无反冲γ射线的共振吸收现象.pdf

33卷第2期 2011年2月 物理教学 PHYSICS TEACHING VoI．33 No．2 Feb．2011 无反冲 射线的共振吸收现象 -_—穆斯堡尔效应 李 士(中国科协发展研究中心北京100863) 一、什么是穆斯堡尔效应 穆斯堡尔效应是由前西德科学家R·L·穆斯 堡尔在1958年发现的，由于观察到的共振线宽非常 窄，故此现象几乎立即引起物理学界的重视，三年之 后获得了诺贝尔物理学奖当时他仅仅32岁，后来 这种现象被称为穆斯堡尔效应对穆斯堡尔效应的 研究发展极其迅速，现已成为专门的学科——穆斯 堡尔谱学 为什么穆斯堡尔效应会引起全世界物理学界的 兴趣和重视呢?这是因为穆斯堡尔效应的发现可同 上世纪初发现的X射线衍射和电子显微技术相媲美， 它解决了过去许多科学工作者利用原有技术手段难 以解决的问题，其能量分辨率可达1O ～10 (r／ )换句话说，穆斯堡尔效应可以作为一把精密的 尺子，假如我们用此尺去量月球中心到地球中心的距 离，可精确到百分之一的头发丝粗细由于有如此高 的能量分辨率，故在研究物质微观结构的自然科学各 个领域中都应用了穆斯堡尔谱学目前已经在44种 元素，83种同位素中观察到穆斯堡尔效应。

其中应用 最广泛的是 Fe的14．4 keV的穆斯堡尔效应，这主要 原因之一是由于自然界中铁的自然丰度很高，故穆斯 堡尔谱学又被形象地称为揭开铁的微观奥秘的钥匙 什么是穆斯堡尔效应呢?穆斯堡尔效应其实就 是无反冲核的7射线共振和吸收现象大家知道， 共振现象是物理学中的一个基本概念，在声学和原 子光谱等方面，这种现象很容易实现如大家都熟 知的音叉共振和原子共振实验(用钠光源的光照到 装有钠蒸气的玻璃瓶时，可观察到微弱的黄光)除 了音叉，分子和原子共振之外，原子核之间也可以发 生共振吸收现象我们先举一个生活中的实例来形 象说明：假如河中小船上的人从船上往岸上跳时，我 们知道小船会往后移动这就是说，人从船上往岸 上跳时，人所用的能量E0可分成两部分，传给小船 ·2‘ 的反冲能 ，而可利用的能量仅为E同样，在原 子核发射7射线和7射线的吸收过程中也存在这种 现象，E]为第一激发态到基态的能量，ER是反冲 能，E为7跃迁能量(见图1)这样发射的了射线 能量比实际能级问的能量E少了一个反冲能 ， 根据能量守恒定律： E0一E +ER 在吸收7射线时也会有反冲能ER的作用因此在 原子核7射线的发射和吸收过程中其能量差为 2E ，这就是在一般的情况下看不到原子核之间的 共振吸收现象的原因。

激发态—— 放射源 基态— 磊 一 图1穆斯堡尔核过程简图 穆斯堡尔的重大发现就在于成功地解决了这个 问题我们还是从前面所举的生活实例中看，假如 冬天河水结冰，小船被冻结在河水中，这时人再从船 上往岸上跳，我们知道小船不会往后移动，这就消除 了反冲能 的影响基于这种考虑，如果将原子 核像被冻结在水中的小船一样，使其固定在晶格位 置上，或者以其他形式来补偿反冲损耗，是否能实现 原子核之间的共振吸收呢?答案是肯定的 如果我们将 射线作为光粒子来考虑，它的静止 质量 和能量E之间，根据爱因斯坦质能关系式可 写成 E 一mc 这里c是光速若原子核的质量为M，原子核反冲 33卷第2期 物理教学 速度为 ，根据动量守恒定律和能量守恒定律，反冲 能 可写成 ER E3／2Mc 式中 是”Fe核激发态和基态的能量差另从原子 核物理中知道，衰变的核态(具有平均寿命r)不是能 量严格的定态，而是有一个能量不确定性r，称之为自 然线宽，并由r和海森堡测不准关系确定： r·r—h／2兀 这里h是普朗克常数利用上式很容易计算 和r 对于 Fe核来说，ER一1．95×1O一eV，r一4．67× 1Cr_E 比，一大几个数量级，所以在一般的情况 下看不到原子核的共振现象。

我们可以利用多普勒效应来调制丫射线的能 量假如一个能量为E 的光粒子，以速度V0向着 观察者运动，其能量变化AE为 △E一( ／C)·Er 对于卵Fe核的14．4 keV7射线，1 cm／s的速度相当 于△E一4．80×10一 eV这与E 相比是非常小的， 但比自然线宽大两个数量级这样，通过7射线的 调制可实现共振吸收图2是穆斯堡尔当初的实验 装置，在实验中他将放射源装在转盘的边缘上，使放 射源与吸收体之间相对运动同时放射源和吸收体 都可以在低温中冷却 探测 放射源 图2穆斯堡尔效应实验装置 二、穆斯堡尔效应的应用 穆斯堡尔效应由于具有极高的能量分辨本领而 被广泛地应用于物理学、化学、生物学和医学、冶金 学、材料科学、表面科学、地质学和考古学等领域 对于铁来说，已经形成“哪里有铁，哪里就有穆斯堡 尔谱学”的研究局面 1．相分析和相变从穆斯堡尔谱中得到的超精 细相互作用参数随温度的变化，随外加磁场的变化， 随压力的变化等，可以用来研究相变，也可以鉴定固 体中的物相，并可发现新相此外还可以确定居里温 度和奈耳温度Bruzzone等人在温度从77 K到 340 K，压强53 kbar情况下研究了a-Fez03的Morin 转变，结果与有关Morin转变理论一致。

图3是利用 穆斯堡尔谱学研究在不锈钢中奥氏体相变过程从 图中可明显看出，304不锈钢样品只有一个奥氏体变 质峰，而与304样品类似的EN58E样品有少量的铁 磁I生，而在650℃暴露在液体钠中铁磁性相增加 2．确定磁有序温度和类型从超精细场与温度 的变化，能确定磁有序温度对多晶材料加一外场， 观察跃迁强度的变化能研究磁耦合的一些性质，即铁 磁眭、亚铁磁性或反铁磁性等等在磁有序材料中用 相对吸收线强度与角度的关系可以确定自旋方向 3．表面和界面的磁性研究利用穆斯堡尔谱 学对过渡金属表面和界面的磁性研究作出了重要贡 献Tyson等科学家用穆斯堡尔谱学方法测得在 4．2 K时3O层铁膜的超精细场分布，发现在低温 下，薄膜表面两侧各有三层，其超精细场大于体内超 精细场穆斯堡尔谱学也是研究钢铁腐蚀的有效手 段之一，利用背散射方法可做表面测量，并在2O～ 3000A范围内对不同深度进行选择分析它已发展 成为一种能定性和定量分析的方法 图3奥氏体相变的穆斯堡尔谱 4．晶格缺陷和位错利用穆斯堡尔谱学研究 固体和液体中的扩散，从谱线的宽度和形状能给出 原子徒动的信息与离子注入结合起来可以研究注 入过程的微观特点及注入杂质近邻的电子结构。

而 晶格缺陷、位错、表面原子和体内原子的差异都可以 从化学移位中反映出来 33卷第2期 物理教学 5．非晶态、储氢、液晶和半导体材料等方面的 研究穆斯堡尔谱学可对某些新材料进行研究例 如：对非晶态材料的研究可以了解非晶态金属的原 子排列、磁结构和自旋取向等信息；对于储氢材料三 元氢化物的研究，可以了解氢的化学状态及其所在 位置，相的形成，吸氢后对晶体的电性与磁性的影响 及吸氢机理等；Gubbens等人发现，DyMn2在吸氢 后磁有序消失，而Dy6Mn 材料在吸氢后引起体相 磁化大大减小；Rrice等人对某些液晶材料提出转动 扩散模型来解释其无反冲分数的变化 6．化学键的性质用穆斯堡尔谱学与核四极矩 实验结合起来，可以研究化学键的性质；与核磁共振、 电子自旋共振等方法结合起来可以研究自旋一点阵或 自旋一自旋弛豫、自旋波的激发及其传播特性等 7．催化机理的研究在化肥、石油炼制等化工生 产中都离不开催化剂利用穆斯堡尔谱学可以研究催 化剂的吸收，均匀相和非均匀相、测定催化活性状态和 化学转化的中问产物等例如：Maksimov等人利用穆 斯堡尔谱研究了在氨合成中Fe—Mo和Fe—Ni催化剂的 结构和催化作用Cohen等人介绍了在金属化塑料中所 用的胶体催化剂的穆斯堡尔谱的研究。

8．生物医学方面的研究穆斯堡尔谱学是研究 蛋白质和酶的一种有力工具，研究对象从可分离的蛋 白质扩大到生物组织以至完整的生物体研究领域由 生理、生化开始深入 到医学、病理的探讨 例如在大多数隋况下 正常人血液中血红蛋 白以两种形式出现， 而非正常人(如贫血 患者)的穆斯堡尔谱 中多了一组双线经 鉴别为铁蛋白或血铁 黄蛋白图4是一个图 着 蒜 蓊 沉 正常人肺部样品(A) 和—个患含铁血黄素沉着病(煤矿职业病)人肺部样品 (B)的穆斯堡尔谱谱线(A)含铁血黄素化合物中 Fe3+数量少谱线(B)说明有大量附加含铁血黄素 用这种类似的方法已经能够研究镰状血球贫血症 9．矿物地质方面的研究利用穆斯堡尔效应 可以测定矿物中铁的氧化状态、电子组态图5为 几个具有代表性的铁的穆斯堡尔谱线不同氧化状 态和电子组态的铁具有不同的谱线利用穆斯堡尔 谱学还可以确定阳离子配位数、位置分布及有序无 ·d 序现象等，从而可以探讨矿物的形成条件和特征 煤的矿质的鉴别是十分重要的，利用穆斯堡尔谱可 以研究煤的发热过程中含铁矿物的转化、煤的利用、 液化和气化等过程穆斯堡尔谱学用于石油地质方 面可以说明地层的氧化还原特性和推断有机物的原 始含量，以及确定石油母岩的成熟度，在石油地质和 找矿中都具有重要意义。

图5 几个铁及铁的氧化物的穆斯堡尔诸 l0．在物理学中的应用利用穆斯堡尔谱学曾 成功地测定和检验了爱因斯坦相对论，即引力红移实 验1981年Kacila等人利用 rZn的93．3 keV 射线 研究了y辐射和重力场之间的相互作用，测量了引力 红移与角度 的关系，所得的结果与爱因斯坦广义相 对论等价原理相符合图6为 一10时应用 Zn所 做的红移实验的穆斯堡尔谱，其中 是光子传播方向 与重力加速度g 之间的夹角此 外，利用穆斯堡尔 谱还曾测定了一 些核的激发态寿 命、电极矩、核磁 矩、激发态和基态 核半径的变化， 光子的电荷等 另外，在高能物理 中曾验证了时间 反演不变陛，原子 衰变的宇称守恒 实验等 图6∞一10时应用 Zn所做 的红移实验的穆斯堡尔谱 。