穆斯堡尔效应-武汉大学物理试验中心.PDFVIP

穆斯堡尔效应 1958 年，德国年轻的物理学家穆斯堡尔（R. L. Mössbauer ）首先在实验上实现了原子核 辐射无反冲共振吸收，这一现象后来被命名为穆斯堡尔效应。该效应一经发现就迅速地在物 理学、化学、冶金、生物学和地质学等方面得到广泛的应用，特别是近年来在一些新兴科学 如材料科学、表面科学等领域中也开始了应用的前景。之所以有如此广泛的应用，是由于穆 -13 斯堡尔效应具有高达 10 的能量分辨率，同时可以探查原子核周围环境的微小变化信息， 构成了极灵敏的微观探针，它是研究物质结构的有力工具。由于这一发现，穆斯堡尔荣获 1961 年诺贝尔物理学家。 一 实验目的 1．了解穆斯堡尔效应的基本原理、穆斯堡尔谱仪的结构及实验方法。 2 ．通过一些典型的吸收体的穆斯堡尔谱的测量和半定量分析，达到对穆斯堡尔参数有初 步了解。 二 实验原理 1．穆斯堡尔效应 穆斯堡尔效应是一种原子核无反冲的γ 射线共振吸收或共振散射现象，它的主要特点是 具有极高的能量分辨本领（对57 -12 67 -15 Fe 为 10 ，对 Zn 为 10 ），已广泛地应用于物理学、化 学、生物学、地质学、矿物学、考古学等领域，成为一门相当成熟的穆斯堡尔谱学。最常用 的穆斯堡尔核素是57 119 Fe 和 Sn。 共振吸收是自然界的一种普遍现象。例如钠灯中一束黄光（即Na-D 线）通过充满钠蒸 汽的透明玻璃容器时，由于共振而产生强烈吸收，这就是人们熟知的原子共振吸收现象。 原子核从激发态跃迁到基态时，伴随发出γ 射线。这一γ 射线可能在相反的过程中被另 一同类的核所吸收，使后者从基态跃迁到激发态。这个被激发的原子核随后还会发射γ 射线， 或者是以发射内转换电子和X 射线的方式消激（图 1）。 图1 γ 射线共振吸收示意图 但是，对于自由原子核（例如处于气体状态的γ 放射源）就得不到这样的共振吸收现象。 因为自由原子核发射或吸收λ 光子时，它受到反冲。根据能量守恒动量和动量守恒定律，可 得出反冲能量ER 为 E 2 E （1） R 2 2Mc 1 式中，E E − E ，即是核在激发态和基态之间能量差，M 是原子核质量，c 是光速。 e g 由于反冲的结果，原子核发射的γ 光子能量为Eγ E − ER ，而激发吸收体中核的能量 要求为E + ER 。这就是说，要实现共振吸收，被吸收的光子能量要比发射光子的能量大 2E 。 R 我们知道，原子核发射谱和吸收谱的自然宽度Γ 取决于激发态平均寿命τ ，根据海森 n 堡的测不准关系可得 h Γ （2 ） n τ 对于57Fe 的14.41 keV γ 跃迁来说，可算得ER ≈ 1.957 × 10−3 eV ，Γn ≈ 4.65 × 10−9 eV ， 5 ER / Γn ≈ 4 × 10 。这就是说