试验10穆斯堡尔谱学试验

1、(2)实验12穆斯堡尔谱学实验实验目的1 .了解穆斯堡尔效应和穆斯堡尔谱仪的基本原理。2 .掌握穆斯堡尔谱基本参数的测定方法。实验内容1. 测aFe的穆斯堡尔谱。根据a-Fe穆斯堡尔谱内双峰半宽度估算穆斯堡尔谱仪的 测量精度。2. 测aFe2O3的穆斯堡尔谱，计算 a-Fe2O3的同质异能移、四极分裂和内磁场。 原理假如原子核A衰变到原子核B的激发态 B*，然后从激发态 B*退激到基态B时，发射出丫光子。当这一 丫光子遇到另一个同样的原子核B时，就应被共振吸收。但对于自由原子核要实 现上述共振吸收是很困难的，因为发射和吸收 丫光子的过程中，均由于原子核反冲而损失一部分 能量Er图1卩光子的发射

2、和段收Pn22M.E02MC2=5.37 10*2E/A(eV)(1) 式中Pn为反冲动量，M为原子核质量，A为原子量，Eo为以keV为单位的丫跃迁能量。对 于57Fe的14.4keV能级，Er=1.95 M03eV。反冲效应使 丫光子的发射谱向低能方向移动Er,使吸收谱向高能量方向移动Er。这样发射谱和吸收谱就相差2Er 106 - -4.55 10 eV)，所以气体或液体中的自由原子核是无法实现无反冲 共振吸收的。自曲M于核辰3! F光子时的反冲讯3 自由隙F桟的岌射滑和段收谓穆斯堡尔发现，如果使发射和吸收丫光子的原子核束缚在固体晶格中，反冲能量主要转化为晶格平均振动能 Evib。晶格振动

3、能量的变化是声子能量E的整数倍，cle是爱因斯坦固体的特征振动频率。当ER ： ：E(10经eV)时，在发射和吸收 丫光子的过程中，或许激发声子，或者不激发，其中不激发声子的几率f，又叫无反冲分数。由理论计算给出:f = exp(-k : x )其中k是丫光子的波矢，是原子振幅的均方值。如采用德拜固体模型，我们可得到无反冲分数的下述表达式:-6Erf 二 expkDiT Y &/T x4忙戸Ml%J1 +(3)当T 0d时f=exp近门kB 硝一(5)式中kB为玻尔兹曼常数，二D/kB为德拜温度。从这些公式我们可得到下述结论:(1 ) 反冲能量减小，f值增大。(2) 温度下降时，f值增大。(3

4、) 德拜温度高的固体的f值大。实际上，穆斯堡尔原子核是处在轨道电子和相邻原子(或离子)的电磁场之中。核电荷，核磁矩和电四极矩与核位置的电磁场相互作用(超精细相互作用)，使核能级移动和分裂。穆斯堡尔谱有下列三个参数:1.同质异能移S我们研究原子的电子结构时，通常把原子核 看成点电荷。但实际上原子核有一定体积，而且s电子也有一定几率透入核体积内。在核体积内，s电子和核电荷之间的相互作用能量要比在核外略 有减小。这一减小的能量为：E =Ze2 |- (0) |2 ： R23(6)2 2式中ep (0) |为核位置的电子电荷密度，：:R -为核半径的均方值。处于不同能级的原子核半径不同，根据(6)式，

5、激态和基态的能移也不同。在穆斯堡尔实验中，一般测量的是放射源和吸收体中两种丫跃迁的能量差&“ Ze2 卜(0)|； -1屮(0)|G R25R/R(7)52.四极分裂非球对称原子核具有电四极矩。如果核外电荷在核位置形成一定的电场剃度，结果就会产生电四极相互作用。在轴对称电场剃度情况下，这一相互作用能量为:e2QVzz41(21 -1)23m2 -I(I 1)(8)电四极相互作用使57Fe的14.4keV能级分裂成两个次能 级，基态能量不变。这样形成两组 丫跃迁，其能量差 就叫四极分裂：31eQ :Eq 二 Eq)-Eq(Ei)Vzz(9)22 2式中mi=|,|-i, .,-|为原子核的磁量子

6、数，I为何自旋，Q 为原子核电四极矩，Vzz为电场剃度的z轴分量。四极分 裂能给出有关晶体的微观结构及配位情况的信息。3.磁偶极分裂原子核具有磁偶极矩卩,它和核位置的固体内部磁场Hi产生相互作用，而使核能级分裂，其相互作用能量为：Em Hm /I 二-gSHm(10)其中由为核磁子，g为核朗德因子。从(10)式可知，核能级在 Hi的作用下分裂为2I+1个 次能级。57Fe的能级分裂后，根据选择定则Am=0,_1，只允许6种月钱。根据穆斯堡尔谱可以确定固体内部磁场HHi =(V6 -叩诃怡 31.12 (kOe)(11)从而可以研究固体内部磁结构及磁相互作用情况。V1和V6是1和6峰的峰位置速度

7、值。4.磁电组合超精细分裂实际上在很多固体的穆斯堡尔原子核位置，同时存在内磁场Hi和电场剃度Vzz。电场剃度的同时存在只使次能级的位置发生相对位移。当轴对称电场剃度张量的Vzz轴和磁场平行时，对于57Fe这一磁电组合超精细相互作用能量为：Em gSHm (-1)2eQVzz4(12)、=(V1 V2 V5 V6)/4(14)内磁场的计算用(11)式，而四极分裂和同质异能移的计算用下式:(V6 一 V5)-(V2 一 V1 )32(13)*#峻农祁实验装置穆斯堡尔谱仪的框图如图 7所示。电磁驱动器是由两个磁钢系统组成。在一个磁钢系统的磁隙中安放驱动线圈，在另一个磁钢系统的磁隙中安放拾波线圈（速度

8、测量线圈）。当有驱动电流经过驱动线圈时，线圈运动。由于驱动线圈和拾波线圈之间用硬管连接，则拾波线圈也以同样的速度运动。在拾波线圈上产生感生电动势 V二-Blv，其中B为磁感应强度。可以看到，运动速度与感生电动势成正比。如果用拾波信号与理想的三角波进行反相比较， 其差误信号经放大后加到驱动线圈上，这样形成一个速度自动跟踪于三角波的系统。安装在线圈连杆上的放射源的运动速度也按三角波规律变化。在三角波上升的半周期内速度和时间成正比。如果使多道分析器工作在时间分析状态，在三角波的每个起始点，穆斯堡尔谱仪给出一个使多道道步进开始的起始脉冲，那么不同道址的计数脉冲就相应不同速度时透过样品的丫光子数。当放射

9、源沿直线运动时，由于多普勒效应丫光子所获得的补充能量AE.,= rE ：c ,+ ：表示放射源朝向吸收体运动，表示相反方向的运动。当放射源运动到某一速度时，丫光子能量正好等于样品中核能级能量时，产生共振吸收，透过样品的丫光子数减少。放射源 准直孔 薄Nal(TI)图7穆斯堡尔谱仪框实验仪器NaI(Tl)探测器1只前置放大器1个线性放大器1个单道分析器1个高压电源1个机箱1套穆斯堡尔谱仪1套计算机1台实验步骤571. 多道分析器工作在能谱分析状态，测出Co的丫能谱。2. 用单道分析器或多道分析器输入部分的上下甄别，选出相应于14.4keV 丫光子的脉冲。测量a-Fe的穆斯堡尔谱，并作图。3. 测出a-Fe2O3的穆斯堡尔谱，并作图。4根据a-Fe谱的穆斯堡尔谱计算谱仪的道增量，算出aFe 3、4峰的半宽度的一半-ex