū)別各種磁相，求出磁性轉(zhuǎn)變溫度，局域磁矩，

15、以及有序無序結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變等等。47弛豫效應(yīng)N原子核共振能級的平均壽命L原于核的拉摩進動時間LE穆斯堡爾譜學(xué)超精細(xì)相互作用的測量r動態(tài)起伏環(huán)境的平均居留時間,rNL,rNL準(zhǔn)靜態(tài)情形長時間的平均狀態(tài)r與 同數(shù)量級,NL復(fù)雜的譜線形狀48如果對應(yīng)的穆斯堡爾譜為單峰或雙峰說明該物質(zhì)為非磁性的、順磁或超順磁相； 而出現(xiàn)六峰譜時材料則為磁性的。從一個易磁化方向到另一個易磁化方向變化的弛豫時間 看到的是 既有磁超精細(xì)分裂又有超順磁譜線的中間過程，并且譜線顯著加寬。L對于鐵磁性材料或反鐵磁性材料，原子自旋S長期居留于某一特定方向， ，于是顯示特征六線譜。而對順磁性材料，自旋S以很短的弛豫時間快速地改變方向，于

16、是按時間平均的感生磁場為0，無磁超精細(xì)分裂。0S,rNL49平均直徑135 的 微晶在各種溫度下的穆斯堡爾譜23Fe OA隨著溫度的升高，超順磁組分的百分比升高50穆斯堡爾譜學(xué)的優(yōu)缺點：51局限性：一方面，雖然目前已經(jīng)在40多種元素，90多種同位素中觀測到穆斯堡爾效應(yīng)，但是受到放射源制作成本和半衰期等條件的限制，目前絕大多數(shù)穆斯堡爾實驗僅僅集中在57Fe和119Sn等少數(shù)穆斯堡爾同位素，這就限制了它的應(yīng)用范圍。另一方面，與衍射方法相比，穆斯堡爾譜學(xué)不能直接給出長程有序的晶體結(jié)構(gòu)對稱性，而只能給出共振核最近環(huán)境鄰的局域結(jié)構(gòu)信息，需要與其它結(jié)構(gòu)分析技術(shù)相互配合和補充才能更為深入地研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。優(yōu)點：能量分辨本領(lǐng)高，穆斯堡爾效應(yīng)的極高能量分辨率為研究核能級的超精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了實驗手段；廣泛地深入到幾乎所有研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的自然科學(xué)領(lǐng)域中。譜信息譜信息起源起源探討的問題探討的問題超精細(xì)結(jié)構(gòu)1.譜線位移化學(xué)位移原子核處電荷密度的靜電相互作用電子結(jié)構(gòu)，化合鍵性質(zhì)，相轉(zhuǎn)變溫度位移二次多普勒效應(yīng)晶格振動2.譜線分裂磁分裂核處有效磁場的塞曼效應(yīng)原子核處的有效磁場，原子核