穆斯堡尔谱学-讲义

穆斯堡尔谱学及其在凝聚态物理中的应用成昭华中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室StateKeyLab.ofMagnetism,IPCAS;内容提要ï穆斯堡尔效应－MˆssbauerEffectï穆斯堡尔实验方法ï穆斯堡尔谱学(MˆssbauerSpectroscopy)超精细相互作用和穆斯堡尔参数超精细磁场来源穆斯堡尔谱所给出的微观信息ï穆斯堡尔谱学在凝聚态物理中的应用ï总结与展望穆斯堡尔谱学简介穆斯堡尔谱效应（Mˆssbauereffect）原子核对γ射线的无反冲发射与共振吸收穆斯堡尔因他的发现而获得1961年诺贝尔物理学奖E∆E∆EAbsorberEmitterE0-ERE0+ERE0ERERProfessorMˆssbauer.Whiledoingresearchforyourdoctor'sthesisyouhavediscoveredanunexpectedeffectwhichnowbearsyourname.Youhaveexplainedthiseffectexperimentallyandtheoretically,andtherebycreatedadevicewhichisoffundamentalimportanceinnumerousrealmsofphysics,andwhichisnowadaysbeinginvestigatedandputtouseinalargenumberofphysicallaboratories.Byyourdiscoveryithasbecomepossibletoexamineprecisely,numerousimportantphenomenaformerlybeyondoratthelimitofattainableaccuracyofmeasurement.TheNobelPrizeinPhysics1961PresentationSpeech1961年诺贝尔物理学奖颁奖介绍最常用的穆斯堡尔同位素：57Fe（14.4keV）（70%）119Sn（23.8keV)（15%）151Eu（21.5keV）目前用于物理、化学、冶金、生物、地学、和月球科学研究的有15-20种穆斯堡尔元素。有46种元素，92种原子核，112种跃迁观察到穆斯堡尔谱效应穆斯堡尔波谱学的应用穆斯堡尔谱学化学考古学地学（地质、矿物）生物学冶金、矿业物理基本物理原理核物理凝聚态物理磁学超导表面物理快离子导体液晶晶格动力学一、穆斯堡尔效应ï原子光谱的共振吸收ï原子核γ射线的有反冲的共振吸收ï原子核γ射线的无反冲发射与共振吸收ï无反冲分数1.原子光谱的共振吸收Na原子蒸气的特征黄光(5896≈)1903,RobertWood原子核γ射线的共振吸收未能实现(1929-1950)γ-rayegSourceAbsorberDetectorE0大炮固定在地面上大炮放在船上原子跃迁和原子核跃起的比较0.46eV7.5X10-11eV反冲能量1.8X10-5eV5.6X10-9eV自然线宽412keV4.9eV跃迁能量198Hg原子核汞原子跃迁体系0E2202McERE=eVEMcER3210~22−=γeVE810~−∆γE0-ERE0E0+ERegegE0-ERE0+ER自由原子核发射γ射线后的反冲能量eVE810~−∆γ原子核γ射线的有反冲共振吸收的实现多普勒效应能量补偿－PhilipMoon(1951)v=7x104cms-1)1(/00cvDEEcvEE+==E0-ERE0E0+ER198Au原子核γ射线的有反冲共振吸收的实现γ射线温度展宽－KGMalmforts(1952)cvEExD/0=MTkxBv=2MTKcExcEDBvE002==原子核γ射线的有反冲共振吸收的实现γ射线温度展宽－KGMalmforts(1952)由于是一种有反冲的共振吸收，共振谱线远高于γ射线自然宽度，能量分辨率不高，并未引起广泛关注大炮放在船上，船在大浪颠簸76Os19174keV129keV77Ir191β-穆斯堡尔的实验(一）R.L.Mˆssbauer(1929-)ED=0.07eVER=0.047eVT=300K在室温可以观测到一定的共振吸收穆斯堡尔的实验(一)低温容器探测器吸收体放射源PbMTKcExcEDBvE002==穆斯堡尔预测到共振减小随着放射源温度降低穆斯堡尔的实验(一)发现γ射线吸收强度随着温度降低而增强这一与当时共振吸收观点不一致的ì反常î现象。探测器吸收体放射源Pb穆斯堡尔的实验类比大炮放在船上，船被冻在冰中大炮固定在地面上穆斯堡尔将发射和吸收γ射线的原子核置于固体的晶格束缚之中，使这些原子核在发射和吸收γ射线时牵动整个晶格，相当于使原子核的质量变成整个晶格的质量。bondREEΩhRE束缚在晶格中的原子，反冲能的影响vibtrREEE+=trE反冲能传给整个基体的能量，忽略不计vibE反冲能传给晶格振动动能的平均值如果反冲能量小于晶格特征振动能量（声子能量）真正的无反冲过程ΩhRE有一定几率不与晶格交换能量的过程，也就是无反冲过程。完全没有反冲能量损失的发射和吸收过程。无反冲过程的几率称为穆斯堡尔分数，也称为无反冲分数。穆斯堡尔的实验（二）一个玩具导致NoblePrize无反冲原子核共振吸收的最基本特征ï同类原子核发射出和吸收到的γ射线能量完全相同ï共振吸收所获得的共振谱线宽度仅为γ射线自然宽度的两倍左右（≈10－8eV），这正是穆斯堡尔效应具有极高能量灵敏度的根源。11101010~38−∆=−eVeVEEγγ一些常见谱学手段探测到的能量差10-8原子核的状态穆斯堡尔10-7磁场中的核自旋状态核磁共振10-4磁场中的电子自旋状态电子自旋共振10-1转动状态微波10-1振动状态红外－拉曼1价电子状态可见－紫外10电子状态光电子103内层电子状态X射线探测能量差eV）对象谱学核能级跃迁只能产生零级和一级声子跃迁，几率分别为f和1-fΩ−=Ω−=hh/1)1(RREffE按照爱因斯坦模型，谐振子的平均能量Ω=Ωh2122xM−=−=222)(11220xkxfcEh无反冲分数随着温度的降低，原子被更为牢固地束缚在晶格上，因此无反冲分数增大。这就是穆斯堡尔观测到共振吸收强度随温度降低而增加的原因。)exp(22−=xkf严格按量子力学推导：无反冲分数无反冲分数与温度及晶格特征的关系∫−+=DxDDBexdxTkxθθθ012432])(41[2h)1exp(22−=xkf在Debyemodel中无反冲分数无反冲分数的各向异性（Goldanskii－KaryaginEffeft）==222Zyxxxx单晶材料，各向异性多晶无序取向材料，各向同性)exp(22−=xkf≠=222Zyxxxx]cos4exp[)4exp()(2(222221122θππθλλ−⊥⊥−−=xxxfzxyθφ无反冲分数最常用的穆斯堡尔同位素：57Fe（14.4keV）（70%）119Sn（23.8keV)（15%）151Eu（21.5keV）目前用于物理、化学、冶金、生物、地学、和月球科学研究的有15-20种穆斯堡尔元素。27Co57EC（99.84%）136.48keV26Fe5714.4keV0keVI=1/2I=3/2I=5/2穆斯堡尔核素有46种元素，92种原子核，112种跃迁观察到穆斯堡尔谱效应穆斯堡尔核素穆斯堡尔效应小结穆斯堡尔谱效应（Mˆssbauereffect）原子核对γ射线的无反冲发射与共振吸收ï穆斯堡尔效应不同于前人观测到的有反冲共振吸收，原子核在发射和吸收γ射线时没有发生任何反冲。ï无反冲原子核共振吸收的最基本特征是同类原子核发射出和吸收到的γ射线能量完全相同。Recoillessnuclearresonanceabsorptionofγradiation注意事项穆斯堡尔效应优点穆斯堡尔效应与有反冲的γ射线吸收相比具有两大优点：ï无反冲共振吸收所获得的共振谱线宽度仅为γ射线自然宽度的两倍左右（≈10－8eV），这正是穆斯堡尔效应具有极高能量灵敏度的根源。穆斯堡尔效应的极高能量分辨率为研究核能级的超精细结构提供了实验手段。ï有反冲核共振吸收仅涉及纯核物理领域，而无反冲核共振吸收还与共振核在固体中的晶格特性有关，所以说穆斯堡尔效应在核物理与固体物理研究之间架起了一座桥梁，为核物理的应用开创了更为广阔的前景。穆斯堡尔效应实验方法ï穆斯堡尔谱仪ï穆斯堡尔谱ï穆斯堡尔谱拟合方法最原始的穆斯堡尔谱仪1.放射源2.探测器3.吸收体4.多普勒速度驱动装置穆斯堡尔谱仪探测器放大器线性放大器单道分析器函数发生器前置放大器开始信号驱动器放射源样品道进信号等加速模式速度校准295Kα－Fe标准的穆斯堡尔谱线位置(mm/s)－5.313－3.081－0.8420.8423.0815.313n1n6道数道）()/(626.1016nnsmmK−=等加速模式t速度绝对定标法（激光测速）He-Ne激光器振动子光电二极管脉冲形成电路多道分析仪λ/2穆斯堡尔谱仪放射源27Co57（270天）EC（99.84%）136.48keV26Fe5714.4keV0keVI=1/2I=3/2I=5/289.54keV23.87keV0keVI=1/2I=3/2I=11/250Sn119（250天）50Sn119ï放射性同位素扩散到固体晶格中57Co(Pt),57CO(Rh)ï基体材料要高Debye温度ïEγ=5-160keVï激发态的半衰期τ=10-9-10-6sï母核放射性半衰期长ï跃迁过程简单穆斯堡尔谱仪放射源穆斯堡尔谱仪探测器57Fe14.4keV跃迁的内转换过程14.4keV穆斯堡尔γ射线14.4keVγ射线7.3keVe-5.6keVe-6.3keVx射线6.4keVx射线穆斯堡尔谱仪单道分析器14.4keV6.3keVK层特征x射线14.4keV6.3keVK层特征x射线MˆssbauerSpectrometer(2001)StateKeyLab.ofMagnetism,IPCAS;(2002)StateKeyLab.ofMagnetism,IPCAS;(2003)StateKeyLab.ofMagnetism,IPCAS;://maglab.iphy.ac.cn原位穆斯堡尔谱仪/MBE/SPM/联合系统（2004.3)VT-SPMLED/AESMˆssbauerSpectrometerMOKEMBE/EBERHEED原位生长＋高空间分辩＋高能量分辩StateKeyLab.ofMagnetism,IPCAS;高压穆斯堡尔