试验10穆斯堡尔谱学试验
实验12 穆斯堡尔谱学实验
实验目的
1． 了解穆斯堡尔效应和穆斯堡尔谱仪的基本原理。
2． 掌握穆斯堡尔谱基本参数的测定方法。
实验内容
1． 测α-Fe 的穆斯堡尔谱。根据α-Fe 穆斯堡尔谱内双峰半宽度估算穆斯堡尔谱仪的测量精度。
2． 测α-Fe 2O 3的穆斯堡尔谱，计算α-Fe 2O 3的同质异能移、四极分裂和内磁场。 原理
假如原子核A 衰变到原子核B 的激发态
B *，然后从激发态B *退激到基态B 时，发射出
γ光子。当这一γ光子遇到另一个同样的原子核
B 时，就应被共振吸收。但对于自由原子核要实
现上述共振吸收是很困难的，因为发射和吸收γ
光子的过程中，均由于原子核反冲而损失一部分
能量E R
)
(/1037.5222042202eV A E MC E M P E n R ??=≈=- （1）
式中P n 为反冲动量，M 为原子核质量，A 为原子量，E 0为以keV 为单位的γ跃迁能量。对于57Fe 的14.4keV 能级，E R =1.95×10-3eV 。反冲效应使γ光子的发射谱向低能方向移动E R ，使吸收谱向高能量方向移动E R 。这样发射谱和吸收谱就相差
)1055.4(10296eV E R -?=ΓΓ?≈，所以气体或液体中的自由原子核是无法实现无反冲共振吸收的。
穆斯堡尔发现，如果使发射和吸收γ光子的原子核束缚在固体晶格中，反冲能量主要转化为晶格平均振动能vib E 。晶格振动能量的变化是声子能量E ω 的整数倍，ωE 是爱因斯坦固体的特征振动频率。当)10(~2
eV E E R -<ω 时，在发射和吸收γ光子的过程中，或许
激发声子，或者不激发，其中不激发声子的几率f ，又叫无反冲分数。由理论计算给出：
)exp(22><-=x k f (2)
其中k 是γ光子的波矢，
如采用德拜固体模型，我们可得到无反冲分数的下述表达式：
???
????
???????????-???? ??+-=?T x D D B R D dx e x T k E f /021416exp θθθ (3) 当T<<θD 时 ?????????? ?
?Γ+-=22223exp D D B R k E f θπθ (4) 当T>θD 时
??
????-=26exp D B R k T E f θ (5) 式中k B 为玻尔兹曼常数，B D D k /ωθ =为德拜温度。从这些公式我们可得到下述结论：
（1） 反冲能量减小，f 值增大。
（2） 温度下降时，f 值增大。
（3） 德拜温度高的固体的f 值大。
实际上，穆斯堡尔原子核是处在轨道电子和相邻原子（或离子）的电磁场之中。核电荷，核磁矩和电四极矩与核位置的电磁场相互作用（超精细相互作用），使核能级移动和分裂。穆斯堡尔谱有下列三个参数：
1． 同质异能移δ
我们研究原子的电子结构时，通常把原子核
看成点电荷。但实际上原子核有一定体积，而且s
电子也有一定几率透入核体积内。在核体积内，s
电子和核电荷之间的相互作用能量要比在核外略
有减小。这一减小的能量为：
><=222|)0(|3
2R Ze E ψπδ (6)
式中2|)0(|ψe 为核位置的电子电荷密度，
><2R 为核半径的均方值。
处于不同能级的原子核半径不同，根据（6）
式，激态和基态的能移E δ也不同。在穆斯堡尔实
验中，一般测量的是放射源和吸收体中两种γ跃
迁的能量差δ：
{}
R R R Ze s A /|)0(||)0(|54222
2δψψπδ?-= （7） 2． 四极分裂
非球对称原子核具有电四极矩。如果核外电荷在核位置形成一定的电场剃度，结果就
会产生电四极相互作用。在轴对称电场剃度情况下，这一相互作用能量为：
)]1(3[)
12(422+--=I I m I I QV e E I zz Q (8) 电四极相互作用使57Fe 的14.4keV 能级分裂成两个次能
级，基态能量不变。这样形成两组γ跃迁，其能量差ΔΕQ
就叫四极分裂：
zz I Q I Q Q V eQ m E m E E 2
)21()23(=±=-±==? (9) 式中m I =I,I-1,…,-I 为原子核的磁量子数，I 为何自旋，Q
为原子核电四极矩，V zz 为电场剃度的z 轴分量。四极分
裂能给出有关晶体的微观结构及配位情况的信息。
3． 磁偶极分裂
原子核具有磁偶极矩μ，它和核位置的固体内部磁
场H i 产生相互作用，而使核能级分裂，其相互作用能量为：
I i n I i m m H g I m H E μμ-=-=/ (10)
其中μn 为核磁子，g 为核朗德因子。从（10）式可知，核能级在H i 的作用下分裂为2I+1个次能级。57Fe 的能级分裂后，根据选择定则1,0±=?m ，只允许6种月钱。根据穆斯堡尔谱可以确定固体内部磁场H i ：
)(12.31)(/16kOe v v H s m m i ?-= (11)
从而可以研究固体内部磁结构及磁相互作用情况。v 1和v 6是1和6峰的峰位置速度值。
4． 磁电组合超精细分裂
实际上在很多固体的穆斯堡尔原子核位置，同时存在内磁场H i 和电场剃度V zz 。电场剃度的同时存在只使次能级的位置发生相对位移。当轴对称电场剃度张量的V zz 轴和磁场平行时，对于57Fe 这一磁电组合超精细相互作用能量为：
4
)1(21
||zz m I i n m eQV m H g E I ?-+-=+μ (12) 内磁场的计算用（11）式，而四极分裂ΔΕQ 和同质异能移的计算用下式：
2
)()(1256v v v v E Q ---=? (13) 4/)(6521v v v v +++=δ (14)
实验装置
穆斯堡尔谱仪的框图如图7所示。电磁驱动器是由两个磁钢系统组成。在一个磁钢系统的磁隙中安放驱动线圈，在另一个磁钢系统的磁隙中安放拾波线圈（速度测量线圈）。当有驱动电流经过驱动线圈时，线圈运动。由于驱动线圈和拾波线圈之间用硬管连接，则拾波线圈也以同样的速度运动。在拾波线圈上产生感生电动势V Blv =-，其中B 为磁感应强度。可以看到，运动速度与感生电动势成正比。如果用拾波信号与理想的三角波进行反相比较，其差误信号经放大后加到驱动线圈上，这样形成一个速度自动跟踪于三角波的系统。安装在线圈连杆上的放射源的运动速度也按三角波规律变化。在三角波上升的半周期内速度和时间成正比。如果使多道分析器工作在时间分析状态，在三角波的每个起始点，穆斯堡尔谱仪给出一个使多道道步进开始的起始脉冲，那么不同道址的计数脉冲就相应不同速度时透过样品的γ光子数。
当放射源沿直线运动时，由于多普勒效应γ光子所获得的补充能量E E c γγυ?=±，＋υ表示放射源朝向吸收体运动，-υ表示相反方向的运动。当放射源运动到某一速度时，γ光子能量正好等于样品中核能级能量时，产生共振吸收，透过样品的γ光子数减少。
实验仪器
NaI(Tl)探测器 1只
前置放大器 1个
线性放大器 1个
单道分析器 1个
高压电源 1个
机箱 1套
穆斯堡尔谱仪 1套
计算机 1台
实验步骤
1. 多道分析器工作在能谱分析状态，测出57Co 的γ能谱。
2. 用单道分析器或多道分析器输入部分的上下甄别，选出相应于14.4keV γ光子的脉冲。测量α-Fe 的穆斯堡尔谱，并作图。
3. 测出α-Fe 2O 3的穆斯堡尔谱，并作图。
4. 根据α-Fe 谱的穆斯堡尔谱计算谱仪的道增量，算出α-Fe 3、4峰的半宽度的一半ex Γ。用1mm/s ＝4.8×10-8eV 的换算关系，求出穆斯堡尔谱仪的测量精度/ex E γΓ。
放射源
图7 穆斯堡尔谱仪框
5. 计算α-Fe 2O 3的内磁场Hi ，四极分裂Q E ?和同质异能移δ
思考题
1. 穆斯堡尔效应的基本原理是什么？
2. 在某些铁的化合物中只观测到一个峰，而在另一些铁的化合物中可观测到2个或6个峰，为什么？
穆斯堡尔谱分析实验报告
穆斯堡尔谱分析实验 实验目的： 1、了解穆斯堡尔普分析原理 2、了解辐射安全防护知识 3、能够地定性说明谱线变化 4、能够独立制作粉末样品 实验原理： 穆斯堡尔效应是一种无反冲的γ射线的共振吸收或共振散射效应。当穆斯堡尔放射源在振子中获得多普勒速度补偿时，它就有可能和吸收体（样品）产生共振吸收。在共振吸收时，探测器探测到的γ射线强度明显下降，从而可得到样品的共振吸收谱线。如典型的α-Fe样品谱线共有六个峰，对应于不同的速度值，即不同的补偿能量值。通用接口送出步进信号给函数产生器。函数产生器将此序列脉冲分频，获得对称的方波信号，经积分后得到三角波信号，并作为基准信号被送入功率放大器。 同时，对应于三角波的谷点输出正同步信号给通用接口。振动子处拾波线圈感应的信号也加入到功率放大器，功率放大器放大基准信号和感应信号的差值，将其送入到振动子的驱动线圈上。在电磁力和弹性力共同作用下，使振动子的连杆系统往返运动。由于放射源是装在连杆系统上，从而可获得多普勒速度补偿。探测器探测到未被吸收体吸收的γ射线，经过光电转换后得到负脉冲信号，并经放大器放大后送入模数变换器，再通过高压，放大器和模数变换器的上、下阈调节，选择出对应于第一激发态能量的信号。所选择的信号通过通用接口，在软件控制下送入到计算机内，显示谱曲线，并进行分析。改变加到驱动线圈上的信号，从而改变放射源的运动速度，可得到不同速度的共振吸收谱。 普通穆斯堡尔系统的主要构成： 典型的等加速穆斯堡尔谱仪由电磁震动器、波形发生器、负反馈放大器、伽玛射线探测和记录系统组成。
Fast mossbouer 系统的主要构成和原理示意图： ?PC-based Mossbauer Systems Includes PC 控制Mossbauer 测量系统包括 ?MA-250A Mossbauer Velocity Transducer 速度变换器 ?MR-351A Mossbauer Control/Function Generator 控制功能发生器 ?MCA-3 Multichannel Data Processor/dual MCS MCDWIN Software 多通道数据处理软件 ?NHQ-103M HV3kV, up/down ramp 4mA, Digital Display, Volt/Current limit, RS232C高压电源 ?PAS-2 Prop. Counter Preamp/AMP/TSCA 正比计数前置放大 ?DS7030 200 Watts, 6 Voltages, OVP 电源 ?Opt-1 Sourceholder and Source Shield 放射源架及屏蔽体 ?Opt-3 Set of Cables-BNC/LEMO, BNC, MHV SHV,and BNC-,LEMO T-Conn. 电缆接头 ?MB-100 Mossbauer Bench 100cm 支架 ?PC-MOSII Extended Mossbauer Analysis Program 谱分析软件 ?45431 Prop. Counter 1 at Kr 正比计数器
实验四穆斯堡尔效应
本科生实验报告 实验课程核分析基础 学院名称核技术与自动化工程学院 专业名称核工程与核技术 学生姓名 学生学号 指导教师马英杰 实验地点6C802 实验成绩 二〇一五年十一月二〇一五年十二月
穆斯堡尔效应 【实验目的】 1、了解穆斯堡尔效应的基本原理 2、了解穆斯堡尔谱仪的结构和基本的实验方法 【实验器材】 穆斯堡尔谱仪 通用示波器 57 Co 放射源 α-Fe 薄膜样品 【实验原理】 穆斯堡尔效应是一种原子核无反冲的γ射线共振吸收或共振散射现象。 由于核激发态有一定寿命，相应的跃迁谱线宽度很窄，而核发射的γ射线能量较大，造成核的反冲，所以即使考虑到热运动的多普勒展宽造成的发射谱线与吸收谱线的重叠，一般也无法观察到核共振吸收现象。穆斯堡尔考虑把靶原子核镶嵌在晶格中，发射γ射线时带着整个晶体一起反冲，这样的反冲很小，有很大的概率观察到核共振吸收现象，这就是穆斯堡尔效应。 一、γ射线共振吸收 1、谱线的自然线宽 核的激发态存在有限长的寿命τ，回到基态时发出的γ射线存在一定的线宽，谱线强度与光子频率ω之间有关，为： 202 1()1 ()4I ωωωτ ∝ -+ 即洛仑兹线性。将E=hω/2π代入， 22 02 1()()4I E E E τ ∝ -+ 则当0/2E E τ-=± 时I(E)强度下降为最大值的一半，这时曲线宽度为/τ ，称为谱线的自然线宽Γ。 2、自由原子核的反冲 由能量、动量守恒定律可知核反冲能量E R 为： 222 2 022 12222R R p E E E Mu M Mc Mc γγ===≈ 即M 越大，反冲能量E R 越小。如以57Fe 为例，E 0=14.4keV ，则有E R ≈2×10-3eV 比自然线宽大得多。故对57Fe ，当谱线不存在其他展宽，发射与吸收谱线之间不存在任何重叠，所以不可能观察到γ射线的共振吸收现象。 3、多普勒展宽 由相对论性的多普勒效应 2210T D eV -= = ?
穆斯堡尔谱学及其应用
目录 摘要 (1) 1 穆斯堡尔效应背景介绍 (1) 2 穆斯堡尔效应原理 (2) 2.1 γ射线的产生与谱线的自然线宽 (2) 2.2原子核对γ射线的有反冲共振吸收现象 (3) 2.3原子核对γ射线的无反冲共振吸收现象(穆斯堡尔效应) (4) 2.4多普勒效应和穆斯堡尔谱 (5) 3 原子核中的超精细相互作用以及核能级的超精细结构 (6) 3.1 原子核的相关属性 (6) 3.2核与环境间的超精细相互作用 (7) 3.3 同质异能移与电单极相互作用 (7) 3.4 四极劈裂与核电四极相互作用 (8) 3.5 磁偶极相互作用 (9) 4 穆斯堡尔谱仪装置和实验方法 (11) 4.1穆斯堡尔谱仪实验装置： (12) 4.2 数据处理方法： (13) 4.3 能谱调试： (13) 4.4 多定标方式： (14)
浅谈穆斯堡尔谱学效应实验 [摘要] 本文主要由四个部分组成。第一个部分是斯堡尔效应的背景回顾与阐述。第二个部分主要介绍穆斯堡尔效应原理，其中包括γ射线的产生与谱线的自然线宽、原子核对γ射线的有反冲共振吸收现象和原子核对γ射线的无反冲共振吸收现象(穆斯堡尔效应)等方面。第三个部分主要阐述原子核中的超精细相互作用以及核能级的超精细结构。最后一个部分对穆斯堡尔谱仪装置和实验方法进行论述。 1 穆斯堡尔效应背景介绍 穆斯堡尔效应是γ射线对原子核的无反冲共振发射和吸收现象。1957年德国青年物理学家穆斯堡尔首先发现了这一现象，并因此而命名，为此他获得了1961年诺贝尔奖，而且这个实验被称为“二十世纪物理学的里程碑实验”。穆斯堡尔效应具有极高的能量分辨率，达到激发态能级的自然宽度，即10-9eV的量级，能够反映原子核与核外环境间超精细相互作用造成的能量细微变化，能量选择性非常好，而且它的实验设备相对简单，这使它迅速形成一门交叉学科——穆斯堡尔谱学。现在，穆斯堡尔效应已在物理、化学、材料、生物、地质矿物、冶金、考古等学科领域得到广泛的应用，而且研究领域还在不断拓宽，尤其在材料物理和固体物理研究中，架起了原子核物理与凝聚态物理间的一座桥梁，成为核固体物理学中重要的一部分。在基础研究方面，曾经利用穆斯堡尔谱学方法测量光子从放射源到达吸收体时由于重力势能的增加所造成的光子引力红移，以及在实验上验证爱因斯坦的质能等效原理，这些都是一些典型的例子。目前已观察到100多种同位素具有穆斯堡尔效应，而可利用的穆斯堡尔跃迁已达到130多个。室温下能观察到效应的只有57Fe、83Kr、119Sn、149Sm、151Eu、161Dy、169Tm、和181Ta 等十余个同位素，而大多数穆斯堡尔核素只有在低温下才能观察到效应，其中使用最广泛的是57Fe的14.4keV跃迁（57Fe原子核从I=3/2激发态到I=1/2基态的跃迁）和119Sn的23.8keV跃迁。本实验采用的是57Fe的14.4keV跃迁。
试验10穆斯堡尔谱学试验
实验12 穆斯堡尔谱学实验 实验目的 1． 了解穆斯堡尔效应和穆斯堡尔谱仪的基本原理。 2． 掌握穆斯堡尔谱基本参数的测定方法。 实验内容 1． 测α-Fe 的穆斯堡尔谱。根据α-Fe 穆斯堡尔谱内双峰半宽度估算穆斯堡尔谱仪的测量精度。 2． 测α-Fe 2O 3的穆斯堡尔谱，计算α-Fe 2O 3的同质异能移、四极分裂和内磁场。 原理 假如原子核A 衰变到原子核B 的激发态 B *，然后从激发态B *退激到基态B 时，发射出 γ光子。当这一γ光子遇到另一个同样的原子核 B 时，就应被共振吸收。但对于自由原子核要实 现上述共振吸收是很困难的，因为发射和吸收γ 光子的过程中，均由于原子核反冲而损失一部分 能量E R ) (/1037.5222042202eV A E MC E M P E n R ??=≈=- （1） 式中P n 为反冲动量，M 为原子核质量，A 为原子量，E 0为以keV 为单位的γ跃迁能量。对于57Fe 的14.4keV 能级，E R =1.95×10-3eV 。反冲效应使γ光子的发射谱向低能方向移动E R ，使吸收谱向高能量方向移动E R 。这样发射谱和吸收谱就相差 )1055.4(10296eV E R -?=ΓΓ?≈，所以气体或液体中的自由原子核是无法实现无反冲共振吸收的。 穆斯堡尔发现，如果使发射和吸收γ光子的原子核束缚在固体晶格中，反冲能量主要转化为晶格平均振动能vib E 。晶格振动能量的变化是声子能量E ω 的整数倍，ωE 是爱因斯坦固体的特征振动频率。当)10(~2 eV E E R -<ω 时，在发射和吸收γ光子的过程中，或许
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187Re、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 c ν （1） 所以：R E =12m 2 v =22m p =22 2m E c （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021E E E =-来提供，所以 发射γ光子所需要的能量为： ·￠E =h ν=0R E E -=22 02m E E c - (3) 我们使发射谱线的中心发生偏移，使谱线不在0E 处，而在0R E E -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：10R E E E -= 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：20R E E E -= 这样会导致发射谱和吸收谱产生相差为2R E 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 2 22R m E E c =，这种反冲动量一定是入射光子提供的，则：