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无反冲γ射线共振吸收现象pdf

归档日期:08-10       文本归类:反冲      文章编辑:爱尚语录

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  33卷第 2期 物 理 教 学 VoI.33No.2 2011年 2月 PHYSICSTEACHING Feb.2011 无反冲 射线的共振吸收现象 - _ — 穆斯堡尔效应 李 士 (中国科协发展研究中心 北京 100863) 一 、 什么是穆斯堡尔效应 的反冲能 ,而可利用的能量仅为 E 。同样 ,在原 穆斯堡尔效应是由前西德科学家 R ·L ·穆斯 子核发射 7射线射线的吸收过程 中也存在这种 堡尔在 1958年发现的,由于观察到的共振线宽非常 现象,E]为第一激发态到基态 的能量,ER是反冲 窄,故此现象几乎立即引起物理学界的重视 ,三年之 能,E 为 7跃迁能量 (见图 1)。这样发射 的了射线 后获得了诺贝尔物理学奖。当时他仅仅 32岁,后来 能量比实际能级问的能量 E。少 了一个反冲能 , 这种现象被称为穆斯堡尔效应。对穆斯堡尔效应的 根据能量守恒定律 : 研究发展极其迅速,现已成为专 门的学科——穆斯 E0一 E + ER 堡尔谱学。 在吸收 7射线时也会有反冲能ER的作用。因此在 为什么穆斯堡尔效应会引起全世界物理学界的 兴趣和重视呢?这是因为穆斯堡尔效应的发现可 同 原子核 7射线的发射和吸收过程 中其能量差为 2E ,这就是在一般的情况下看不到原子核之间的 上世纪初发现的X射线衍射和电子显微技术相媲美, 它解决了过去许多科学工作者利用原有技术手段难 共振吸收现象的原因。 以解决的问题,其能量分辨率可达 1O 。~10 (r/ 激发态 — — )。换句话说,穆斯堡尔效应可以作为一把精密的 尺子,假如我们用此尺去量月球中心到地球 中心的距 离 ,可精确到百分之一的头发丝粗细。由于有如此高 的能量分辨率,故在研究物质微观结构的自然科学各 个领域中都应用了穆斯堡尔谱学。目前已经在44种 放射源 基态 — 磊 一 元素,83种同位素中观察到穆斯堡尔效应。其中应用 最广泛的是 Fe的 14.4keV的穆斯堡尔效应,这主要 图 1 穆斯堡尔核过程简图 原因之一是由于自然界中铁 的自然丰度很高,故穆斯 穆斯堡尔的重大发现就在于成功地解决了这个 堡尔谱学又被形象地称为揭开铁的微观奥秘的钥匙。 问题。我们还是从前面所举的生活实例 中看,假如 什么是穆斯堡尔效应呢?穆斯堡尔效应其实就 冬天河水结冰,小船被冻结在河水中,这时人再从船 是无反冲核的7射线共振和吸收现象。大家知道 , 上往岸上跳,我们知道小船不会往后移动,这就消除 共振现象是物理学 中的一个基本概念 ,在声学和原 了反冲能 的影响。基于这种考虑,如果将原子 子光谱等方面 ,这种现象很容易实现。如大家都熟 核像被冻结在水 中的小船一样 ,使其固定在晶格位 知的音叉共振和原子共振实验 (用钠光源的光照到 置上,或者以其他形式来补偿反冲损耗,是否能实现 装有钠蒸气的玻璃瓶时,可观察到微弱的黄光)。除 原子核之间的共振吸收呢?答案是肯定的。 了音叉,分子和原子共振之外,原子核之间也可以发 如果我们将 射线作为光粒子来考虑,它的静止 生共振吸收现象。我们先举一个生活中的实例来形 质量 和能量E 之间,根据爱因斯坦质能关系式可 象说明:假如河 中小船上的人从船上往岸上跳时,我 写成 E 一mc 们知道小船会往后移动 。这就是说,人从船上往岸 上跳时,人所用的能量 E0可分成两部分 ,传给小船 这里c是光速。若原子核 的质量为M,原子核反冲 · 2 ‘ 33卷第 2期 物 理 教 学 速度为 ,根据动量守恒定律和能量守恒定律 ,反冲 340K,压强 53kbar情况下研究了 a-Fez03的Morin 能 可写成 转变 ,结果与有关 Morin转变理论一致 。图3是利用 穆斯堡尔谱学研究在不锈钢 中奥氏体相变过程 。从 ER E3/2Mc。 图中可明显看出,304不锈钢样品只有一个奥氏体变 式中 是”Fe核激发态和基态的能量差。另从原子 质峰,而与 304样品类似的EN58E样品有少量的铁 核物理中知道,衰变的核态 (具有平均寿命 r)不是能 磁I生,而在 650℃暴露在液体钠 中铁磁性相增加。 量严格的定态 ,而是有一个能量不确定性 r,称之为 自 2.确定磁有序温度和类型。从超精细场与温度 然线宽,并 由r和海森堡测不准关系确定 : 的变化 ,能确定磁有序温度 。对多晶材料加一外场 , 观察跃迁强度的变化能研究磁耦合的一些性质,即铁 r·r— h/2兀 磁眭、亚铁磁性或反铁磁性等等。在磁有序材料 中用 这里h是普朗克常数 。利用上式很容易计算 和r。 相对吸收线强度与角度的关系可以确定 自旋方向。 对于 Fe核来说 ,ER一 1.95×1O一。eV,r一4.67× 3.表面和界面的磁性研究。利用穆斯堡尔谱 1Cr_。eV。E 比,一大几个数量级,所 以在一般的情况 学对过渡金属表面和界面的磁性研究作出了重要贡 下看不到原子核的共振现象 。 献 。Tyson等科学家用穆斯堡尔谱学方法测得在 我们可 以利用多普勒效应来调制 丫射线O层铁膜 的超精细场分布,发现在低温 量 。假如一个能量为 E 的光粒子 ,以速度 V0向着 下,薄膜表面两侧各有三层,其超精细场大于体 内超 观察者运动 ,其能量变化 AE为 精细场。穆斯堡尔谱学也是研究钢铁腐蚀的有效手 △E一 (。/C)·Er 段之一,利用背散射方法可做表面测量,并在 2O~ 3000A范围内对不同深度进行选择分析。它已发展 对于卵Fe核的 14.4keV7射线cm/s的速度相当 成为一种能定性和定量分析的方法 。 于 △E一4.80×10一eV。这与E 相比是非常小的, 但 比自然线宽大两个数量级 。这样 ,通过 7射线 的 调制可实现共振吸收。图2是穆斯堡尔当初的实验 装置 ,在实验 中他将放射源装在转盘的边缘上,使放 射源与吸收体之间相对运动。同时放射源和吸收体 都可以在低温中冷却。 探测 放 射源 图 2 穆斯堡尔效应实验装置 二 、穆斯堡尔效应的应用 穆斯堡尔效应 由于具有极高的能量分辨本领而 被广泛地应用于物理学、化学 、生物学和医学 、冶金 学、材料科学、表面科学、地质学和考古学等领域 。 图 3 奥氏体相变的穆斯堡尔谱 对于铁来说 ,已经形成 “哪里有铁 ,哪里就有穆斯堡 4.晶格缺 陷和位错 。利用穆斯堡尔谱学研究 尔谱学”的研究局面。 1.相分析和相变。从穆斯堡尔谱 中得到的超精 固体和液体中的扩散 ,从谱线的宽度和形状能给出 原子徒动的信息。与离子注入结合起来可以研究注 细相互作用参数随温度 的变化,随外加磁场 的变化, 入过程的微观特点及注入杂质近邻的电子结构。而 随压力的变化等,可 以用来研究相变,也可以鉴定固 晶格缺陷、位错、表面原子和体内原子的差异都可 以 体 中的物相 ,并可发现新相。此外还可以确定居里温 度和奈耳温度 。Bruzzone等人在温度从 77K到 从化学移位中反映出来 。 33卷第 2期 物 理 教 学 5.非晶态、储氢、液 晶和半导体材料等方面的 序现象等 ,从而可 以探讨矿物的形成条件和特征。 研究。穆斯堡尔谱学可对某些新材料进行研究。例 煤的矿质的鉴别是十分重要的,利用穆斯堡尔谱可 如 :对非晶态材料的研究可以了解非晶态金属 的原 以研究煤的发热过程中含铁矿物的转化、煤的利用、 子排列、磁结构和 自旋取 向等信息;对于储氢材料三 液化和气化等过程。穆斯堡尔谱学用于石油地质方 元氢化物的研究,可 以了解氢的化学状态及其所在 面可以说明地层的氧化还原特性和推断有机物的原 位置 ,相的形成,吸氢后对晶体的电性与磁性的影响 始含量 ,以及确定石油母岩的成熟度 ,在石油地质和 及吸氢机理等;Gubbens等人发现,DyMn2在吸氢 找矿中都具有重要意义。 后磁有序消失,而Dy6Mn。材料在吸氢后引起体相 磁化大大减小;Rrice等人对某些液晶材料提出转动 扩散模型来解释其无反冲分数的变化。 6.化学键的性质。用穆斯堡尔谱学与核四极矩 实验结合起来,可以研究化学键的性质;与核磁共振 、 电子 自旋共振等方法结合起来可以研究 自旋一点阵或 自旋一自旋弛豫、自旋波的激发及其传播特性等。 7.催化机理的研究。在化肥、石油炼制等化工生 产中都离不开催化剂。利用穆斯堡尔谱学可以研究催 化剂的吸收,均匀相和非均匀相、测定催化活性状态和 化学转化的中问产物等。例如:Maksimov等人利用穆 斯堡尔谱研究了在氨合成中Fe—Mo和Fe—Ni催化剂的 结构和催化作用 Cohen等人介绍了在金属化塑料中所 用的胶体催化剂的穆斯堡尔谱的研究。 8.生物医学方面的研究。穆斯堡尔谱学是研究 蛋白质和酶的一种有力工具,研究对象从可分离的蛋 图 5 几个铁及铁的氧化物 的穆斯堡尔诸 白质扩大到生物组织以至完整的生物体。研究领域由 l0.在物理学中的应用。利用穆斯堡尔谱学 曾 生理、生化开始深入 成功地测定和检验了爱因斯坦相对论,即引力红移实 到医学、病理的探讨。 验。1981年 Kacila等人利用 rZn的93.3keV 射线 例如在大多数隋况下 研究了y辐射和重力场之间的相互作用,测量了引力 正常人血液中血红蛋 红移与角度 的关系,所得的结果与爱因斯坦广义相 白以两种形式出现, 对论等价原理相符合。图6为 一10。时应用 Zn所 而非正常人(如贫血 做的红移实验的穆斯堡尔谱,其中 是光子传播方向 患者)的穆斯堡尔谱 与重力加速度 g 中多了一组双线。经 之间的夹角。此 鉴别为铁蛋白或血铁 外,利用穆斯堡尔 黄蛋白。图4是一个 图 着 蒜蓊 沉 谱还曾测定了一 正常人肺部样品(A) 些核的激发态寿 和—个患含铁血黄素沉着病 (煤矿职业病)人肺部样品 命、电极矩、核磁 (B)的穆斯堡尔谱。谱线 (A)含铁血黄素化合物 中 矩、激发态和基态 Fe3+数量少。谱线(B)说明有大量附加含铁血黄素。 核半径的变化, 用这种类似的方法已经能够研究镰状血球贫血症。 光子 的电荷等。 9.矿物地质方面的研究。利用穆斯堡尔效应 另外,在高能物理 可以测定矿物 中铁的氧化状态、电子组态。图5为 中曾验证了时间 几个具有代表性的铁的穆斯堡尔谱线。不同氧化状 反演不变陛,原子 态和电子组态的铁具有不同的谱线。利用穆斯堡尔 衰变的宇称守恒 谱学还可以确定阳离子配位数、位置分布及有序无 实验等。 图6 ∞一10。时应用 Zn所做 的红移实验的穆斯堡尔谱 · d 。

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