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什么是 穆斯堡尔效应 ?

归档日期:07-07       文本归类:反冲      文章编辑:爱尚语录

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  展开全部穆斯堡尔效应(Mssbauer effect),即原子核辐射的无反冲共振吸收。这个效应首先是由德国物理学家穆斯堡尔(Rudolf Ludwig Mbauer, 1929-)于1958年首次在实验中实现的,因此被命名为穆斯堡尔效应。应用穆斯堡尔效应可以研究原子核与周围环境的超精细相互作用,是一种非常精确的测量手段,其能量分辨率可高达10-13,并且抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、对样品无破坏。由于这些特点,穆斯堡尔效应一经发现,就迅速在物理学、化学、生物学、地质学、冶金学、矿物学、地质学等领域得到广泛应用。近年来穆斯堡尔效应也在一些新兴学科,如材料科学和表面科学开拓了应用前景。

  理论上,当一个原子核由激发态跃迁到基态,发出一个γ射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原子核时,就能够被共振吸收。但是实际情况中,处于自由状态的原子核要实现上述过程是困难的。因为原子核在放出一个光子的时候,自身也具有了一个反冲动量,这个反冲动量会使光子的能量减少。同样原理,吸收光子的原子核光子由于反冲效应,吸收的光子能量会有所增大。这样造成相同原子核的发射谱和吸收谱有一定差异,所以自由的原子核很难实现共振吸收。迄今为止,人们还没有在气体和不太粘稠的液体中观察到穆斯堡尔效应。

  1957年底,穆斯堡尔提出实现γ射线共振吸收的关键在于消除反冲效应。如果在实验中把发射和吸收光子的原子核置于固体晶格中,那么出现反冲效应的就不再是单一的原子核,而是整个晶体。由于晶体的质量远远大于单一的原子核的质量,反冲能量就减少到可以忽略不计的程度,这样就可以实现穆斯堡尔效应。实验中原子核在发射或吸收光子时无反冲的概率叫做无反冲分数f,无反冲分数与光子能量、晶格的性质以及环境的温度有关。

  穆斯堡尔使用191Os(锇)晶体作γ射线Ir(铱)晶体作吸收体,于1958年首次在实验上实现了原子核的无反冲共振吸收。为减少热运动对结果的影响,放射源和吸收源都冷却到88K。放射源安装在一个转盘上,可以相对吸收体作前后运动,用多普勒效应调节γ射线Ir的激发态可以发出能量为129 keV的γ射线,被吸收体吸收。实验发现,当转盘不动,即相对速度为0时共振吸收最强,并且吸收谱线的宽度很窄,每秒几厘米的速度就足以破坏共振。除了191Ir外,穆斯堡尔还观察到了187Re、177Hf、166Er等原子核的无反冲共振吸收。由于这些工作,穆斯堡尔被授予1961年的诺贝尔物理学奖。

  截至2005年上半年,人们已经在固体和粘稠液体中实现了穆斯堡尔效应,样品的形态可以是晶体、非晶体、薄膜、固体表层、粉末、颗粒、冷冻溶液等等,涉及40余种元素90余种同位素的110余个跃迁。然而大部分同位素只能在低温下才能实现穆斯堡尔效应,有的需要使用液氮甚至液氦对样品进行冷却。在室温下只有57Fe、119Sn、151Eu三种同位素能够实现穆斯堡尔效应。其中57Fe的 14.4 keV 跃迁是人们最常用的、也是研究最多的谱线。

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