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无反冲γ射线的共振吸收现象

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

  无反冲γ射线的共振吸收现象_物理_自然科学_专业资料。3 3卷 第 2 期 2 0 1 1年 2 月 物 理 教 学 VoI . 3 3 No . 2 F e b .2 0 11 PHYSI CS TEACHI NG

  3 3卷 第 2 期 2 0 1 1年 2 月 物 理 教 学 VoI . 3 3 No . 2 F e b .2 0 11 PHYSI CS TEACHI NG 无反冲 射线的共振吸收现象 -_ — 穆 斯 堡 尔效 应 李 士 什 么 是 穆 斯 堡 尔 效 应 ( 中国科协发展研究中心 北京 1 0 0 8 6 3 ) 的反 冲能 , 而 可利用 的能 量 仅 为 E 。同样 , 在 原 子核发射 7射线 射 线 的吸收过程 中也存 在这 种 现象 , E] 为第一激发态 到基态 的能量, ER是 反 冲 能, E 为 7跃 迁能 量 ( 见图 1 ) 。这样 发射 的 了射线 能 量 比实 际能 级 问的 能 量 E 。 少 了一 个反 冲能 , 根 据能量 守恒定 律 : E0一 E + ER 一 、 穆斯堡 尔效应 是 由前 西 德 科学 家 R ? L? 穆斯 堡尔 在 1 9 5 8年发 现的 , 由于观察 到 的共 振线 宽非 常 窄, 故此 现象几 乎立 即引起 物理学 界 的重视 , 三年之 后获得 了诺 贝尔物理 学奖 。当时他 仅仅 3 2岁 , 后来 这种现象 被称 为穆斯 堡尔效 应 。对 穆斯堡 尔效 应 的 研 究发展 极其 迅 速 , 现 已成 为 专 门的学 科— —穆 斯 堡 尔谱学 。 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 在 吸收 7射线 时也会 有 反 冲能 ER的作 用 。因此 在 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 以解决 的 问题 , 其 能 量 分辨 率 可 达 1 O 。 ~1 0 ( r / ) 。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 原 子核 7射 线 的 发 射 和 吸 收 过 程 中其 能 量 差 为 2 E , 这 就是 在 一 般 的情 况下 看 不 到原 子 核 之 间 的 共 振 吸收现象 的原 因 。 激 发态 — — 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 4 4 种 放射源 基态 —磊一 元素 , 8 3 种同位素 中观察 到穆 斯堡尔效 应 。其 中应用 最广泛 的是 F e 的1 4 . 4 k e V 的穆斯堡 尔效应 , 这主要 原因之一是 由于 自然界 中铁 的 自然 丰度很 高 , 故 穆斯 图 1 穆 斯 堡 尔核 过 程 简 图 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 。 什 么是穆斯 堡尔效 应 呢?穆斯堡 尔效应 其 实就 是无反 冲核 的 7射 线共 振 和 吸 收现 象 。大 家知 道 , 共 振现象 是物 理学 中的一 个 基 本概 念 , 在 声学 和 原 子光 谱等方 面 , 这 种现 象 很 容 易实 现 。如 大家 都 熟 知 的音叉共 振和 原 子共 振 实 验 ( 用钠 光 源 的光 照 到 装有 钠蒸气 的玻璃 瓶时 , 可观察 到微弱 的黄 光) 。除 问题 。我 们还 是从 前 面 所举 的生 活实 例 中看 , 假 如 冬 天河水结 冰 , 小 船被 冻结 在河水 中 , 这 时人再 从船 上往岸 上跳 , 我们 知道 小船 不会往后 移动 , 这就 消除 了反 冲能 的影 响 。基 于这 种 考 虑 , 如果 将 原 子 核像被 冻结 在水 中 的小船 一 样 , 使 其 固定 在 晶格 位 置上 , 或 者 以其他 形式来 补偿反 冲损耗 , 是 否能实 现 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 生共振 吸收现 象 。我们先举 一个 生活 中的实例 来 形 象说 明 : 假如河 中小船 上 的人 从船 上往岸 上跳 时 , 我 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 E 0可分 成两 部 分 , 传 给 小船 ? 如果我们 将 射线作 为光 粒子来 考虑 , 它 的静止 质 量 和 能量 E 之间 , 根据爱因斯坦质 能关 系式 可 写成 E 一 mc 这里 c 是 光速 。若 原子 核 的质量 为 M , 原 子核 反 冲 2 ‘ 3 3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 能 可写成 E R E 3 / 2 Mc 。 3 4 0 K, 压强 5 3 k b a r 情 况下 研 究 了 a - F e z 03的 Mo r i n 转变 , 结 果与有关 Mo r i n 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 图中可明显看 出 , 3 0 4 不 锈 钢样 品 只有 一个 奥 氏体变 质峰 , 而与 3 0 4样 品类 似 的 E N 5 8 E样 品有 少 量 的铁 磁I 生, 而在 6 5 0 ℃暴 露在液体钠 中铁磁性 相增加 。 2 .确 定磁 有序 温度和 类 型。从超 精细 场与 温度 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 磁 眭、 亚铁 磁性或反铁 磁性 等等 。在 磁有序 材料 中用 式 中 是 ” F e 核激发态 和基态 的能量 差 。另 从原 子 核物理 中知道 , 衰变 的核态 ( 具 有平 均 寿命 r ) 不是 能 量严格 的定 态 , 而是 有一个 能量 不确定性 r , 称 之为 自 然线宽 , 并 由 r和海 森堡测 不准关 系确定 : r?r— h / 2 兀 这里 h是普 朗克常数 。利用上式很 容易计算 和 r 。 对 于F e 核来说 , E R一 1 . 9 5× 1 O 一 。 e V,r一 4 . 6 7× 相对吸 收线 强度与 角度的关 系可以确定 自旋方 向。 3 .表 面和 界 面 的 磁 性 研 究 。利 用 穆斯 堡 尔谱 学对 过渡 金属 表 面和界 面 的磁性 研究 作 出 了重 要 贡 献 。T y s o n等 科 学 家 用 穆 斯 堡 尔 谱 学 方 法 测 得 在 1 C r _ 。 e V。 E 比 , 一 大几 个 数量 级 , 所 以在 一 般 的情 况 下看 不到 原子 核 的共振 现象 。 我们 可 以利 用 多 普 勒 效 应 来 调 制 丫射 线 的 能 量 。假 如一 个 能量 为 E的光 粒 子 , 以速 度 V 0向着 4 . 2 K时 3 O层 铁 膜 的 超 精 细 场 分 布 , 发 现 在 低 温 下, 薄 膜表 面两 侧各有 三 层 , 其 超精 细场 大 于体 内超 精 细 场 。穆 斯 堡尔谱 学 也是研 究 钢铁腐 蚀 的有 效手 段之一, 利用背散射方法可做表面测量 , 并在 2 O ~ 3 0 0 0 A范 围 内对不 同深 度进 行选 择分 析 。它 已发展 成 为一 种能 定性 和定 量分 析 的方法 。 观察 者运 动 , 其 能量 变 化 A E为 △ E一 ( 。 / C)? E r 对 于卵F e 核的 1 4 . 4 k e V7射 线 c m/ s的速 度 相 当 于△ E一 4 . 8 0 ×1 0 一 e V。 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 。 对 于铁来 说 , 已经 形 成 “ 哪 里 有铁 , 哪 里 就 有穆 斯 堡 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 图 3 奥 氏 体 相 变 的 穆 斯 堡 尔 谱 4 .晶格缺 陷和 位 错 。利 用 穆 斯 堡 尔 谱 学 研 究 细相互作用 参数 随 温度 的变化 , 随外 加磁 场 的变化 , 随压力 的变化等 , 可 以用 来 研 究 相变 , 也 可 以鉴 定 固 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 。B r u z z o n e等 人 在 温 度 从 7 7 K 到 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 入过 程 的微 观特点 及 注入 杂质 近邻 的 电子结 构 。而 晶格 缺 陷 、 位错、 表 面原 子 和体 内原 子 的差 异都 可 以 从 化 学移 位 中反 映 出来 。 3 3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 如: 对 非 晶态材 料 的研 究 可 以 了解 非 晶态 金属 的原 子排 列 、 磁结 构 和 自旋取 向等信 息 ; 对 于储 氢材料 三 元氢 化物 的研 究 , 可 以了 解氢 的化学 状 态 及其 所 在 位置 , 相 的形 成 , 吸氢后对 晶体 的电性 与磁性 的影 响 及 吸氢机 理 等 ; Gu b b e n s 等人发 现, D y Mn 2在 吸 氢 煤 的矿质 的鉴别 是 十 分重 要 的 , 利 用穆 斯 堡 尔谱 可 以研究 煤 的发热过 程 中含铁矿 物的转 化 、 煤 的利 用 、 液化和气化等过程。穆斯堡尔谱学用于石油地质方 面可 以说 明地层 的氧化还 原特性 和推 断有机 物 的原 始含量 , 以及确 定石 油母 岩的成熟 度 , 在 石油 地质 和 找矿 中都具 有重要 意义 。 后磁 有序消失 , 而D y 6 Mn 。 材 料 在 吸 氢后 引起 体 相 磁化 大大减 小 ; Rr i c e 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 : Ma k s i mo v 等人利用 穆 斯堡尔谱 研究了在氨合成 中 F e — Mo和 F e — N i 催化剂的 结构和催化作用 C o h e n 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 生理 、 生 化开 始深 入 到医学 、 病理 的探讨 。 l 0 .在 物理 学 中的应 用。利用 穆斯 堡 尔谱 学 曾 成功地测定和检验 了爱 因斯 坦相对 论 , 即引力 红移实 验 。1 9 8 1 年K a c i l a 等人 利用r Z n的 9 3 . 3 k e V 射 线 例如在大多数 隋况下 正 常人 血液中血红蛋 白以 两种形 式 出现 , 研究 了 y辐射和重力场之 间的相互作用 , 测量 了引力 红移 与角度 的关 系 , 所得 的结果 与爱 因斯 坦广义 相 对论等价原 理相符合 。图 6为 一1 0 。 时应 用Z n 所 而非 正 常人 ( 如贫血 患者 ) 的穆 斯堡 尔谱 中多了一组双线。经 做 的红移 实验的穆斯堡尔谱 , 其 中 是光子传播方 向 与重力 加速 度 g 之间 的夹 角。此 着 鉴别为铁蛋 白或血铁 黄蛋白。图 4 是一个 图 正常人肺 部样 品 ( A) 蒜 蓊 沉 外, 利用穆斯堡尔 谱还 曾测定 了一 些核 的激发 态寿 命、 电极矩 、 核磁 矩、 激 发 态和基 态 和—个患含铁 血黄素沉着病 ( 煤矿职业病 ) 人肺部样 品 ( B ) 的穆斯 堡 尔谱 。谱 线 ( A) 含 铁 血 黄 素 化 合 物 中 F e 3 + 数量少。谱 线 ( B ) 说 明有 大量 附加 含铁 血 黄 素。 用这种类似的方法已经能够研究镰状血球贫血症 。 9 .矿物 地 质 方 面 的研 究 。利 用穆 斯 堡 尔效 应 可 以测定 矿物 中铁 的氧 化 状态 、 电子 组 态 。图 5为 几 个具有 代表性 的铁 的穆斯 堡尔谱 线 。不 同 氧化状 态 和 电子 组态 的铁 具有 不 同的谱线 。利用 穆斯 堡尔 谱 学还可 以确定 阳离 子 配位 数 、 位 置分 布 及 有序 无 ? 核半 径 的变 化 , 光 子 的 电 荷 等。 另外 , 在高能物理 中曾验证 了 时间 反演不变 陛, 原子 衰变 的宇称 守 恒 实验等 。 图6 ∞ 一1 0 。 时应 用 Z n 所 做 的红 移 实验 的 穆斯 堡 尔 谱 d 。

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