穆斯堡尔谱原理及应用.pptx

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1、主要内容1、穆斯堡尔谱原理2、穆斯堡尔谱的应用第1页/共39页RudolfMssbauer1929-德国慕尼黑大学，慕尼黑工业大学实验物理学家1961年获得诺贝尔物理学奖-因对g辐射的共振吸收的研究和发现与此联系的穆斯堡尔效应1929年1月31曰出生于德国的慕尼黑。中学时就对物理学发生了兴趣，把余暇时间都用来阅读有关物理学的书籍。1948年他进入慕尼黑技术学院物理系，三年后以优异成绩提前毕业。1955年又获得硕士学位。在此期间，他除了进行硕士论文的准备工作之外，还担任该校数学研究所的兼职教师。然后，他来到海德堡的马克斯普朗克物理研究所担任研究助理。1955年至1957年在这里完成了博士论文，以

2、后又做了一系列实验研究。1958年1月他获得博士学位。1961年应邀成为美国加州理工学院教授。1972-1977年任劳厄朗之万研究所所长。1958年发现了g辐射的共振吸收中的穆斯堡尔效应。三年后他获得诺贝尔物理学奖时只有32岁。第2页/共39页原理1、多普勒效应:如一个辐射源相对接收者运动,则对接收者而言,辐射波长(频率、能量)随二者的相对运动方向与速度而变化：E=VE/CE-射线能量的变化；E-射线能量V-速度第3页/共39页2、同质异能核同质异能核(1)电荷数与质量相同但能态不同的核，电荷数与质量相同但能态不同的核，如：如：Fe,Fe 2+,Fe 3+。(2)如用放射性核如用放射性核57F

3、e为标样，它发出能量为为标样，它发出能量为A=hv的的射线；（射线；（射线是不稳射线是不稳定的原子核从能量较高的激发态跃迁到能量较低的能级或基态时，放出的电磁定的原子核从能量较高的激发态跃迁到能量较低的能级或基态时，放出的电磁波）波）含铁样品中含铁样品中Fe 的能级差为的能级差为B；设设E=A-B第4页/共39页(3)当标样相对含铁样品运动，则样品接受的当标样相对含铁样品运动，则样品接受的射线能量为射线能量为hv+/-E；(4)当速度达到某值，当速度达到某值，使：使：B=hv+/-E=A+/-VE/C；则形成共振吸收，；则形成共振吸收，就得到就得到Mossbauer谱。谱。第5页/共39页3、

4、穆斯堡尔效应的发现 1956年，年，27岁的穆斯堡尔岁的穆斯堡尔(Rudolph L.Mossbaure)攻读博士学位，致力于有关攻读博士学位，致力于有关射线射线共振吸收的研究。共振吸收的研究。发现了穆斯堡尔效应：无反冲发现了穆斯堡尔效应：无反冲的的发射和其共振吸收现象发射和其共振吸收现象。穆斯堡尔谱学的基础是放射性原子核发出光穆斯堡尔谱学的基础是放射性原子核发出光子，这些光子被吸收体中的同种原子核共振吸收。子，这些光子被吸收体中的同种原子核共振吸收。由于吸收体化学组成或晶体结构不同，发射或吸由于吸收体化学组成或晶体结构不同，发射或吸收的光子能量会有细微变化。利用穆斯堡尔效应收的光子能量会有细

5、微变化。利用穆斯堡尔效应可以测量出这种变化，从而得到有用的信息。可以测量出这种变化，从而得到有用的信息。第6页/共39页穆斯堡尔谱学的特点：1 穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领，很穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领，很容易探测出原子核能级的变化。容易探测出原子核能级的变化。2 利用穆斯堡尔谱可以方便地研究原子核与利用穆斯堡尔谱可以方便地研究原子核与其周围环境间的超精细相互作用，可以灵敏其周围环境间的超精细相互作用，可以灵敏地获得原子核周围的物理和化学环境的信息。地获得原子核周围的物理和化学环境的信息。第7页/共39页穆斯堡尔效应的发现1957年，德国27岁的年轻科学家穆斯堡尔在做博士论文的实验工

6、作中，发现了原子核对 射线的无反冲共振吸收，这种效应后来以他的名字命名，叫做穆斯堡尔效应。射线基态激发态放射源吸收体E0Eg第8页/共39页射线是一种强电磁波，它的波长比X射线还要短，一般波长0001纳米。在原子核反应中，当原子核发生、衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是射线。射线具有极强的穿透本领。人体受到射线照射时，射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到

7、破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。第9页/共39页穆斯堡尔谱的产生v 如果入射的光子能量和吸收体中的某原子核的能级跃迁能量相等，这种能量的光子就会被吸收体共振吸收。v 若要测得共振吸收的能量的大小，必须发射一系列不同能量的光子。v 但是一般放射源发射的只是具有某一、二种能量的光子，这是不能形成穆斯堡尔谱的，但通过源和吸收体之间的相对运动多普勒效应，可得到一系列不同能量的光子。v 这种经过吸收体后的射线计数和多普勒速度(代表光子的能量）之间的关系就是穆斯堡尔谱。第10页/共39页理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出一个射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原

8、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。第11页/共39页1957年底，穆斯堡尔提出实现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

9、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。第12页/共39页第13页/共39页穆斯堡尔谱参数超精细相互作用由于原子核存在于由原子的壳层电子和邻近配位体的电荷所产生的电磁场中，原子核本身带正电荷和各种核矩，因此核和核所处的电场和磁场之间存在着相互作用，这种作用十分微弱，称为超精细相互作用。需要考虑以下三种主要的超精细相互作用：n1 同质异能位移（化学位移I.s 或）n2 四极分裂n3 磁超精细分裂第14页/共39页同质异能移（化学位移）穆斯堡

10、尔谱参数激发态基态 一般情况下，源和吸收体中的穆斯堡尔原子核的环境不同，所以吸收体相对源出现了一个能量差值，记做 EaEg=EaEg 同质异能移主要取决于核位置处的电子电荷密度，这与穆斯堡尔原子核周围的电子配位状态有关，因此同质异能移可提供化学键、价态和配位基的有关信息。第15页/共39页1 如果激发态核半径与基态核半径不等，则化学位如果激发态核半径与基态核半径不等，则化学位移可以不为零，而与这个穆斯堡尔原子核周围电子移可以不为零，而与这个穆斯堡尔原子核周围电子配置情况有关，所以根据配置情况有关，所以根据可以得到化学键性质、可以得到化学键性质、价态、氧化态、配位基的电负性等化学信息。价态、氧化

11、态、配位基的电负性等化学信息。2 如果放射源中穆斯堡尔原子所处的化学状态和吸如果放射源中穆斯堡尔原子所处的化学状态和吸收体完全相同，则化学位移总是为零，所得谱线共收体完全相同，则化学位移总是为零，所得谱线共振吸收最大处即是谱仪零速度处。振吸收最大处即是谱仪零速度处。3 可正可负。可正可负。为为正，说明从放射源到吸收体在核处正，说明从放射源到吸收体在核处的电子电荷密度是增加的，原子核体积减小；的电子电荷密度是增加的，原子核体积减小；为为负，说明从放射源到吸收体在核处的电子电荷密度负，说明从放射源到吸收体在核处的电子电荷密度是减小的，原子核体积增加。是减小的，原子核体积增加。第16页/共39页4

12、以以不不同同基基态态的的穆穆斯斯堡堡尔尔谱谱源源去去测测量量同同一一吸吸收收体体的的穆穆斯斯堡堡尔尔谱谱时时，所所得得化化学学位位移移不不同同。所所以以通通常常需需要要说说明明这这种种化化学学位位移移是是相相对对于于何何种种标标准准吸吸收收体体而而言。言。5 当当穆穆斯斯堡堡尔尔谱谱原原子子处处于于不不同同价价态态和和不不同同自自旋旋状状态态时，原则上有不同的化学位移。时，原则上有不同的化学位移。6 化化学学位位移移决决定定谱谱线线中中心心的的位位置置移移动动，但但不不是是唯唯一一的的决决定定因因素素，温温度度效效应应与与化化学学位位移移叠叠加加在在一一起起决定谱线中心的位置。决定谱线中心的位

13、置。第17页/共39页电四极分裂距穆斯堡尔谱参数I=3/2I=1/2 当电场梯度不为零的时候，而原子核电荷分布不是球对称的时候（即具有电四极距），就有电四极相互作用。电四极相互作用使得简并能级部分消除，因此出现超精细分裂。电四极分裂可以给出有关键的性质、分子和电子的结构。第18页/共39页 虽然原子核的形状接近球形，但多数核虽然原子核的形状接近球形，但多数核是轴对称的椭球形。因此用电四极矩是轴对称的椭球形。因此用电四极矩Q来来表征核电荷分布偏离球对称的程度。表征核电荷分布偏离球对称的程度。第19页/共39页 可可以以证证明明，如如果果原原子子核核电电荷荷分分布布是是球球对对称称的的，则则 Q0

14、;若若原原子子核核电电荷荷分分布布非非球球对对称称的的，则则 Q0，外外电电场场和和原原子子核核的的电电四四极极矩矩之之间间的的相相互互作作用用将将引引起起能能量量的的变变化化，使使能能级级分分裂裂，出出现现两两个个亚亚能能级级，在在谱谱线线上上可可观观察察到到两两条条特特征征谱谱线线。两两峰峰之之间间的的距距离离叫叫四四极极矩矩分分裂裂，两两峰峰的的中中心心相相对零速度是化学位移对零速度是化学位移。第20页/共39页例如57Fe第21页/共39页 四极矩分裂是穆斯堡尔谱的一个重要参数，四极矩分裂是穆斯堡尔谱的一个重要参数，它与原子的对称性关系很大，表面原子相对本它与原子的对称性关系很大，表面

15、原子相对本体原子有较低的对称性，因而有较大的电场强体原子有较低的对称性，因而有较大的电场强度，根据这个差别可以区分这两种不同原子。度，根据这个差别可以区分这两种不同原子。表面化学吸附物质的存在可以改变电场梯度，表面化学吸附物质的存在可以改变电场梯度，而这又与化学吸附键的强度以及化学吸附物质而这又与化学吸附键的强度以及化学吸附物质相对于表面原子的位置有关。因此，测量表观相对于表面原子的位置有关。因此，测量表观四极分裂的大小变化，可以提供表面状况的信四极分裂的大小变化，可以提供表面状况的信息。息。四极矩分裂Qs的意义：第22页/共39页磁超精细分裂磁超精细分裂(Zeamann effects)在原

16、子核处常常存在有核外电子形成的磁场H，可使核能级进一步分裂，又叫核塞曼效应。第23页/共39页综上所述，可得到下图：第24页/共39页具有穆斯堡尔效应的化学元素q目前，发现具有穆斯堡尔效应的化学元素（不包括铀后元素）只有42种，80多种同位素的100多个核跃迁。q大多数的要在低温下才能观察到，只有57Fe的14.4kev和119Sn的23.8kev核跃迁在室温下有较大的穆斯堡尔效应的几率。广泛研究较难研究很难研究第25页/共39页穆斯堡尔源穆斯堡尔源将穆斯堡尔原子的母核核素通过一定方式将穆斯堡尔原子的母核核素通过一定方式嵌入某种基体中制成，最重要的穆斯堡尔嵌入某种基体中制成，最重要的穆斯堡尔源

17、是源是57Co,它衰变得到它衰变得到57Fe的的14.41keV穆穆斯堡尔跃迁。下表是斯堡尔跃迁。下表是57Co穆斯堡尔源所发穆斯堡尔源所发出的辐射能量。出的辐射能量。第26页/共39页样品样品(吸收体吸收体)的制备的制备第27页/共39页数据处理数据处理 一次往复运动得到一次往复运动得到一个实验数据，为得一个实验数据，为得到精确的穆斯堡尔参到精确的穆斯堡尔参数，必须用计算机分数，必须用计算机分析，最常用的是将穆析，最常用的是将穆斯堡尔仪测量得到的斯堡尔仪测量得到的数据按洛仑兹线型进数据按洛仑兹线型进行拟合。行拟合。第28页/共39页穆斯堡尔谱的应用范围1、穆斯堡尔谱鉴定物质结构2、验证广义相

18、对论和测微小振动3、磁性和磁性相变的研究4、化学配位及催化机理的研究5、研究铁固溶体的相结构q 穆斯堡尔谱广泛应用于物理、化学、材料科学、冶金学、生物学和医学、地质学、矿物和考古等领域。第29页/共39页穆斯堡尔效应是原子核无反冲的射线的发射和吸收，在本质上也是一种核磁共振。它可以用来研究原子核与核外环境的超精细相互作用，从而分析物质的微观结构。原子核外的环境影响原子核的超精细能级，进而影响穆斯堡尔谱。因此，研究穆斯堡尔谱可以得到原子核的超精细场(内场)、原子的价态、对称性等方面的数据。在固体物理、生物、化学等领域有着广泛的应用。第30页/共39页对于表示磁性材料的特征来说，穆斯堡尔谱学有相当

19、普遍的应用，其中包括对固态物相的鉴定。如果材料不止一种含铁的相。那么每一种相都对应他自己的穆斯堡尔谱。可与已知相的穆斯堡尔标准谱相比较。这与采用X射线衍射图样分析的方法是一致的。当然，穆斯堡尔谱学在这方面的应用远不及X射线衍射那样普遍。但穆斯堡尔效应的灵敏度高，可以检测到有些X射线检测不出来的第二相。相成分的分析第31页/共39页另一种方法，是用最小二乘法，用洛仑兹拟合实验谱线，从而获得材料中各种成分的情况。例如：联系到月岩样品的穆斯堡尔谱学的研究，制备了含有少量Fe3+和Mg2+的钛铁矿样品。在这些固溶体系统中，为了得到单相材料，必须使用很低的氧分压，如果氧分压太高，则将得到FeTiO5-(

20、Fe,Mg)Ti2O5固溶体系统中的第二种相。当温度为1200摄氏度和处于较低真空条件下所烧结的样品的穆斯堡尔谱如下页图1所示。两条强的共振线是由FeTiO3中的Fe3+形成的。由铁板钛矿(Fe2TiO5)结构中的Fe2+形成的吸收线也是十分清楚地。第32页/共39页要得到真正的单相材料，必须把样品在1200摄氏度、大约10-8托的真空中烧结。图2示出在这样条件下样品的穆斯堡尔谱，成分为FeTiO3，用最小二乘法，把这个谱用洛伦兹型拟合，可看出，没有第二种物相痕迹.第33页/共39页通过确定超精细参量和温度之间的关系，常常可以确定相变。例如，在晶体结构或原子占位对称性较低的情况下，也常常出现相

21、当大的电四极矩效应。根据实验谱线可以求出电四极相互作用能EQ，当EQ随温度出现突变时，可以确定在这个温度晶体结构发生了改变。相变第34页/共39页在固溶体和化合物中，同种原子或离子可能占据几种晶位。如在柘榴石铁氧体中，Fe3+离子可能占据八面体位置和四面体位置。确定该原子或离子在不同晶位中的占有率对研究磁性材料具有很大意义。若所有的点阵具有同样的无反冲分数f，那么，某一相的谱线分量的总强度（谱线面积）应该与其中元素的含量成正比。因此，只要分别计算出对应不同晶位的谱线的面积，就可以得到该原子或离子的晶位占有率。确定晶位的分布第35页/共39页穆斯堡尔谱方法的主要特点是：分辨率高，灵敏度高，抗干扰

22、能力强，对试样无破坏，实验技术较为简单，试样的制备技术也不复杂，所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶体或非晶体态的体材料、薄膜或固体的表层，也可以是粉未、超细小颗粒，甚至是冷冻的溶液，范围之广是少见的。主要的不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，且许多还必须在低温下或在具有制备源条件的实验室内进行，使它的应用爱到较多的限制，事实上，目前只有57Fe和119Sn等少的穆斯堡尔核得到了充分的应用。即使如此，它仍不失为固体物理研究的重要手段之一，在有些场合甚至是其他手段不能取代的，并且随着实验技术的进一步开发，可以预期，它将不断地克服其局限性，在各研究领域发挥更大的作用。第36页/共39页穆斯堡尔效应不仅在研究磁性物质方面有着广泛的应用，同时在很多新兴和边缘科学的研究中发挥着积极和重要的作用。穆斯堡尔效应之所以有如此广泛的应用，是由于它具有高达10-8以上的能量分辨率，可以探测原子核及其周围环境之间的超精细相互作用信息，因此，是研究物质微观结构及其微小变化的有力工具。第37页/共39页布拉格方程及其意义衍射强度结构因子物相分析(定性和定量)的基本原理和方法X射线衍射、电子衍射和中子衍射的联系与区别简单结构分析，指标化和晶胞参数的计算穆斯堡尔谱原理和穆斯堡尔谱参数总结和复习第38页/共39页感谢您的观看！第39页/共39页