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穆斯堡爾譜實驗原理 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2013-11-28 09:42:32 瀏覽次數: |
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穆斯堡爾譜是物質對γ光子能量的無反沖吸收或發射譜的一種,來源于原子核激發態和基態間的能級躍遷,相應的光子能量屬于γ射線能量范圍。一般來說,γ光子的能量很高,它的吸收或輻射過程將伴隨著反沖作用引起的能量損失。Mössbauer發現,固定在固體點陣上的原子核有一定的幾率發生γ射線的無反沖吸收或發射,此即Mössbauer效應。處在不同物體中的同種原子核,它們的無反沖發射或吸收的 γ 射線的能量也不相同。為了觀測它們之間的共振吸收現象,可通過多普勒(Doppler)效應調節無反沖發射或吸收的γ射線的能量。穆斯堡爾譜就是束縛于吸收體點陣上的原子核對束縛于發射體中的同種原子核發射的γ射線的吸收率與二物體間相對速度為參變量表示的能量曲線。核外電子與核的超精細相互作用造成核能級的移動與劈裂。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,德國青年物理學家Rudolf L. Mössbauer發現了原子核無反沖γ射線發射或吸收效應,即穆斯堡爾效應。
如果原子核束縛在固體的晶格中,當發射或吸收γ射線時,有一定概率的原子核不單獨發生反沖,而是整個晶格受到反沖,其反沖動能為:
其中,M 為整個晶體的質量。顯然反沖能量必須由原子或原子核的躍遷能量E0來提供。由于反沖原子或原子核帶走了一部分能量,因此發射光子的能量將會降低。此時獲得的光譜中發射譜線與吸收譜線之間的能量寬度為2ER。由于原子或原子核的激發態能級存在著一定分布,導致發射譜線與吸收譜線也有一定寬度的統計分布(記為Γn),如圖1所示。對于57Fe來說,Γn約為4.67×10-9eV,而其原子核的反沖能則為ER=1.9×10-3eV,二者相差近一百萬倍。因此一個孤立57Fe原子核所發射的γ射線一般不能為另一個孤立57Fe原子核所吸收,所以通常觀察不到57Fe自由原子核的γ射線共振熒光現象。但是對可見光來說,例如對能量為2.1eV的Na-D線來說,譜線寬度是4.4×10-8eV,而發射Na-D線2.1eV光子時,Na原子的反沖能ER≈10-10eV << 4.4×10-8eV。如圖2所示,由于譜線的寬度大于自由原子的反沖能,所以實際上發射與吸收譜幾乎完全重疊,反沖能不影響觀察到可見光的共振熒光現象。
圖1 γ射線發射光譜與吸收光譜示意圖 圖2 原子發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射線源相對散射體以適當的速度運動,造成譜線的能量移動或展寬,使發射譜線與吸收譜線發生一定的重疊,就可能實現γ射線共振熒光現象。但是,穆斯堡爾通過實驗發現,如果將發射和吸收γ光子的原子核置入晶格的束縛之中,當發射和吸收γ光子時,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,這時觀察到的就是無反沖共振吸收,即穆斯堡爾效應。除57Fe之外,目前已觀察到四十多種元素的穆斯堡爾效應。
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