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穆斯堡尔谱仪

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用来对物质γ射线无反冲共振吸收效应进行测定的仪器,即为穆斯堡尔谱仪。其基本原理为样品中存在的穆斯堡尔核吸收由放射源(γ光源)射出的γ光子,使得共振吸收谱形成。由于样品中穆斯堡尔核与核外化学环境的相互作用,会使得共振吸收谱线的位置、形状、数目发生变化。反过来,对所测穆谱的这些变化加以利用,从而将穆核周围化学环境的信息推断出来。放射源,振动子,探测器,计算机化的多道分析器等为构成穆斯堡尔谱仪的主要部分。

穆斯堡尔谱仪
穆斯堡尔谱仪的特点
穆斯堡尔谱仪的特点

用来对物质γ射线无反冲共振吸收效应进行测定的仪器,即为穆斯堡尔谱仪。其基本原理为样品中存在的穆斯堡尔核吸收由放射源(γ光源)射出的γ光子,使得共振吸收谱形成。由...[查看全部]

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穆斯堡尔谱仪特点
穆斯堡尔谱仪的特点

用来对物质γ射线无反冲共振吸收效应进行测定的仪器,即为穆斯堡尔谱仪。其基本原理为样品中存在的穆斯堡尔核吸收由放射源(γ光源)射出的γ光子,使得共振吸收谱形成。由于样品中穆斯堡尔核与核外化学环境的相互作用,会使得共振吸收谱线的位置、形状、数目发生变化。反过来,对所测穆谱的这些变化加以利用,从而将穆核周围化学环境的信息推断出来。放射源,振动子,探测器,计算机化的多道分析器等为构成穆斯堡尔谱仪的主要部分。

特点:

穆斯堡尔谱仪方法的特点如下:

1、因为是特定核(如57Fe,119Sn)的共振吸收,所以其他核和元素不会对穆斯堡尔效应有所干扰。

2、核外环境对穆斯堡尔效应的影响的作用范围通常比2纳米要小(局限在相邻二、三层离子之内),尤其是对于细晶和非晶态物质非常适用。

3、分辨率非常高,将57Fe的γ共振吸收作为例子,谱线自然宽度(Γ)为4.6×10-9电子伏,γ能量(E0)为14.4千电子伏,Γ/E:0~3.2×10-13,分辨率达到1e-13。

4、对于核外化学环境的变化,穆斯堡尔效应有着较高的灵敏性,对于固态物质的精细结构及超精细结构的研究相当地适用。

所以,穆斯堡尔谱仪在地质样品的研究方面得到了非常广泛地使用。已经被发现的穆斯堡尔核达到几十种,然而在通常的条件下只有57Fe、119Sn的穆斯堡尔谱可以被观察到。因此,仪器对于含一定量Fe、Sn的样品相当适用,磁性和相分析、配位结构、阳离子占位和有序-无序分布、化学键性以及价态等方面的信息能够被提供。

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穆斯堡尔谱应用
穆斯堡尔效应的定义和应用

用来对物质γ射线无反冲共振吸收效应进行测定的仪器,即为穆斯堡尔谱仪。其基本原理为样品中存在的穆斯堡尔核吸收由放射源(γ光源)射出的γ光子,使得共振吸收谱形成。由于样品中穆斯堡尔核与核外化学环境的相互作用,会使得共振吸收谱线的位置、形状、数目发生变化。反过来,对所测穆谱的这些变化加以利用,从而将穆核周围化学环境的信息推断出来。放射源,振动子,探测器,计算机化的多道分析器等为构成穆斯堡尔谱仪的主要部分。

定义

原子核辐射的无反冲共振吸收,即为穆斯堡尔效应。德国物理学家鲁道夫·穆斯堡尔于1958年在实验中首次实现了该效应,所以该效应以穆斯堡尔命名。穆斯堡尔效应能够被用来进行原子核与周围环境的超精细相互作用的研究,作为一种测量的手段,其精确度相当地高,其能量分辨率能够达到1e-13,而且不会破坏样品,只需相对较为简单的实验设备和技术以及有着较强的抗干肉能够。因为上述优点,穆斯堡尔效应一被发现,就广泛而快速地被应用于物理学、化学、生物学、冶金学、矿物学、地质学等领域。这些年以来,穆斯堡尔效应也在如材料科学和表面科学等一些新兴学科获得应用,应用前景良好。

应用

到2005年上半年为止,穆斯堡尔效应已经在固体和粘稠液体中实现了。冷冻溶液、颗粒、粉末、固体表层、薄膜、非晶体以及晶体均能够作为样品的形态,40余种元素90余种同位素的110余个跃迁均有所涉及。但是对于大多少同位素来说,穆斯堡尔效应只有在低温环境下才能够被实现,有些需要使用液氮甚至液氦冷却样品。仅有57Fe、119Sn、151Eu三种同位素才可以在室温条件下使得穆斯堡尔效应实现。在这当中,zui常用亦是研究zui多的谱线为57Fe的 14.4 keV 跃迁。

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穆斯堡尔谱发现过程
穆斯堡尔效应的发现过程

用来对物质γ射线无反冲共振吸收效应进行测定的仪器,即为穆斯堡尔谱仪。其基本原理为样品中存在的穆斯堡尔核吸收由放射源(γ光源)射出的γ光子,使得共振吸收谱形成。由于样品中穆斯堡尔核与核外化学环境的相互作用,会使得共振吸收谱线的位置、形状、数目发生变化。反过来,对所测穆谱的这些变化加以利用,从而将穆核周围化学环境的信息推断出来。放射源,振动子,探测器,计算机化的多道分析器等为构成穆斯堡尔谱仪的主要部分。

发现过程

从理论上而言,当一个原子核通过激发态往基态跃迁,会将一个γ射线光子发出。当该γ射线光子与另外一个相同的原子核相遇时,就可以为共振吸收。然而事实上,要使得上述过程实现,对于处于自由状态的原子核而言是相当不容易的。由于原子核在将一个光子放出的时候,一个反冲动量也为其自身所具有,光子的能量会因为这个反冲动量而变少。相同的原理,吸收光子的原子核光子因为反冲效应会增加吸收的光子能量。如此,如此就会导致相同原子核的发射谱和吸收谱存在一定的差异,因此,自由的原子核想要使共振吸收实现变得相当的困难。到目前为止,穆斯堡尔效应在气体和不太粘稠的液体中还没有被观察到。

穆斯堡尔于1957年年底将对反冲效应进行消除为使γ射线共振吸收实现的关键的观点提出。若在固体晶格中放置发射和吸收光子的原子核,则不再是单一的原子核会有反冲效应出现,而是整个晶体均会有反冲效应出现。因为晶体的质量要远远比单一的原子核的质量大,所以就能够将反冲能量减少到忽略不计的程度,如此就能够使穆斯堡尔效应实现。

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穆斯堡尔谱实验条件
穆斯堡尔效应的实验条件

用来对物质γ射线无反冲共振吸收效应进行测定的仪器,即为穆斯堡尔谱仪。其基本原理为样品中存在的穆斯堡尔核吸收由放射源(γ光源)射出的γ光子,使得共振吸收谱形成。由于样品中穆斯堡尔核与核外化学环境的相互作用,会使得共振吸收谱线的位置、形状、数目发生变化。反过来,对所测穆谱的这些变化加以利用,从而将穆核周围化学环境的信息推断出来。放射源,振动子,探测器,计算机化的多道分析器等为构成穆斯堡尔谱仪的主要部分。

实验条件

穆斯堡尔效应对于环境有着非常高的依赖性。及时环境条件的差别非常细微,对于穆斯堡尔效应所产生的影响依然会非常显著。在实验过程中,为了使环境带来的影响减少,γ射线光子的能量需要通过多普勒效应来进行细微的调制。如下为具体的做法:使γ射线辐射源和吸收体之间具有一定的相对速度,通过对v的大小进行调整从而来对γ射线的能量进行略微的调整,使得共振吸收达到,也就是透射率达到zui小,而吸收率达到zui大。透射率与相对速度之间的变化曲线,被称为穆斯堡尔谱。原子核能级的移动和分裂能够应用穆斯堡尔谱清楚地检查到,进而使得原子核的超精细场、原子的价态和对称性等方面的信息获得。通过穆斯堡尔谱对原子核与核外环境的超精细相互作用进行研究的学科,被称为穆斯堡尔谱学,可以对穆斯堡尔谱学条目进行参考。

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