穆斯堡爾效應(yīng)的應(yīng)用

1、指一種原子核無反沖的Y射線共振散射或吸收的現(xiàn)象。德國物理學(xué)家R.L.穆斯堡爾于1957年1958年間在觀察19 ilr (129keV)的Y射線共振本底時(shí)首先發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，并在 理論上作了解釋。一個(gè)自由原子核發(fā)射或吸收Y光子時(shí)，原 子核要受到反沖，反沖能量損失，發(fā)射譜或吸收譜便產(chǎn)生偏 差，對大部分核輻射，難以實(shí)現(xiàn)共振吸收。若原子核被束縛 在品體點(diǎn)陣上，品體質(zhì)量遠(yuǎn)大于一個(gè)原子核的質(zhì)量，發(fā)射或 吸收Y光子時(shí)，整個(gè)品體反沖，反沖能量將顯著減小，容易 觀察到共振吸收現(xiàn)象。這就是所謂無反沖Y共振吸收。但實(shí) 際上點(diǎn)陣振動(dòng)狀態(tài)是量子化的，在反沖能量小于點(diǎn)陣振動(dòng)的 能級間隔時(shí)，它將被整個(gè)品體吸收。所以穆斯堡爾

2、效應(yīng)又稱 零聲子發(fā)射和吸收。迄今為止，已經(jīng)觀察到的穆斯堡爾效應(yīng) 有40多種元素，80多種核素，100多條穆斯堡爾躍遷線。 這些核素稱為穆斯堡爾核。其中最常用的是57Fe (14.4keV) 和119Sn (23.8keV)，括號(hào)內(nèi)為Y光子的能量。無反沖Y射 線最主要特點(diǎn)是譜線的寬度接近于核能級寬度，這表明它具 有極高的Y射線能量分辨率，因此能觀察到原子核能級的超 精細(xì)結(jié)構(gòu)。在共振實(shí)驗(yàn)中，由于源同吸收體的化學(xué)環(huán)境的差 異，原子核外s電子電荷密度發(fā)生變化，它與原子核電荷的 相互作用使躍遷能量相應(yīng)變化，其差值表現(xiàn)為能量位移。稱 為同質(zhì)異能位移或化學(xué)位移。自旋大于1/2的核，電荷分布 非球形對稱，核具

3、有電四極矩，它與核所處的電場梯度發(fā)生 相互作用，核能級便產(chǎn)生四級分裂。自旋大于零的核，具有 核磁矩，它與核所處的內(nèi)磁場相互作用，核能級就產(chǎn)生分裂。 在穆斯堡爾譜中可以清楚地分辨這些超精細(xì)相互作用引起 的位移和分裂。若已知核周圍環(huán)境的電磁結(jié)構(gòu)，則可以研究 核的特性；反之，若核的性質(zhì)已知，由測量結(jié)果可以推得核 周圍環(huán)境的電磁結(jié)構(gòu)，即利用穆斯堡爾核，能探測物質(zhì)的微 觀結(jié)構(gòu)。利用多普勒速度掃描可以實(shí)現(xiàn)共振吸收測量，這種裝置 稱為穆斯堡爾譜儀。由該儀器能獲得穆斯堡爾譜透過吸 收體的Y射線光子數(shù)對多普勒速度的函數(shù)。上圖是一個(gè)典型 的穆斯堡爾譜，凹峰表示最大共振吸收發(fā)生的位置，它與機(jī) 械零速度的速度差值反映

4、了吸收體相對于源的化學(xué)位移6。穆斯堡爾效應(yīng)的各種應(yīng)用，通稱為穆斯堡爾譜學(xué)。它幾 乎涉及所有自然科學(xué)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家用穆 斯堡爾效應(yīng)在地面上測量了源同吸收體在高度上相距22.5 米時(shí)的Y射線能量位移，在1%的精度內(nèi)驗(yàn)證了重力位移效應(yīng) 和愛因斯坦等效原理，并發(fā)現(xiàn)譜線隨溫度移動(dòng)（熱紅移）。有些物理學(xué)家把這類實(shí)驗(yàn)看成是相對論時(shí)間效應(yīng)的一個(gè)驗(yàn) 證。在核物理方面，穆斯堡爾譜學(xué)可以用來測量核激發(fā)態(tài)的 磁矩、電四極矩；也可以由譜線寬度確定核能級壽命；由能 量位移確定激發(fā)態(tài)和基態(tài)間核電荷半徑的相對變化。凝聚態(tài) 物理方面，測量無反沖過程的幾率可用于固體的點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué) 的研究；磁超精細(xì)相互作用對磁有序

5、材料，如鐵磁、亞鐵磁 和反鐵磁的研究，可以確定物質(zhì)磁結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)磁場隨溫度 變化，可以確定磁有序化溫度、鑒定含鐵物相、相變研究。 穆斯堡爾譜學(xué)還可用來研究高壓對材料性質(zhì)的影響；在極低 溫度下，用來研究超導(dǎo)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變及化學(xué)成份與超導(dǎo)性的關(guān) 系。在化學(xué)上，可用來研究穆斯堡爾原子的電子組態(tài)，并可 以獲得化學(xué)價(jià)鍵方面的知識(shí)，以及研究錫、鈦金屬有機(jī)化合 物。在生物科學(xué)方面，利用穆斯堡爾效應(yīng)可研究血紅素蛋自、 鐵硫蛋白、貯鐵及轉(zhuǎn)移鐵的蛋白等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。穆斯堡爾效應(yīng)的應(yīng)用穆斯堡爾效應(yīng)是原子核無反沖的誠寸線的發(fā)射和吸收，在本質(zhì)上也是一種核磁共振。它 可以用來研究原子核與核外環(huán)境的超精細(xì)相互作用，從而分析物質(zhì)的

6、微觀結(jié)構(gòu)。原子核外的 環(huán)境影響原子核的超精細(xì)能級，進(jìn)而影響穆斯堡爾譜。因此，研究穆斯堡爾譜可以得到原子 核的超精細(xì)場（內(nèi)場）、原子的價(jià)態(tài)、對稱性等方面的數(shù)據(jù)。在固體物理、生物、化學(xué)等領(lǐng) 域有著廣泛的應(yīng)用。下面主要就其在分析磁有序化材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用做簡單介紹。材料磁性的研究已成為穆斯堡爾譜學(xué)最經(jīng)常應(yīng)用的領(lǐng)域之一。而對于研究磁性材料來說，57Fe的穆斯堡爾效應(yīng)有著特殊的重要性。其原因?yàn)椋篎e是磁性材料中普遍存在的成分。許多含F(xiàn)e的磁有序化合物具有較高的德拜溫度，可以在較高的溫度下觀察57Fe 的共振。57Fe的激發(fā)態(tài)核有相當(dāng)長的壽命和相當(dāng)窄的共振線寬，核自旋小及核磁矩大，便 于研究超精細(xì)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生

7、57Fe的57Co具有較長的半衰期（270天），是可以采用大量生產(chǎn)的高質(zhì)量放 射源。穆斯堡爾效應(yīng)在分析磁有序物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可以概括為以下幾個(gè)方面：確定磁有序度類型確定磁有序化轉(zhuǎn)變溫度相成分的分析相變的分析確定晶位分布確定磁有序度類型穆斯堡爾譜線的強(qiáng)度與內(nèi)磁場Hi和y射線傳播方向的夾角有關(guān)。在純四極距效應(yīng)中， 譜線強(qiáng)度與電場梯度的主軸方向和Y射線傳播方向的夾角有關(guān)。它們的關(guān)系如下表所示：躍遷3/2 1/2純?nèi)V線強(qiáng)度的角度依賴 關(guān)系純電四極相互作用強(qiáng)度的角 度依賴關(guān)系1/2 一 1/2mm1/2 一 1/2表中Om及Oq分別為內(nèi)場及電場梯度的主軸方向和y射線傳播方向的夾角。因此，可 以通過在

8、不同方向加外磁場及梯度電場時(shí)穆斯堡爾譜線中各峰強(qiáng)度比的變化，判斷原子磁矩 有序化的情況。下面將給出幾個(gè)例子：如對于多晶的鐵磁樣品，當(dāng)外場He=0時(shí)，由于多晶多疇，原子磁矩分布在空間的各個(gè) 方向上。根據(jù)上表給出的角度關(guān)系，在全空間平均，從而得到譜線中各峰的強(qiáng)度比為3： 2： 1: 1: 2： 3。下圖中外磁場He是沿y射線的傳播方向。這時(shí)的外磁場相當(dāng)強(qiáng)，是樣品達(dá)到飽和磁化。因此，譜線各峰的強(qiáng)度比為3： 0： 1： 1： 0： 3。對應(yīng)的Om=0o下圖中外強(qiáng)磁場是加在與y射線傳播相垂直的方向上。譜線各峰的強(qiáng)度比為3： 4： 1：1： 4： 3。它對應(yīng)于Om=90o對于亞鐵磁體，當(dāng)鐵原子分別處于兩套

9、亞點(diǎn)陣中時(shí)，將出現(xiàn)兩套亞點(diǎn)陣譜。在不加外 磁場時(shí)，他們的譜線均為右上圖所示的3： 2： 1： 1： 2： 3。加磁場時(shí)樣品飽和磁化時(shí)，由于兩套亞點(diǎn)陣的內(nèi)磁場分別平行及反平行于外磁場，他們的穆斯堡爾譜如右下圖所示為3： 0： 1： 1： 0： 3。對于反鐵磁體，加外磁場通常很少影響譜線的強(qiáng)度，這是因?yàn)樵谝话銖?qiáng)度的外場中不會(huì) 發(fā)生顯著的自旋極化，如果采用單晶樣品，或同時(shí)利用極化Y射線技術(shù)，可以得到關(guān)于自旋 取向的更多資料，特別是對于復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)情況，如非共線反鐵磁體和自旋沖排列結(jié)構(gòu)等。確定磁有序化轉(zhuǎn)變溫度磁有序化轉(zhuǎn)變是原子磁矩有序排列與混亂取向之間的轉(zhuǎn)變。因此，測量內(nèi)磁場隨溫度的 變化可以確定磁有

10、序化溫度。通常使用順磁態(tài)時(shí)最強(qiáng)的吸收譜線與溫度的函數(shù)關(guān)系曲線的突 變處來表示此有序化溫度。如果已測定材料系統(tǒng)的校準(zhǔn)點(diǎn)，就可利用測量的磁轉(zhuǎn)變溫度來確定材料系統(tǒng)中樣品的成 分。例如，使用熔融技術(shù)生長單晶體時(shí)，生長晶體的成分常常是不確知的，把測得的轉(zhuǎn)變溫 度值與成分一致的樣品的同類數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，便可確定化學(xué)成分。下圖給出ScFeO3的多晶體分別在296K及5K時(shí)的穆斯堡爾譜線。而下圖是ScFeO3的穆斯堡爾譜順磁態(tài)最高能量譜線與溫度的關(guān)系?？筛鶕?jù)它的順磁狀態(tài)能量最高的吸收譜線的溫度依賴關(guān)系，得到該樣品的磁有序化溫度為39K相成分的分析對于表示磁性材料的特征來說，穆斯堡爾譜學(xué)有相當(dāng)普遍的應(yīng)用，其中包括

11、對固態(tài)物相 的鑒定。如果材料不止一種含鐵的相。那么每一種相都對應(yīng)他自己的穆斯堡爾譜。可與已知相的 穆斯堡爾標(biāo)準(zhǔn)譜相比較。這與采用X射線衍射圖樣分析的方法是一致的。當(dāng)然，穆斯堡爾 譜學(xué)在這方面的應(yīng)用遠(yuǎn)不及X射線衍射那樣普遍。但穆斯堡爾效應(yīng)的靈敏度高，可以檢測 到有些X射線檢測不出來的第二相。另一種方法，是用最小二乘法，用洛侖茲擬合實(shí)驗(yàn)譜線，從而獲得材料中各種成分的情 況。例如：聯(lián)系到月巖樣品的穆斯堡爾譜學(xué)的研究，制備了含有少量Fe3+和Mg2+的鈦鐵礦 樣品。在這些固溶體系統(tǒng)中，為了得到單相材料，必須使用很低的氧分壓，如果氧分壓太高， 則將得到FeTiO5-(Fe,Mg)Ti2O5固溶體系統(tǒng)中的

12、第二種相。當(dāng)溫度為1200攝氏度和處于較 低真空條件下所燒結(jié)的樣品的穆斯堡爾譜如下頁圖1所示。兩條強(qiáng)的共振線是由FeTiO3中 的Fe3+形成的。由鐵板鈦礦（Fe2TiO5）結(jié)構(gòu)中的Fe2+形成的吸收線也是十分清楚地。要得到真正的單相材料，必須把樣品在1200攝氏度、大約10-8托的真空中燒結(jié)。圖2 示出在這樣條件下樣品的穆斯堡爾譜，成分為FeTiO3,用最小二乘法，把這個(gè)譜用洛倫茲 型擬合，可看出，沒有第二種物相痕跡.相變通過確定超精細(xì)參量和溫度之間的關(guān)系，常?？梢源_定相變。例如，在晶體結(jié)構(gòu)或原子 占位對稱性較低的情況下，也常常出現(xiàn)相當(dāng)大的電四極矩效應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)譜線可以求出電四 極相互作用能AEQ，當(dāng)AEQ隨溫度出現(xiàn)突變時(shí)，可以確定在這個(gè)溫度晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。確定晶位的分布在固溶體和化合物中，同種原子或離子可能占據(jù)幾種晶位。如在柘榴石鐵氧體中，F(xiàn)e3+ 離子可能占據(jù)八面體位置和四面體位置。確定該原子或離子在不同晶位中的占有率對研究磁 性材料具有很大意義。若所有的點(diǎn)陣具有同樣的無反沖分?jǐn)?shù)f,那么，某一相的譜線分量的總強(qiáng)度（譜線面積） 應(yīng)該與其中