穆斯堡爾譜

原子核無反衝地發射或共振吸收射線的現象後來就稱之為穆斯保爾效應。 ^[1]  凡是有穆斯堡爾效應的原子核 ,簡稱為穆斯堡爾核。目前 ,發現具有穆斯堡爾效應的化學元素 (不包括鈾後元素) 只有 42 種，80 多種同位素的100多個核躍遷。尤其是尚未發現比鉀元素更輕的含穆斯堡爾核素的化學元素。大多數要在低温下才能觀察到，只有⁵⁷Fe的1414 keV和¹¹⁹Sn的23.87 keV 核躍遷在室温下有較大的穆斯堡爾效應的幾率。對於不含穆斯堡爾原子的固體，可將某種合適的穆斯堡爾核人為地引入所要研究的固體中，即將穆斯堡爾核作為探針進行間接研究，也能得到不少有用信息。

通過上面討論，可知固體中的原子可以實現γ光子的無反衝共振吸收。當無反衝γ射線經過一吸收體時，如果入射γ光子能量與吸收體中的某原子核的能級間躍遷能量相等，這種能量的γ光子就會被吸收體共振吸收。若要測出共振吸收的能量大小，必須發射一系列不同能量的γ光子。與穆斯堡爾原子核躍遷能量相應的γ光子顯著地被共振吸收，透過後為計數器所接收的光子數明顯減少； 而能量相差較大的γ 光子，則不被共振吸收，透射γ光子計數較大。這種經吸收後所測得的γ光子數隨入射γ光子的能量的變化關係，就稱為穆斯堡爾譜。通過測量透過吸收體的γ光子計數，所得到的穆斯堡爾譜稱為透射穆斯堡爾譜。如果測量由吸收體散射後的γ光子計數得到的穆斯堡爾譜，稱為散射穆斯堡爾譜 (或背散射穆斯堡爾譜) 。即吸收體共振吸收後處於激發狀態，再向基態躍遷時發射出γ射線，又稱二次γ光子。共振吸收時，發射出二次光子數目最多。

要想吸收體中某種核發生共振吸收，就必須具有能發出相應於這種核躍遷能量的γ光子的放射源。一般放射源發射的只是一或二種能量的γ光子，這就不能形成穆斯堡爾譜。但使放射源相對於吸收體運動，利用多普勒效應來調製γ射線的能量，可以得到一系列不同能量的γ光子。根據多普勒效應可知，當源向着接收器運動時，頻率增加；而遠離接收器運動時，頻率減小。如果相對運動發生在接收器和光源的連線上，接收器接收到光波頻率ν與它們之間相對運動速度v及光源發射頻率ν₀之間滿足如下關係 ^[2]  ：

光源與接收器彼此趨近時

光源與接收器彼此遠離時

通常由於

,上式可近似寫成

當光源與接收器彼此趨近時取正號，遠離時取負號。將上式兩邊同乘以普朗克常數 h ，得

整理得：

即能量變化ΔE 和相對速度 v 之間滿足

可見 ，利用發射源與吸收體之間相對運動產生多普勒效應 ，導致γ光子能量發生變化 ，只要改變相對運動速度 v 大小 ，就能得到一系列不同能量的γ光子 。

圖 1 是穆斯堡爾透射實驗和散射實驗的示意圖。 圖1中 A 是穆斯堡爾源 ，B 是共振吸收體 ，C 是共振散射體。在透射穆斯堡爾譜中 ，因吸收發生共振時透過計數率最小 ，所以形成倒立的吸收峯。在散射譜中 ，由於共振吸收時發射二次光子數目最多 ，所以穆斯堡爾譜是正立的峯。對於一些簡單的譜 ，有時對譜圖進行定性分析就可獲得不少有價值的信息。 但對於一些複雜物相的譜 ，必須將實驗譜擬合為一系列理論譜線 的疊加 ，才能由譜抽出有價值的信息.。

由於穆斯堡爾效應得到的穆斯堡爾譜線寬Γ與核激發態平均壽命所決定的自然線寬Γ_H在同一量級，因而具有極高的能量分辨率。以⁵⁷Fe核14.4Kev的躍遷為例，自然線寬ΓH為4.6x10^-9eV，能量分辨率約為10^-13的量級（原子發射和吸收光譜的能量分辨率在理想情況下可達10^-8的量級），因此它是研究固體中超精細相互作用的有效手段。如今已廣泛在應用於物理學、化學、材料科學、物理冶金學、生物學和醫學、地質學、礦物學和考古學等許多領域，發展成為一門獨立的波譜學----穆斯堡爾譜學。 ^[1] 

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穆斯堡爾效應涉及固體中核激發態和基態能級間的共振躍遷 ，因此核的能級結構決定着譜形狀及諸參量 ，而共振核的能級結構又決定於核所處的化學環境 ，所以穆斯堡爾譜能極為靈敏地反映共振原子核周圍化學環境的變化 ；並可以獲得共振原子核周圍化學環境的變化 ，由它可以獲得共振原子的氧化態、自旋態、化學鍵的性質等有關固體微觀結構的信息。穆斯堡爾譜能方便地確定某種固體 (含穆斯堡爾核) 是否為非晶態， 因為晶態固體的穆斯堡爾譜參量都有確定的值 ，共振譜線很尖鋭 ，而非晶態固體 ，由於穆斯堡爾譜參量是連續或準連續分佈的 ，因而共振譜線較寬。圖 2 和圖 3 分別示出了非晶態的

和晶化了的

的譜 ，可以看出二者顯著不同 。

穆斯堡爾譜在固體的磁性研究中 ，可用來確定磁有序化温度，磁有序化類型 ，即固體是鐵磁性的還是反鐵磁性的或亞鐵磁性的 ，分析磁性離子在各亞晶格間的布居 ,研究磁結構或自旋結構。在微晶和非晶態固體的研究中 ,它特別有用 ，因為在這些情況下 ，研究固體的結構常用的 X 射線衍射技術已不敏感 ，在微晶研究方面 ，穆斯堡爾譜可以提供磁性微晶的弛豫過程、磁各向異性能常數、微晶的大小及其分佈等方面的信息。

穆斯堡爾譜可用於固體的相變研究 ，確定相變温度 ；對複雜物相可以進行定性或定量的相分析 ；對未知物相 ，可作為“指紋”技術進行鑑別 ，含有同一穆斯堡爾原子的不同物相 ，一般説來它們的譜不同 ，只要它們的超精細參量中有一個顯著不同 ，就可很容易地將它們區分開。當有了一系列已知物相的譜參數以後 ，就可以將穆斯堡爾譜作為“指紋”，鑑定複合物中含有哪些物相。由它們各自的共振譜線的積分強度 ，可定量或半定量地確定它們在複合物相中的比例 ；單一物相在發生相變時 ，若其中含有穆斯堡爾原子 ，則穆斯堡爾參數在相變點將有不連續的變化 ，據此可確定相變温度。

穆斯堡爾譜方法在研究固態表面、界面、薄膜及超細小顆粒中發揮了重要作用 ,由譜中表面原子貢獻的分量 ,可以獲得表面原子的振動、表面原子的磁性等多方面的信息。 例如 ，在表面和界面的磁性研究中 ，由譜超精細磁場的測量和分析得知 ，在 295K，表面原子的磁化強度的熱無序大於體內熱無序。人們還發現 ，對於由 10 多個原子層組成的磁性超薄膜 ，磁化強度隨温度的變化近似為線性的 ，而不是通常的 T3/ 2的關係。這些結果均與理論所預言的相符。曾利用穆斯堡爾效應等方法研究了中國古代北方著名的陝西耀州窯的唐三彩 ，由實驗的觀測研究可以推斷在空氣的氧化氣氛中燒製 ，燒成温度約為 1000 ℃。又曾利用穆斯堡爾效應等實驗研究了陝西秦始皇兵馬俑的原料、河南寶豐著名汝瓷官窯遺址粘土、河南鞏縣唐三彩窯遺址粘土 ，由此比較未燒粘土和古陶瓷的譜參數等 ，可以判斷古陶瓷的原料來源、燒製氣氛和燒成温度等等。

穆斯堡爾譜方法的主要優點是：(1) 設備和測量簡單 ; (2) 可同時提供多種物理和化學信息 ; (3) 分辨率高 ,靈敏度高 ,抗擾能力強 ,對試樣無破壞 ; (4) 所研究的對象可以是導體、半導體或絕緣體 ,試樣可以是晶態或非晶態的材料 ,薄膜或固體的表層 ,也可以是粉末、超細小顆粒 ，甚至是冷凍的溶液，範圍之廣是少見的。

主要的不足之處是：只有有限數量的核有穆斯堡爾效應，且許多還必須在低温下或在具有製備源條件的實驗室內進行，使它的應用受到較多的限制，事實上，至今只有⁵⁷Fe和¹¹⁹Sn等少的穆斯堡爾核得到了充分的應用。即使如此，它仍不失為固體物理研究的重要手段之一，在有些場合甚至是其他手段不能取代的，並且隨着實驗技術的進一步開發，可以預期，它將不斷地克服其侷限性，在各研究領域發揮更大的作用。 ^[1] 

穆斯堡爾譜實驗的內容及其所需學時數的伸縮性很大，可根據實驗室條件、實驗人數、學生專業等不同要求，選擇相應的內容、深度並配合相應的學時．通過該實驗可以瞭解有關穆斯堡爾效應、穆斯堡爾譜學的基本知識；瞭解譜參數的宏觀表示和它反映的物質微觀結構信息間的關係；瞭解譜儀的基本結構和功能，譜儀的速度標定方法，測譜和數據處理的方法等；瞭解穆斯堡爾譜學分析技術在不同學科領域中具體的應用方法並結合有興趣的課題或實驗室的科研方向作具體的工作等。 ^[1]