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        穆斯堡爾譜實(shí)驗原理
        來(lái)源:中國粉體技術(shù)網(wǎng)    更新時(shí)間:2013-11-28 09:42:32    瀏覽次數:
         
            穆斯堡爾譜是物質(zhì)對γ光子能量的無(wú)反沖吸收或發(fā)射譜的一種,來(lái)源于原子核激發(fā)態(tài)和基態(tài)間的能級躍遷,相應的光子能量屬于γ射線(xiàn)能量范圍。一般來(lái)說(shuō),γ光子的能量很高,它的吸收或輻射過(guò)程將伴隨著(zhù)反沖作用引起的能量損失。Mössbauer發(fā)現,固定在固體點(diǎn)陣上的原子核有一定的幾率發(fā)生γ射線(xiàn)的無(wú)反沖吸收或發(fā)射,此即Mössbauer效應。處在不同物體中的同種原子核,它們的無(wú)反沖發(fā)射或吸收的 γ 射線(xiàn)的能量也不相同。為了觀(guān)測它們之間的共振吸收現象,可通過(guò)多普勒(Doppler)效應調節無(wú)反沖發(fā)射或吸收的γ射線(xiàn)的能量。穆斯堡爾譜就是束縛于吸收體點(diǎn)陣上的原子核對束縛于發(fā)射體中的同種原子核發(fā)射的γ射線(xiàn)的吸收率與二物體間相對速度為參變量表示的能量曲線(xiàn)。核外電子與核的超精細相互作用造成核能級的移動(dòng)與劈裂。核能級的這些變化體現為穆斯堡爾譜的位置與結構的改變。
            1958年,德國青年物理學(xué)家Rudolf L. Mössbauer發(fā)現了原子核無(wú)反沖γ射線(xiàn)發(fā)射或吸收效應,即穆斯堡爾效應。
            如果原子核束縛在固體的晶格中,當發(fā)射或吸收γ射線(xiàn)時(shí),有一定概率的原子核不單獨發(fā)生反沖,而是整個(gè)晶格受到反沖,其反沖動(dòng)能為:
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            其中,M 為整個(gè)晶體的質(zhì)量。顯然反沖能量必須由原子或原子核的躍遷能量E0來(lái)提供。由于反沖原子或原子核帶走了一部分能量,因此發(fā)射光子的能量將會(huì )降低。此時(shí)獲得的光譜中發(fā)射譜線(xiàn)與吸收譜線(xiàn)之間的能量寬度為2ER。由于原子或原子核的激發(fā)態(tài)能級存在著(zhù)一定分布,導致發(fā)射譜線(xiàn)與吸收譜線(xiàn)也有一定寬度的統計分布(記為Γn),如圖1所示。對于57Fe來(lái)說(shuō),Γn約為4.67×10-9eV,而其原子核的反沖能則為ER=1.9×10-3eV,二者相差近一百萬(wàn)倍。因此一個(gè)孤立57Fe原子核所發(fā)射的γ射線(xiàn)一般不能為另一個(gè)孤立57Fe原子核所吸收,所以通常觀(guān)察不到57Fe自由原子核的γ射線(xiàn)共振熒光現象。但是對可見(jiàn)光來(lái)說(shuō),例如對能量為2.1eV的Na-D線(xiàn)來(lái)說(shuō),譜線(xiàn)寬度是4.4×10-8eV,而發(fā)射N(xiāo)a-D線(xiàn)2.1eV光子時(shí),Na原子的反沖能ER≈10-10eV << 4.4×10-8eV。如圖2所示,由于譜線(xiàn)的寬度大于自由原子的反沖能,所以實(shí)際上發(fā)射與吸收譜幾乎完全重疊,反沖能不影響觀(guān)察到可見(jiàn)光的共振熒光現象。
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         圖1  γ射線(xiàn)發(fā)射光譜與吸收光譜示意圖         圖2  原子發(fā)射光譜與吸收光譜示意圖
            根據多普勒效應的原理,如果將γ射線(xiàn)源相對散射體以適當的速度運動(dòng),造成譜線(xiàn)的能量移動(dòng)或展寬,使發(fā)射譜線(xiàn)與吸收譜線(xiàn)發(fā)生一定的重疊,就可能實(shí)現γ射線(xiàn)共振熒光現象。但是,穆斯堡爾通過(guò)實(shí)驗發(fā)現,如果將發(fā)射和吸收γ光子的原子核置入晶格的束縛之中,當發(fā)射和吸收γ光子時(shí),原子核本身可能不受反沖的影響,而由所在晶格全部承擔反沖,這時(shí)觀(guān)察到的就是無(wú)反沖共振吸收,即穆斯堡爾效應。除57Fe之外,目前已觀(guān)察到四十多種元素的穆斯堡爾效應。
         
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