核效應(yīng)分析穆斯鮑爾效應(yīng)分析

核效應(yīng)分析穆斯鮑爾效應(yīng)分析第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五引言(Introduction)穆斯堡爾效應(yīng):無反沖核共振吸收現(xiàn)象，穆斯堡爾1958年首先發(fā)現(xiàn)。一門獨(dú)立學(xué)科:是化學(xué)、磁學(xué)、生物學(xué)、礦物學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科中的一種重要分析手段。1961年穆斯堡爾獲諾貝爾獎R.L.Mossbauer第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五原子核射線的發(fā)射

(NuclearGamma-RayEmission)躍遷:當(dāng)原子核發(fā)生衰變和衰變時，衰變后的子核往往處于激發(fā)態(tài)，衰變就是退激發(fā)躍遷過程所導(dǎo)致的能量釋放。原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到低激發(fā)態(tài)或基態(tài)（即衰變）發(fā)射射線。光子能量(無核反沖):

E=h=

E*-Es=E0EsE*ray(E0)60Co(T=5.27a)1.33MeV2.50MeV012-0.309MeV(100%)

光子能量與原子能級躍遷所發(fā)出光子能量的比較:前者在keV到幾十MeV之間，而后者卻在eV到keV范圍內(nèi)。第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五輻射譜線寬度Г(自然線寬)：據(jù)測不準(zhǔn)原理，激發(fā)態(tài)能級具有固有寬度（能量擴(kuò)展）Г=h/τ(τ為激發(fā)態(tài)壽命；h為普朗克常數(shù)。)E=h第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五核的反沖能量ER----

輻射譜線的的漂移：根據(jù)動量守恒，反沖核動量PR等于γ射線動量P=Eγ/C。所以ER=PR2/(2MR)=Eγ2/(2MRC2)。又因ER<Eγ，Eγ約等于E0，則ER≈E0２/(2MRC2)。根據(jù)能量守恒，E

=E0-ER

。E=E0-ER

有核反沖未考慮能量標(biāo)度無核反沖E=E0光子能量變小第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五輻射譜線的多普勒展寬Δ(熱展寬)：由原子的熱運(yùn)動引起的多普勒效應(yīng)使輻射譜線展寬。，，，，Δ＝+

譜線被展寬量Δ＝2(ERε)1/2ε為原子平均熱能。E第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五共振吸收條件：被吸收光子的能量E應(yīng)等于吸收體激發(fā)態(tài)高于基態(tài)的能量E0，即發(fā)射光譜與吸收光譜相同或有相疊部分。輻射的共振吸收

RayResonantAbsorption第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五原子光譜的共振吸收：對氣態(tài)原子，E0～1eV，ER～10-10eV,室溫下Δ～10-6eV，τ～10-8秒，Г～10-7eV。反沖能量ER和輻射固有線寬度Г均小于熱展寬Δ，共振吸收很容易被觀察。發(fā)射

吸收2ERΔE=Δ+Г2ER<ΔE共振吸收假定發(fā)射體與吸收體的核素相同第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五

鈉原子的共振吸收：當(dāng)用鈉的D線激發(fā)處于基態(tài)的鈉原子時，由于D線的能量與鈉基態(tài)原子躍遷所需要的能量幾乎相等，所以將導(dǎo)致共振吸收。

Na-Dline,E0=2.1eV,能級寬度Γ=4.4×10-8eV原子反沖能ER~10-11eVhv10-8eV10-11eVER第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五原子核光譜的共振吸收：對MR～100的核，γ射線E0～105eV，ER～1eV，Δ～0.024eV，低能核τ～10-8秒，Г～10-7eV。Г/E0～10-11eV，能量不確定度很小。因此ER>>Г，γ射線被核的共振吸收通常觀察不到。假定發(fā)射體與吸收體的核素相同吸收譜線E=E0+ER

E=E0-ER

發(fā)射譜線未考慮能量標(biāo)度E0E吸收

–

E發(fā)射

=2ER

第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五forresonantabsorptionAssume

source

and

absorber

areidenticalSourceDetectorAbsorberx0.0E*0.0E*emissionγ射線共振吸收分析第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五

采用高速轉(zhuǎn)動射線源：將γ射線源固定于速度大于10-2米／秒的轉(zhuǎn)子上，使多普勒效應(yīng)將γ射線能量移動2ER，補(bǔ)償了由于核反沖引起的能量損失。運(yùn)動（速度為v）發(fā)射體情形：

多普勒位移(γ能量改變量)接收到的γ射線能量加熱放射源和吸收體:使線寬度ΔE=Г

增加多普勒效應(yīng)熱展寬Δ，發(fā)射譜線和吸收譜線的能量重疊變得很大，足以觀察到吸收作用。熱展寬量Δ＝2(ERε)1/2ε為原子平均熱能。

總譜線寬ΔE=Δ+Г

觀察γ射線共振吸收的方法

MethodstoObserveResonantAbsorption第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五自由原子核的γ射線共振吸收現(xiàn)象觀察不到Consideran57Fesourceand57FeAbsorber0.0E00.0E0Naturalwidthofthestate穆斯堡爾效應(yīng)(MossbauerEffect)

第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五非自由(束縛態(tài))原子核的γ射線共振吸收現(xiàn)象可觀察得到Place57FesourceboundinametalmatrixPlace57FeabsorberboundinametalmatrixResonantAbsorption!Consideran57Fesourceand57FeAbsorber第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五應(yīng)用多普勒效應(yīng)，移動發(fā)射體或吸收體，觀察γ共振吸收Assume

source

and

absorber

areidentical-v+vSourceDetectorAbsorberx0.0E*0.0E*movesourceDopplershift

frequency:

h’-h=EDmovesource第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體作相離運(yùn)動，發(fā)射光子能量小于吸收體躍遷能量，無共振吸收第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體相離速度變小，發(fā)射光譜向吸收光譜靠攏，無重疊，無共振吸收第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體相離速度繼續(xù)變小，發(fā)射光譜與吸收光譜出現(xiàn)部分重疊，有共振吸收第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體相離速度變得很小，發(fā)射光譜與吸收光譜大部分重疊，共振吸收顯著第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體相離速度變?yōu)榱悖l(fā)射光譜與吸收光譜完全重疊，共振吸收最大第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體由靜止開始作相向運(yùn)動，速度很小發(fā)射光譜與吸收光譜仍大部分重疊，共振吸收略減第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體相向速度變大，發(fā)射光譜與吸收光譜僅部分重疊，但仍有共振吸收第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體相向速度繼續(xù)變大，發(fā)射光譜與吸收光譜剛好無重疊，無共振吸收第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)射體對吸收體相向速度變得更大，發(fā)射光譜與吸收光譜遠(yuǎn)離，無共振吸收第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五完整記錄上述觀察過程，可得共振吸收曲線第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五穆斯堡爾參數(shù)(MossbauerParameter)同質(zhì)異能素位移（化學(xué)位移）核發(fā)射的γ射線能量隨原子的化學(xué)態(tài)（氧化態(tài)和共價程度）變化，體現(xiàn)為吸收體穆斯堡爾譜的譜形質(zhì)心的位移，稱為化學(xué)位移。化學(xué)位移由原子內(nèi)部電子和核電荷密度間的靜電相互作用引起。當(dāng)原子被束縛于固體內(nèi)時，電子波函數(shù)發(fā)生變化，在核處的電子云密度隨之而變。又核的激發(fā)態(tài)、基態(tài)半徑不同，γ射線出現(xiàn)能量移動，稱為同質(zhì)異能素位移。所以，在核躍遷的初態(tài)和終態(tài)，核電荷密度與電子電荷密度間交疊不同。化學(xué)位移δ由此決定。以標(biāo)準(zhǔn)條件下測量的標(biāo)準(zhǔn)吸收體的穆斯堡爾譜為基準(zhǔn)。雖然由化學(xué)態(tài)差異引起的能量變化很小（～10-7eV），但在能量分辨率很高的穆斯堡爾譜中可測。

離子鐵化合物中，相對金屬鐵，F(xiàn)e2+δ=1.5毫米/秒，F(xiàn)e3+δ=0.5毫米/秒，差異顯著，所以容易從化學(xué)位移確定鐵的氧化態(tài)。但在多數(shù)生物分子中，鐵離子有強(qiáng)共價鍵，令δ減少，測量靈敏度降低。

第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五相對透射率發(fā)射核和吸收核的能級位移示意圖（a）(b)發(fā)射源吸收體0同質(zhì)異能素位移第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五AssumesourceandabsorberareNOTidenticalSourceDetectorAbsorberx0.0Ea*0.0Es*應(yīng)用多普勒效應(yīng)，移動吸收體，觀測同質(zhì)異能素位移第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五AssumesourceandabsorberareNOTidenticalResonantabsorptionwhen--v+vSourceDetectorAbsorberx0.0Ea*0.0Es*moveabsorber!變速移動第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五IsomershiftResonantabsorptionwhen--v+vSourceDetectorAbsorberxmoveabsorber!0.0Ea*0.0Es*Isomershift:

Levelshiftsduetoatomicelectronicchargedistributioninthenucleus.Constantvelocitydata勻速移動第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五四極分裂自旋量子數(shù)I大于或等于１的核，核內(nèi)電荷分布非球?qū)ΨQ，認(rèn)為有電四極矩。大多數(shù)分子中原子的環(huán)境不存在立方對稱，非立方配位場在核處產(chǎn)生電場梯度，四極子根據(jù)電場取向，令核能級分裂，表現(xiàn)為穆斯堡爾譜的裂分。據(jù)此可測出穆斯堡爾核的環(huán)境與立方對稱的偏離，給出晶體局部結(jié)構(gòu)的定性信息。

此外，根據(jù)裂分量可定性鑒別離子的氧化態(tài)，根據(jù)電場梯度符號的測定能確定基態(tài)軌道，根據(jù)裂分與溫度的函數(shù)關(guān)系能估計受激軌道態(tài)的能量，可以推斷出配位場引起的離子能級分裂的信息。

第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五同質(zhì)異能位移四級分裂12速度（mm/s）12相對透射率核能級和四級分裂0第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五磁致分裂---磁超精細(xì)結(jié)構(gòu)磁的超精細(xì)相互作用指具有非充滿電子層的原子或離子的磁矩與核磁矩的相互作用。在固體分子中，通常是未充滿的３d或４f電子層令原子具有磁性。此作用令穆斯堡爾譜裂分為多條譜線，并且能量范圍大大擴(kuò)展，其必要條件是相互作用對時間的平均值不為零。測量超精細(xì)場可更清楚地辨別鐵的氧化態(tài)和自旋態(tài)。在高自旋、低自旋Fe3+離子中，超精細(xì)相互作用分別呈現(xiàn)各向同性、各向異性。高自旋Fe2+離子的特征是顯示大的化學(xué)位移與四極分裂，低自旋Fe2+離子當(dāng)自旋為零時無磁的超精細(xì)相互作用，在核處有效場等于外加場，只觀察到小的裂分。第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五234561磁偶極分裂123456同質(zhì)異能位移相對透射率速度（mm/s）57Fe能級的磁分裂及相應(yīng)的穆斯堡爾譜1/23/2第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五典型的穆斯堡爾譜磁致分裂穆斯堡爾譜四極分裂穆斯堡爾譜同質(zhì)異能素位移穆斯堡爾譜第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五穆斯堡爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備無吸收體時,探測器光子計數(shù)率為：N0.吸收體共振吸收的光子計數(shù)率為：n.吸收體退激，單位時間4π方向發(fā)射的光子數(shù)為n.源與吸收體的相對速度為v、v’時，探測器單位時間記錄的光子數(shù)分別為：透射幾何條件下實(shí)驗(yàn)安排及其穆斯堡爾譜共振吸收%0-v8020100速度mm/sv第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五NormalamplitudespectrumoftheCo-57source

第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五MossbauerspectrumdisplayinVERT.AUTOSCALEmode

第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五穆斯堡爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.穆斯堡爾源同位素豐度高，內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)小，gamma能量適中（5~160keV)擴(kuò)散或注入到合適的固體晶格中，制成穆斯堡爾源。

57Fe,14.4keV;119Sn,23.87基體無磁性,無干擾。2.驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動，電磁驅(qū)動。3.吸收體樣品以吸收體形式出現(xiàn)，固體樣品。4.探測器和其他附屬設(shè)備NaI,低溫裝置。第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五穆斯堡爾譜儀系統(tǒng)探測器低溫裝置吸收體信號與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)及準(zhǔn)直器穆斯堡爾源第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五南華大學(xué)核科技學(xué)院穆斯堡爾譜實(shí)驗(yàn)室第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五穆斯堡爾效應(yīng)的應(yīng)用常見的應(yīng)用方面核物理---核壽命，電四極矩，g因子固體物理---原子運(yùn)動，固體相變，固體缺陷化學(xué)領(lǐng)域---電子密度，化學(xué)鍵生物領(lǐng)域---57Fe對蛋白質(zhì)分子與催化酶考古，環(huán)境第54頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五測量核能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂第55頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五多普勒能量位移ED的測量vE0:穆斯堡爾源的躍遷能量V:穆斯堡爾源的平移速度C:光速穆斯堡爾源（發(fā)射體）γ探測器（吸收體）γ第56頁，共60頁，2023年，2月20日，星期五檢驗(yàn)光在重力場中的紅移效應(yīng)Althoughaphotonhasnorestmass,itinteractswithelectronsasthoughithasinertialmass:Ifaphotongainsenergyfallingthroughagravitational