关于穆斯堡尔谱学介绍

[拼音]：Musibao’er puxue

[外文]：Mssbauer spectroscopy

通过γ射线的无反冲共振吸收研究固体微观结构的谱学技术，以1958年发现该效应的R.L.穆斯堡尔的姓命名。

简史

1960年R.V.庞德和G.A.里布卡用穆斯堡尔效应验证了广义相对论预言的重力场谱线红移；同年H.J.哈伊等验证了狭义相对论预言的横向多普勒效应。这些实验都表明了穆斯堡尔效应有极高的精度。穆斯堡尔谱线宽度很窄，理想线宽仅为能级自然宽度的二倍，通常这比由原子核－核外环境间超精细相互作用引起的核能级的移动和分裂小得多。由于能量分辨率高、设备简单、可原位测定等一系列优点，从发现穆斯堡尔效应至今虽只有20多年，但这个源于核物理的方法已在与固体物理和化学有关的许多学科中得到重要应用。

穆斯堡尔效应

自由原子核发射或吸收γ光子时，由于核的反冲使发射谱与吸收谱相距甚远，因此不易观察到共振吸收效应。但如果把发射核与吸收核分别牢固地束缚在放射源与吸收体的所在固体点阵中，就可能消除原子核的反冲，如用含有同类原子核的固体样品为吸收体，则能有一定的几率实现γ射线无反冲的发射和共振吸收，通常用无反冲因子f 表示实现这种过程的几率。为观察到穆斯堡尔效应，必须使f＞0.01。由于吸收体和源中相同的穆斯堡尔原子核所处环境通常不同，因而其能量也不同，测谱时必须使源相对于吸收体以一定速度v 往返运动，通过多普勒效应来调制所发生的γ射线的能量，同时测定γ射线的相对透射率，即可得到穆斯堡尔谱（图1）。

以57Fe的能量E=14.4千电子伏的γ跃迁为例，所测线宽Γ为0.93×10-8电子伏，其Γ/E=6×10-13。这表示可用该效应探测10-13数量级的能量变化。穆斯堡尔效应由于具有极高的能量分辨率，已成为研究穆斯堡尔原子与其周围环境超精细相互作用的有力手段。

穆斯堡尔谱参量

原子核周围环境所产生的电磁场对于能级的影响称为超精细相互作用，它们可以用相应的谱参量衡量，这些相互作用和相应的谱图如图2所示。

它包括同质异能移、四极裂距和磁分裂。

也称化学能移，以δ表示，它产生于原子核电荷与进入核内的原子电子电荷密度的静电相互作用，这种电子电荷密度主要直接来自s电子和p电子的贡献，间接来自d、f等壳层电子的屏蔽效应。这种静电相互作用对于能级的影响使谱线发生位移。从δ的数值可以得到穆斯堡尔原子氧化态和化学键性质等信息。

以ΔEQ表示，对于自旋量子数I＞1/2的原子核，可用电四极矩Q表示核电荷分布偏离球对称的程度，核外环境在核处产生的电场梯度与核四极矩的相互作用，使核能级分裂从而得到分裂的谱线。以57Fe和119Sn为例，激发态时Ie＝3/2，在非立方对称环境的静电作用下可分裂为两个亚能级，得到一组双线谱，双线的间距即为四极裂距。从ΔEQ可以得到关于核周围电子云分布或近邻环境（配体或离子）电荷分布的不对称性和化学键性质的信息。

自旋量子数为 I的原子核的磁矩与核外环境所产生的磁场相互作用会使核能级分裂为2I+1个亚能级，以57Fe和119Sn为例，由此可得到特征的六线谱，从这种磁超精细分裂可以求出原子核处的有效磁场。

上述超精细作用可单独存在，也常见两种或三种同时共存。已观察到穆斯堡尔同位素有90余种，使用最广泛的为57Fe（现约占全部穆斯堡尔研究工作的70％）和119Sn（现约占15％）。穆斯堡尔元素的数目有限。有的半衰期太短；有的使用时必须低温，这些因素是这个谱学方法的主要限制。

应用

穆斯堡尔效应为当代一个重要科学发现。在很短时间内，它几乎渗入到所有自然科学研究领域。至今，所研究的范围仍在不断扩大。原子核的基本性质、点阵动力学、弛豫效应、生物大分子体系、催化体系、微晶颗粒、表面、界面、金属和合金中的电子结构、化学结构、化学键、共价效应、非晶态、辐射损伤以及地质、矿物、考古、环境等方面的应用都是目前重要的研究内容。

参考书目

1. U.贡泽尔著，徐英庭、李哲等译：《穆斯堡尔谱学》，科学出版社，北京，1979。(U.Gonser，Mssbauer Sp-ectroscopy，Springer-Verlag，Berlin，1975.)