穆斯堡尔效应及其应用

穆斯堡尔效应及其应用

摘要：穆斯堡尔效应是现代核物理技术的核心理论，也是解决空间测距精确程度的重要方法。本文具体而清晰地阐述了穆斯堡尔效应及应用形式，也对相应的科学领域进行了针对性的概述。

关键词：穆斯堡尔效应 γ光子 发射谱 吸收谱

一. 引言

在1958年由德国青年物理学家穆斯堡尔首次发现由γ射线所发出的一种共振荧光现象，后来人们把这一种现象称为无反冲γ射线共振吸收效应又称穆斯堡尔效应。这一效应发现之后马上引起了物理学界以及与物理学相关的科学界的重视，很快成为跨学科多门类的新兴技术，渗透到了物理学中的核物理、点阵动力学、超导物理、磁学；化学中的化学键、化合物的结构、催化；以及地质学、生物学、医学、工学、人文科学甚至到考古学、美术学都有广泛的应用。换句话说，只要是与物质结构微观结构有关的研究学科，都有穆斯堡尔效应的踪迹。因此，穆斯堡尔效应的应用探究直到现在仍然是一个十分重要的研究领域。

穆斯堡尔在完成他的硕士论文时首次观察了191Os 经过β衰变成191Ir 以及187

Re 、177Hf 、188Er 等原子核无反冲γ共振吸收现象。本文阐述穆斯堡尔效应之后，对穆斯堡尔效应的具体应用分几个方面进行阐述，现代很多技术都与穆斯堡尔效应有关，这一结果是十分令人满意的。

二. 穆斯堡尔效应的理论诠释

一个处于静止状态的自由原子核，根据动量守恒定律，释放一个γ光子时，将受到一个反冲动量，反冲动量为：

P=mv=h ν （1） c

所以：E R =12p m v == （2） 2m 2m c 222

2

式中：m 为原子核的质量 E为释放γ光子的能量 c为真空的光速 这个动量应该由原子核的跃迁所释放的能量E 0=E 2-E 1来提供，所以

发射γ光子所需要的能量为：

E =hν=E -E =E - (3) 2m c ·¢0R 202

我们使发射谱线的中心发生偏移，使谱线不在E 0处，而在E 0-E R 处。 如果一个原子核发射的γ射线的有一个反冲，发出的γ射线相应的能量就会减少一部分：E 1=E 0-E R

另外一个吸收的原子核也具有一个反冲能量，所以，要产生共振荧光现象就应该提供相应的能量：E 2=E 0-E R

这样会导致发射谱和吸收谱产生相差为2E R 的距离，如图1；

图1；

原子核吸收γ光子的过程，同时也会获得光子所发射的反冲能量

，这种反冲动量一定是入射光子提供的，则： E =2m c R 22

E Î=E 0+E R =E 0+2 （4） ü2m 2c

经过这样的操作，会使发射谱和吸收谱相距2E R 的距离，如图一；

例如对于57Fe 来说，第一激发态释放14.4kev 的γ光子能量。原子核所受到的反冲能量为E R =1.9⨯10-3ev ，这样会使发射谱和吸收谱的间

距等于2E R =3.8⨯10-3ev ，此外，E R 与激发态的能级的自然宽度相比

较确实是一个大量，遵循海森堡不确定关系即∆E ∙∆t ≥h ，所以有寿命的激发态一定存在能级的自然宽度Γ。例如：57Fe 能级的半衰期为

9.8⨯10-8s ，它的自然宽度为：

Γ=

τ= c -9=4.7⨯10ev τc （5）

所以2E R 比Γn 大一百多万倍，这样就会导致一个自有存在的57Fe 原子

核所发出的14.4kev 能量的光子，不能为另一个基态的57Fe 所吸收。一般而言，自由原子核发射γ光子所获得的反冲能量大于10-4ev ，而谱线能级的自然宽度在10-16 10-19ev 范围内，前者远远大于后者，这就是实验观察不到自由原子核所发射的γ射线所产生共振荧光的内在本质。

三. 穆斯堡尔效应的特征

自从德国物理学家穆斯堡尔发现并观测穆斯堡尔效应以后，它的发展速度是十分惊人地。由穆斯堡尔效应开展的学科和领域不断增大，它已经成为观测物质微观结构的非常重要的技术手段，这与穆斯堡尔效应的几个优点是密不可分的。

（1）微观探测性 穆斯堡尔效应发出的光子形成的谱线是有物质（固态、液态、气态）这里特别是固体物质的固有属性决定的，它

是表征被测样品中特殊同位素所发出的能级谱线随外界的变化而引起谱线变化的情况。这里说的不是大量物体在总体程度上的统计平均所引起的宏观现象，所以，通过穆斯堡尔效应的进一步研究，我们可以清楚的发现许多物质内部的微观结构以及微观结构与微观结构之间相互联系的内部机理，同时我们也可整合物质内部与外部的联系的有关资料，为以后研究新的科研技术打下坚实的基础。

（2）高分辨率 我们知道穆斯堡尔谱线中的吸收谱和发射谱之间交叠区域是非常狭窄的。因此，我们可以得到很高的分辨率，同时，我们也可以利用穆斯堡尔效应观察很多物质超精细结构的相互作用（例如：测量地月距离）。表1，给出了穆斯堡尔谱线的分辨率以及其他几种光谱的分辨率供我们参考。

表1, 几种谱的分辨率

（3）高度的选择性 用已知的57Fe 作为γ-射线源时，在待测样品中只有含有57Fe 的样品才会出现穆斯堡尔效应，所以它具备程度较高的选择性，同时它可以运用到含有组分复杂物质的特定元素的确定以及所处化学环境的数据分析。从穆斯堡尔效应的发现到1971年，短

短的几年中，就已经观测到很多元素中都具有穆斯堡尔效应的特性。

（4）高度的灵敏性 随着科学技术的不断发展仪器设备性能的不断优化以及信息储存技术的应用，使穆斯堡尔效应的探测和获取数据的程度都有很高的灵敏度。例如，把穆斯堡尔效应应用到物质超精细结构的相互作用方面都取得了很大的成功。

（5）动态探测性 因为穆斯堡尔效应具有高分辨率、高度的选择性和极高的灵敏度等特性。所以在一定程度上可以利用穆斯堡尔效应来探究化学中物质反应速率及催化问题，以及相变和地质学中的陨石、月岩和其他的动力学过程。

（6）非破坏性探测 在一般情况下，我们进行穆斯堡尔效应的探测时，有两个突出的优点：①. 所需待测样品的数量极少。②. 不会对待测样品的物理和化学属性产生任何影响。因为穆斯堡尔效应具有这样的突出优点，在化学中的催化问题占据很高的地位。

综上所述，正如哲学中所说的一样：“任何事物都是一个矛盾的个体。”穆斯堡尔效应具有一定的优点但也具有一定的缺点。例如，

（1）穆斯堡尔效应只有在固体物质中才能应用，这样可以在一定程度上削弱光子反冲能量和热致增宽效应；（2）穆斯堡尔效应发展到今天，我们并不能观测所有物质的穆斯堡尔效应；（3）许多具有穆斯堡尔效应的元素都应该在极低温度的情况下进行观测。

四. 在磁学上以及与磁学领域相关的应用

对于穆斯堡尔效应发展速度是十分惊人的以及它的应用方面是十分广泛的。它在磁学以及磁性物质等方面就占据相当重要的地位，

这是由于在元素周期表中有一半的元素都具有穆斯堡尔效应。我们所熟知的铁族它是与磁性物质关系非常紧密的元素，如：3d 族、4f 族和5f 族共计有20种元素，38种同位素都具有穆斯堡尔效应，这就导致铁族元素在磁学中占有重要的地位。像前文中我们所提出的57Fe 的14.4kev 的γ-光子反冲跃迁表现的几个显著地特点：微观探测性的用途很广，可以在室温和高温情况下进行实验；有较长的半衰期(可达到270天) ；吸收谱和发射谱的交叠区域较窄和高分辨率等特点，这就使得57Fe 在穆斯堡尔效应的研究应用中占据相当大的比重。本小节将重点根据穆斯堡尔效应对磁学和磁性物质的探究中的几个突出的应用进行介绍。

（1）铁氧体和石榴石型铁氧体等磁性物质中阳离子的研究 在固体物理学中我们熟知了晶体结构的有关知识了解的，铁氧体的种类不同从而阳离子的占位也会不同。对于我们所研究的A 型尖晶石型铁氧体和B 型石榴石型铁氧体中的阳离子晶位就会不完全相同，第一种A 型铁氧体中阳离子有两种晶位分别是：四面体和八面体；第二种是B 型铁氧体的阳离子有三种晶位分别是：四面体，八面体和十二面体。由于两种铁氧体的晶位取向和所处的化学环境不同，所以导致穆斯堡尔谱线的线性结构也会不同。同时我们也可以利用谱线的强度的不同来测量阳离子在不同结构中的具体分布，对于多晶体的穆斯堡尔谱线，如图2给出的石榴石型铁氧体的谱线，由此我们可以推导出在室温下Fe 原子核的两种晶位的超精细结构为390与485千奥。 3+

图2

（2）不同点阵铁氧体的磁化强度的探究 我们可以利用穆斯堡尔效应对不同点阵的原子核进行超精细结构的测定，对实验与理论的结果进行分析对比可知，次级点阵原子核的超精细磁场随着温度T 的变化所组成的对比曲线与同级次点阵磁化强度随着T 的变化所组成的对比曲线的曲线是完全重合的，由此我们可以利用穆斯堡尔效应的温度关系来计算次级点阵的磁化强度与T 的关系，这一关系是宏观测量法不能给出的。此外，我们也可以利用核磁共振来测量次级点阵的磁化强度与T 的关系，图3. 给出A 位和B 位铁氧体的超精细结构H

与T sf sf (T ) 的函数关系。

f

图3

（3）尖晶石型铁氧体和石榴石型铁氧体等磁性物质中对Fe 2+与Fe 3+离子的研究 对于某些非正分铁氧体经常含有少量的二价亚铁离子，我们采用一些化学分析的方法，但是这种方法是比较麻烦的并且会花费很长的时间，也无法排除其他多种离子的干扰，如果我们采用穆斯堡尔效应的方法，当温度高于一个居里点的时候，这样就可以完全消除磁超精细结构的干扰，另外由于核外电子组态与化学环境的差异。我们可以根据Fe 2+和Fe 3+呈现完全不同的同质异能位错，所以易于研究，如图4.

（4）铁氧体等磁性材料中超精细结构的探究

在磁性材料中有些有序材料的自旋磁结构的不同，在很多情况下都是根据穆斯堡尔效应进行探测的。例如所熟知的α-Fe 2O 3在莫林点以下

称为反铁磁体，它的自旋取向沿着[111]三角形晶轴排布。在莫林点以上称为弱亚铁磁体，它的自旋取向在（1 1 1）晶面内部，在奈耳点以上称为顺磁性铁磁体。

（5）铁磁性铁氧体的穆斯堡尔谱线与磁场超精细结构的探究

对于金属磁性材料的穆斯堡尔效应的探究，可以得到相关的原子核的微观结构的有关知识并与宏观特性进行对比研究，这样可以有利于对磁性材料规律性的研究

（6）非晶体磁性物质的穆斯堡尔效应的探究

非晶体磁性物质的探究，不仅在基础应用磁学与磁性物质的研究中备受瞩目。例如:在某些不具有周期性特点的磁性物质以及混磁性和散磁性的探究属于应用磁学的内容，对于非晶体磁泡材料的应用属于磁性物质的内容。

五. 穆斯堡尔效应在其它领域的应用

穆斯堡尔效应的应用有几点突出的优点，这也使得它的应用领域不断地进行扩展。不仅在物理学科学方面得到深入和发展，也在化学、工学、农学和医学甚至在考古学和美术学等领域也彰显着独特的魅力和作用，备受人们关注。下面我们对其他方面的应用进行简单的概述。

（1）穆斯堡尔效应在物理学领域的应用

穆斯堡尔效应在物理学的各个分支中都拥有极其重要的作用。例如：在核物理学方面可以测定原子核的均方半径、测定原子核的电四极矩和测定核磁矩与核g 因数等；在超导物理学中的应用，可以计算超导体的自旋驰豫以及铁磁性与超导性的共存等；在固体物理学中测量晶体的镜像方式、离子的电子层结构、金属中的缺陷、相变等；在激光物理学方面的 -放射源的构想是非常引人关注的，由于此构想我们可能在不久的将来发现分子全息术。

（2）穆斯堡尔效应在化学中的应用

由大量的实验研究表明，对某些含有穆斯堡尔效应的元素的材料。在某种特定的环境下，可以研究某些金属的氧化态、化学键中的同种异能移位以及对化学键的定量描述，这种方法比X-射线和红外谱新的实验方法简单的多，节约时间。可以得到，较多和较为全面的数据和结论，也可以利用穆斯堡尔谱线对化合物的结构进行研究。

(3)穆斯堡尔效应对农学领域的应用

我们是一个农业大国，所以肥料在我国农业发展占有重要地位。对于植物而言，植物固氮作用是极其重要的。近期科学家利用穆斯堡

尔效应来探索固氮酶的微观结构，得到了重大成果。对酶的结果和作用的关系给出了比较科学的分析，对新肥料的研究给出新的途径。

（4）穆斯堡尔效应在地质科学和天文科学等领域的应用

我们可以利用穆斯堡尔效应在自然界内快速的研究并分析某些含有Fe 、Sn 等岩石的微观结构、物质组成、化合价等。从得到的结论推断形成岩石结构时的地质条件。我们也可以利用穆斯堡尔效应来寻找对人类有用的矿物材料，也可以用它来预测地震。科学家已经利用穆斯堡尔效应研究了月岩以及陨石的化学组成和结构。对于在2015年最新探测出的引力波也是利用穆斯堡尔效应进行探测的。

（5）穆斯堡尔效应在其它领域的应用

在人文科学上，可以利用穆斯堡尔效应的谱线对古陶器进行探测。根据自然黏土中铁的状态和烧结黏土中铁的状态转变进行对比分析，可以推算出古陶器的烧制温度和当时的空气的温度，也可以鉴定古陶器的老化年龄。在美术上，可以利用艺术制品中含有的元素所产生的穆斯堡尔谱线辨别制品的真伪和年代。

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