穆斯堡尔谱原理及应用PPT课件

1 穆斯堡尔谱原理及其应用 2 主要内容 1 穆斯堡尔谱原理 2 穆斯堡尔谱的应用 3 RudolfM ssbauer1929 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 4 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 C E 射线能量的变化 E 射线能量V 速度 5 2 同质异能核 1 电荷数与质量相同但能态不同的核 如 Fe Fe2 Fe3 2 如用放射性核57Fe为标样 它发出能量为A hv的 射线 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 放出的电磁波 含铁样品中Fe的能级差为B 设 E A B 6 3 当标样相对含铁样品运动 则样品接受的 射线能量为hv E 4 当速度达到某值 使 B hv E A VE C 则形成共振吸收 就得到Mossbauer谱 7 3 穆斯堡尔效应的发现 1956年 27岁的穆斯堡尔 RudolphL Mossbaure 攻读博士学位 致力于有关 射线共振吸收的研究 发现了穆斯堡尔效应 无反冲的 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 发射或吸收的光子能量会有细微变化 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 8 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 9 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 E0 Eg 10 射线是一种强电磁波 它的波长比X射线还要短 一般波长 0 001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 11 穆斯堡尔谱的产生 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 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 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 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 12 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 13 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 14 15 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 1同质异能位移 化学位移I s或 2四极分裂3磁超精细分裂 16 同质异能移 化学位移 穆斯堡尔谱参数 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 Ea Eg Ea Eg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 17 1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配置情况有关 所以根据 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 2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 所得谱线共振吸收最大处即是谱仪零速度处 3 可正可负 为正 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 为负 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 18 4以不同基态的穆斯堡尔谱源去测量同一吸收体的穆斯堡尔谱时 所得化学位移不同 所以通常需要说明这种化学位移是相对于何种标准吸收体而言 5当穆斯堡尔谱原子处于不同价态和不同自旋状态时 原则上有不同的化学位移 6化学位移决定谱线中心的位置移动 但不是唯一的决定因素 温度效应与化学位移叠加在一起决定谱线中心的位置 19 电四极分裂距 穆斯堡尔谱参数 I 3 2 I 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 20 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Q来表征核电荷分布偏离球对称的程度 21 可以证明 如果原子核电荷分布是球对称的 则Q 0 若原子核电荷分布非球对称的 则Q 0 外电场和原子核的电四极矩之间的相互作用将引起能量的变化 使能级分裂 出现两个亚能级 在谱线上可观察到两条特征谱线 两峰之间的距离叫四极矩分裂 两峰的中心相对零速度是化学位移 22 例如57Fe 23 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 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息 四极矩分裂Qs的意义 24 磁超精细分裂 Zeamanneffects 在原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 25 综上所述 可得到下图 26 具有穆斯堡尔效应的化学元素 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 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 27 穆斯堡尔源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 最重要的穆斯堡尔源是57Co 它衰变得到57Fe的14 41keV穆斯堡尔跃迁 下表是57Co穆斯堡尔源所发出的辐射能量 28 样品 吸收体 的制备 29 数据处理 一次往复运动得到一个实验数据 为得到精确的穆斯堡尔参数 必须用计算机分析 最常用的是将穆斯堡尔仪测量得到的数据按洛仑兹线型进行拟合 30 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 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 31 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 32 对于表示磁性材料的特征来说 穆斯堡尔谱学有相当普遍的应用 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 33 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 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 34 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 35 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 36 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 37 穆斯堡尔谱方法的主要特点是 分辨率高 灵敏度高 抗干扰能力强 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