穆斯堡爾譜學

基穆堡效、具廣泛領域γ射線譜。

穆堡效 核反衝γ射線共振散射吸收。～，..穆堡觀察()γ射線共振散射底首。論釋。

核射吸收γ，核反衝。反衝量是激發態能量同基態能量的差，m是該原子核的質量,с是真空中的光速)。這個能量損失使發射譜或吸收譜偏差 的能量。核激發態的能量寬度Γ取決於激發態壽命τ。對大部分核輻射，，難以實現共振吸收。穆斯堡爾發現，若原子核被束縛在晶體點陣上，則發射或吸收γ光子時，整個晶體反衝，這時m應該代以晶體的質量。晶體質量遠大於一個原子核的質量，於是反衝能量ER顯著減小，因此容易觀察到共振吸收現象。這就是所謂無反衝γ共振吸收。但實際點陣振動狀態是量子化的，在反衝能量小於點陣振動的能級間隔時，它將被整個晶體吸收。所以穆斯堡爾效應又稱為零聲子發射和吸收。發生這種過程的幾率f稱為無反衝因子或穆斯堡爾分數：

其中k是γ射線的波矢,是該原子核在γ射線發射方向上振動振幅的均方值。迄今為止，已經觀察到穆斯堡爾效應的有 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。其中最常用的是和,括弧內為γ光子能量。

無反衝γ射線的最主要特點是譜線的寬度接近於核能級寬度。如。表明它具有極高的γ射線能量解析度，因此能觀察到原子核能級的超精細結構。在共振實驗中，由於源同吸收體的化學環境的差異，原子核外ｓ電子電荷密度發生變化，它同原子核電荷的相互作用使躍遷能量相應變化，其差值表現為能量位移，稱為同質異能位移或化學位移 δ。自旋的核，電荷分佈是非球形對稱的，核具有電四極矩eQ，它同核所處的電場梯度發生相互作用使核能級產生四極分裂（eq是描述電場梯度的參量）。自旋的核具有核磁矩,它同核所處的內磁場相互作用，使核能級產生分裂（見塞曼效應）。在穆斯堡爾譜中可以清楚地分辨這些超精細相互作用引起的位移和分裂。以及f等常稱為穆斯堡爾參量。若已知核周圍環境的電磁結構則可以研究核的特性，反之，若核的性質已知，由測量結果可以推得核周圍環境的電磁結構，即用穆斯堡爾核為探針研究物質的微觀結構。

1957年R.穆斯堡爾在實驗中發現：固體中的某些放射性原子核有一定的幾率能夠無反衝地發射γ射線，γ光子攜帶了全部的核躍遷能量。而處於基態的固體中的同種核對前者發射的γ射線也有一定的幾率能夠無反衝地共振吸收。這種原子核無反衝地發射或共振吸收γ射線的現象後來就稱之為穆斯堡爾效應。

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在同一量級，因而具有極高的能量解析度。以57Fe核14.4Kev的躍遷為例，自然線寬ΓH為，能量解析度約為10-13的量級（原子發射和吸收光譜的能量解析度在理想情況下可達的量級），因此它是研究固體中超精細相互作用的有效手段。目前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。

穆斯堡爾譜方法的主要特點是：解析度高，靈敏度高，抗干擾能力強，對試樣無破壞，實驗技術較為簡單，試樣的製備技術也不複雜，所研究的對象可以是導體、半導體或絕緣體，試樣可以是晶體或非晶體態的體材料、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，且許多還必須在低溫下或在具有製備源條件的實驗室內進行，使它的應用愛到較多的限制，事實上，目前只有和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，並且隨著實驗技術的進一步開發，可以預期，它將不斷地克服其局限性，在各研究領域發揮更大的作用。

穆斯堡爾效應，即原子核輻射的無反衝共振吸收。這個效應首先是由德國物理學家穆斯堡爾於1958年首次在實驗中實現的，因此被命名為穆斯堡爾效應。應用穆斯堡爾效應可以研究原子核與周圍環境的超精細相互作用，是一種非常精確的測量手段，其能量解析度可高達10-13，並且抗干擾能力強、實驗設備和技術相對簡單、對樣品無破壞。由於這些特點，穆斯堡爾效應一經發現，就迅速在物理學、化學、生物學、地質學、冶金學、礦物學、地質學等領域得到廣泛應用。近年來穆斯堡爾效應也在一些新興學科，如材料科學和表面科學開拓了應用前景。

理論上，當一個原子核由激發態躍遷到基態，發出一個γ射線光子。當這個光子遇到另一個同樣的原子核時，就能夠被共振吸收。但是實際情況中，處於自由狀態的原子核要實現上述過程是困難的。因為原子核在放出一個光子的時候，自身也具有了一個反衝動量，這個反衝動量會使光子的能量減少。同樣原理，吸收光子的原子核光子由於反衝效應，吸收的光子能量會有所增大。這樣造成相同原子核的發射譜和吸收譜有一定差異，所以自由的原子核很難實現共振吸收。迄今為止，人們還沒有在氣體和不太粘稠的液體中觀察到穆斯堡爾效應。

1957年底，穆斯堡爾提出實現γ射線共振吸收的關鍵在於消除反衝效應。如果在實驗中把發射和吸收光子的原子核置於固體晶格中，那麼出現反衝效應的就不再是單一的原子核，而是整個晶體。由於晶體的質量遠遠大於單一的原子核的質量，反衝能量就減少到可以忽略不計的程度，這樣就可以實現穆斯堡爾效應。實驗中原子核在發射或吸收光子時無反衝的概率叫做無反衝分數f，無反衝分數與光子能量、晶格的性質以及環境的溫度有關。

穆斯堡爾使用（鋨）晶體作γ射線放射源，用（銥）晶體作吸收體，於1958年首次在實驗上實現了原子核的無反衝共振吸收。為減少熱運動對結果的影響，放射源和吸收源都冷卻到88K。放射源安裝在一個轉盤上，可以相對吸收體作前後運動，用多普勒效應調節γ射線的能量。經過β-衰變成為的激發態，191Ir的激發態可以發出能量為129 keV的γ射線，被吸收體吸收。實驗發現，當轉盤不動，即相對速度為0時共振吸收最強，並且吸收譜線的寬度很窄，每秒幾厘米的速度就足以破壞共振。除了191Ir外，穆斯堡爾還觀察到了等原子核的無反衝共振吸收。由於這些工作，穆斯堡爾被授予1961年的諾貝爾物理學獎。

截至2005年上半年，人們已經在固體和粘稠液體中實現了穆斯堡爾效應，樣品的形態可以是晶體、非晶體、薄膜、固體表層、粉末、顆粒、冷凍溶液等等，涉及40餘種元素90餘種同位素的110餘個躍遷。然而大部分同位素只能在低溫下才能實現穆斯堡爾效應，有的需要使用液氮甚至液氦對樣品進行冷卻。在室溫下只有三種同位素能夠實現穆斯堡爾效應。其中57Fe的 14.4 keV 躍遷是人們最常用的、也是研究最多的譜線。

穆斯堡爾效應對環境的依賴性很高。細微的環境條件差異會對穆斯堡爾效應產生顯著的影響。在實驗中，為減少環境帶來的影響，需要利用多普勒效應對γ射線光子的能量進行細微的調製。具體做法是令γ射線輻射源和吸收體之間具有一定的相對速度，通過調整v的大小來略微調整γ射線的能量，使其達到共振吸收，即吸收率達到最大，透射率達到最小。透射率與相對速度之間的變化曲線叫做穆斯堡爾譜。應用穆斯堡爾譜可以清楚地檢查到原子核能級的移動和分裂，進而得到原子核的超精細場、原子的價態和對稱性等方面的信息。應用穆斯堡爾譜研究原子核與核外環境的超精細相互作用的學科叫做穆斯堡爾譜學。

穆斯堡爾譜的寬度非常窄，因此具有極高的能量分辨本領。例如57Fe的 14.4 keV 躍遷，穆斯堡爾譜寬度與γ射線的能量之比，67Zn的 93.3 keV 躍遷，107Ag的93 keV 躍遷。因此穆斯堡爾效應一經發現就在各種精密頻差測量中得到廣泛應用。例如：

測量引力紅移 —— 引力引起的紅移量一般小於10-10數量級，歷史上應用穆斯堡爾效應首先對其進行了精密測量[1]。相對論預言，由於地球上不同高度引力勢能不同，會引起光子離開地球時在不同高度的頻率不同，相差20米帶來的頻率測量變化為。1960年，龐德和裡布卡利用穆斯堡爾效應測量到了這個微小的變化。

驗證邁克爾遜-莫雷實驗 —— 1970年，伊薩克(G.R.Isaak)利用穆斯堡爾效應測量了地球相對於以太的速度。實驗測得此速度的上限為，基本證實了不存在地球相對於以太的運動。

利用多普勒速度掃描實現共振吸收測量的裝量(見彩圖), 它的原理如圖1所示。通常由無反衝的放射源和吸收體，產生多普勒速度的驅動系統和探測器組成。多普勒速度υ同補償能量之間的關係是，獲得一個譜線所需要的多普勒速度約為譜線寬度或超精細分裂的數量級，Fe約為毫米／秒的數量級。圖2是一些典型的穆斯堡爾譜──透過吸收體的γ射線光子數對多普勒速度的函數。圖中的凹峰表示最大共振吸收發生的位置，圖2a中它同機械零速度的速度差值反映了吸收體相對於源的化學位移 δ。圖2b分別為Fe的四極分裂和磁偶極相互作用塞曼效應分裂譜。

穆斯堡爾效應的各種應用，通稱為穆斯堡爾譜學。它幾乎涉及所有自然科學領域。20世紀60年代R.V.龐德等人用穆斯堡爾效應在地面上測量了源同吸收體在高度上相距22.5m時的γ射線能量位移，在1％的精度內驗證了重力位移效應的驗證了A.愛因斯坦的等效原理。在有關的實驗中，發現了譜線隨溫度移動（熱紅移）有人把這類實驗看成是對相對論時間效應的一個驗證（見狹義相對論）。

在核物理方面，穆斯堡爾譜學可以用來測量核激發態的磁矩、電四極矩；也可以直接由譜線寬度確定核能級壽命；由化學位移確定激發態和基態間核電荷半徑的相對變化等。

凝聚態物理方面，測量無反衝因子可用於固體的點陣動力學的研究；此外，由熱位移也能獲得的信息。磁超精細相互作用對磁有序材料，如鐵磁、亞鐵磁和反鐵磁的研究特別有用，可以確定物質的磁結構；根據內磁場隨溫度的變化確定磁有序化溫度、鑒定含鐵物相、相變研究等。

聚合物中分子內和分子間的作用力同材料性質有關，穆斯堡爾譜學可用來研究高壓對材料性質的影響。在極低溫度下穆斯堡爾效應可用來研究超導性質的轉變及化學成分與超導性的關係。

化學上的應用，最主要的穆斯堡爾參量是化學位移和四極矩分裂。它們可用來研究穆斯堡爾原子的電子組態，並可以獲得化學價鍵方面的知識，穆斯堡爾譜還可以用來研究錫、鈦的金屬有機化合物。

在生物科學方面，利用穆斯堡爾效應研究了血紅素蛋白、鐵硫蛋白、貯鐵及轉移鐵的蛋白等的結構和性質。這是利用過渡金屬可以取不同的氧化狀態的特點，因此，它們很容易參與氧化還原作用，鐵和鋇是各種金屬酶的活性中心，它們起著催化電子轉移和氧化作用，也是帶氧蛋白的活性中心。