近代物理测试技术

1、近代物理测试技术近代物理测试技术制作人：高强1 正电子湮没技术与正电子湮没技术与穆斯堡尔谱穆斯堡尔谱正电子湮没技术 正电子是电子的反粒子，其基本属性与电子对称。物 理 量单位正电子电子静止质量g9.1110-289.1110-28自 旋h1/21/2电 荷e+1+1磁 矩*B+1+1*B(玻尔磁子)=5.78810-11Me VT-1 1930年，狄拉克首次在理论上预言了正电子的存在。他提出了著名的相对论量子力学方程狄拉克方程，而在求解时出现了一个负能态的解，于之对应的本征波函数即相应于正电子波函数。 当时正在利用威尔逊云室研究宇宙射线所产生的次级电子能谱的安德逊，在并不了解狄拉克预言的情况下

2、，在试验中发现了正电子。 同时，我国著名物理学家赵忠尧，首次观测到了正电子湮没辐射。 正电子湮没技术在原子物理、固体物理、材料科学、化学、医学、生物学等方面有广阔的应用前景。 正电子是很不稳定的，它碰到电子就会湮没，即电子与正电子消失并产生光子。在多数情况下，产生出的两个光子以相反方向射出，如下页图。电子正电子湮没对光子光子质量转换成能量180。 正电子湮没实验中所用的正电子一般来自放射性同位素的+衰变，而最常用的+源是放射性同位素22Na。 正电子从射入固体开始到湮没位置所经历的时间称为正电子的寿命。 如果固体中存在空位、位错或空洞等缺陷，由于缺陷对正电子的捕获作用，正电子将局域在缺陷附近湮

3、没。而缺陷附近的平均电子密度一般较低，故正电子寿命变长。 例如，正电子在Al 单孔位中湮没寿命为205ps,而在完整的Al晶体中寿命为167ps，约增大23%。 利用这一缺陷捕获效应，可追踪样品形变、退火回复等过程中缺陷的发展与变化。 由于在缺陷部位与正电子相复合的电子平均动量较小，使湮没时发出的 射线以511keV为中心的多普勒展宽变窄（图10.2） 用适当的参数描述谱线形状的变化，同样可获取有关缺陷捕获效应的信息。此即多普勒增宽测量。 图10.3所示为经电子和中子辐照的钼在退火过程中正电子寿命随退火温度的变化。 随退火温度的升高而连续增大，表明了空位的聚团。2 图10.4所示为电子幅照纯钼

4、和掺杂有200ppm氮的钼在退火过程中捕获态正电子寿命和强度随退火温度的变化。 与纯钼相比，掺杂的钼空位迁移温度明显移后，且最大寿命变大，显示了杂质对空位团形成过程的影响。所示为穆斯堡尔谱 1961年，年轻的物理学家穆斯堡尔（RLMossbauer）由于研究射线无反冲共振吸收即发现穆斯堡尔效应分享到了诺贝尔物理学奖。022eepimnez 原子核从激发态跃迁到基态时会发出射线，射线作为一种波长极短的光波，在与同类原子核作用时，理应存在类似于原子的共振吸收。 但这一共振现象在很长一段时间内未能观测到。 原因在于光子的能量要比原子发光发出的光子的能量高得多。原子发光时光子能量一般为几个电子伏特，而

5、光子的能量则为几十KeV至几个MeV。 原子发光时，原子的反冲能可完全忽略，光子的能量就等于原子的激发能，它又正好能使另一同类原子发生共振吸收。 在跃迁时，由于光子的能量很高，相应的动量大得多，原子核在发射光子时，本身要向后反冲，原子核激发能中的一部分变成了核的反冲能，发出的光子的能量就要小于激发能。 不仅如此，当光子与另一同类核 作用时，光子的能量中又有一部分变为核的前冲能，使激发核的光子的能量进一步减小，光子就不能使原子核激发而出现共振吸收了。 理论推导表明，要想把原子核激发到能量为Eo的激发态， 射线的能量h必须大于Eo,而有 由此可见，同一激发态的射线发射谱线和吸收2200R0Mc2E

6、EEEh 谱线的能量要相差 （图10.5）。 影响共振吸收的因素还有激发能级的宽度。由于原子的激发态具有一定的寿命，（一般在 之间）根据不确定关系 可估算出激发能级宽度约为 。 由于基态寿命为无穷大，其能级宽度为零，故激发态的能级宽度也就是该激发态向基态跃迁时发出的射线的能量宽度，称为谱线的自然宽度。RE22/tE810981010981010eV104 考虑谱线展宽后，同一激发态的射线发射谱线和吸收谱线的能量差实际上指的是两谱线中心的能量之差，而在两谱线的重叠部分，共振吸收仍可发生。 若E，两谱线大部重合，就会发生显著的跃迁，反之则共振吸收不能发生。 对于一般的原子核， E，故共振吸收不能发

7、生。 要想观察到射线在原子核上的共振吸收，必须设法补偿反冲能量损失。这可利用多普勒效应，即，使源向吸收体运动。 要使源相对于吸收体运动，可采取两种办法。（1）把放射源涂在高速运动圆盘的边上（2）提 高放射源和吸收体的温度。 1958年Mak Planck 研究所的博士生 Mossbauer正是按照上述思路进行了共振吸收研究。他使Ir发出的射线射到Ir的吸收体上，再测量穿过吸收体后的射线的强度。发生共振吸收时， 射线的强度会大大减弱。 考虑到热运动会引起谱线的多普勒增宽，有利于共振吸收， Mossbauer 预期降温会使共振吸收减弱，但当他在低温下进行实验时， 却急剧增大。 Mossbauer

8、分析后认为这可能是原子核在低温下完全被晶格所束缚，使晶体作为一个整体来吸收反冲动量。这就是无反冲的共振吸收。 Mossbauer 效应的发现立即在物理学界引起了轰 动，因为利用这一效应可使能谱的测量精度提高到空前的高度。例如，对于Ir的129eV的谱线，能量分辨率可达10 由于Mossbauer 谱包含有与吸收核的物理、化学环境有关的信息，因此很快发展成为一种谱学，并获得广泛应用：（1）直接利用它 的高分辨率来测量很小的能量变化，速度变化（2）通过超精细相互作用引起的Mossbauer 谱的变化获得物质微观结构的信息。 典型的应用实例有（1）在生物学中，用于测量生物大分子体系如含铁蛋白质、氨基

9、酸及其微生物、核酸、碳水化合物等中氧和二氧化碳的传递过程；光合作用，酶催化等。 （2）在矿物学和考古学中，用于判断古陶器年代，测量煤、油岩石的成分及结构。 （3）在物理学中研究物理冶金过程，进行相分析和缺陷研究；进行引力红移验证。 （4）在化学中研究配位化学，多相催化。2 核磁共振核磁共振 1946年，美国哈佛大学的珀赛尔（EMPurcell）和斯坦福大学的布络赫（FBloch）分别独立地发现了核磁共振现象（Nuclear Magnetic Resonance,简称NMR），并因此共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖。核自旋和核磁矩 核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同时作用且满足一定

10、条件时所发生的共振吸收现象。 根据量子力学，原子核的自旋 是核内所有核子自旋角动量和轨道角动量的矢量和，IP 其大小为 式中I为核自旋量子数。 在外磁场方向的投影值为 (M=I,I-1,-I, 称为自旋磁量子数) 单个核子的自旋I都等于1/2，原子核的自旋则取决于它所包含的核子数及核电荷数。A和Z均为偶数的核，其自旋均为零；A为偶数Z为奇数的核，I为整数；A为奇数的核 I则为半整数。 若原子核的核自旋不为零，则核就具有磁矩 ，它与自旋的关系为) 1I ( IPIIPMPIzpm2eINpPgm2e 核磁矩在外磁场方向的投影为 (M=I,I-1,.-I) 记 称为核磁子，则 其最大值 就称为核的

11、磁矩。 核磁矩与外场的相互作用和核磁共振 磁矩与外磁场的相互作用能为Mgm2ePgm2eMNpIzNpzpNm2eMgMNNzIgNN 式中 称为旋磁比。 由于I一定时M有2I+1个取值，故相互作用能有2I+1个数值，即相互作用能是量子化的。 由于核磁矩与磁场的相互作用，当原子核处于一恒定外磁场中时，原来的一个核能级将分裂成2I+1个子能级。 对于I=1/2和I=3/2的核，其基态能级的分裂如图10-8所示。 由于两相邻子能级的M值相差为1，故其能量差MBMBgBBENNNz外外外外MBMBgBBENNNz外外外外NNNpNggm2e 这称为能级的裂距。 对于处于恒定外磁场中的原子核，若再加一

12、交变电磁场，即可引起核在子能级间的跃迁。根据选择定则，只有两相邻子能级间的跃迁才是允许的，于是，当交变电磁场的频率所对应的能量h恰等于核的两相邻子能级的能量差时，处于低子能级的原子核即可吸收能量跃迁到高子能级。此即核磁共振的基本原理。 核磁共振的频率为 这称为共振频率。外外BBgENNN外BgNN2BhBgNNN外外 若以圆频率表示，则共振条件为 由此可见，共振条件取决于 。 不同的原子核，其旋磁比不同，在一定的外场作用下，共振频率也不同。由此即可研究核 的特性。 常用的核磁共振的实验装置采用的是连续波法，即以交变电磁场连续地作用到样品上，观察电磁场吸收率的变化。 实用上又有两种不同的方式：扫

13、场法和扫频法。 在扫场法中，交变电磁场的频率固定，连续改变外磁场的大小，当外磁场满足共振条件时，交变电磁场的能量将被强烈吸收，因而可观察到吸收率的峰值。外BN外和或B)g(NN 在扫频法中，外磁场保持固定不变，连续改变电磁场的频率，当共振条件满足时，同样可观察到吸收峰。 图10-9为一连续波法核磁共振装置的简图。图中的磁体绕有扫描线圈。射频发生器提供交变磁场，产生的吸收信号由样品管外的接收器线圈感应，经放大后输入数据记录仪。 除连续波法外，还有脉冲富里哀变换核磁共振法。在这一方法中，交变电磁场以脉冲方式作用到样品上，采集时域共振信号后再进行富里哀变换，得到频域的共振信号。这一方法的特点是灵敏度

14、高，分析速度快，精确度好。核磁共振技术应用 核磁共振有着十分广泛的应用。 早期，它主要用于核结构和性质的研究。 后来则用于分子组成和结构的分析，生物组织、活体组织的分析，病理分析、医疗诊断及产品无损监测等方面。 从技术手段上来说，核磁共振的应用主要是核磁共振波谱的应用和核磁共振成象的应用两个方面。 （1）核磁共振波谱在物质结构分析上的应用。 1）化学位移 由于原子核所处化学环境不同而引起共振频率的不同。其定义为 （扫频法） 或 （扫场法） 2）核磁共振谱 核磁共振谱就是吸收率（纵坐标）对化学位移（横坐标）的曲线图。 图10-10是乙基苯的核磁共振谱。位于不同化学)ppm(106sRs)ppm(

15、10BBB6sRs 基团中的氢核，因化学环境不同而有不同的化学位移。在甲基，次甲基和苯基中的氢核分别为1.22ppm, 2.63ppm 和7.18ppm. 核磁共振谱仪中还配有电子积分器，可把谱线强度画成阶梯式的曲线，其高度即代表峰面积的相对值。由图10-10可见，乙基苯中三个化学基团中氢核数之比为5：2：3。 （2）核磁共振成像及其应用。 核磁共振成像实验结果，最早是1973年由Lautber发表的。经过不到十年的发展，核磁共振成像已进入临床应用的阶段。 最常用的核磁共振成像为平面成像，即获取样品断面上的信息，简称NMR CT. 由于人体中含有大量水分，而病变会使人体组织中的含水量发生变化，

16、因此，通过NMR CT测定水含量的分布即可找出病变部位。 图10-11 是用NMR CT测出的人脑的断面图。3 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜和原子力显微镜和原子力显微镜扫描隧道显微镜 直接观察试样中的单个原子像是电子显微学家长期追求的目标。 二十世纪八十年代发展起来的扫描隧道显微镜(STM)是显微技术的一项突破性进展。 我国科学工作者于1987年11月成功地研制出了国内第一台扫描隧道显微镜，其分辨率达到原子级，并多次得到高定向石墨晶体的原子排列图像。 此后，又制成了实用的STM装置，大大地缩短了我国在显微技术方面与发达国家的差距。STM的特点 （1）可在真实空间直接得出表面结构的三维图象。放大

17、倍数可达数千万倍。横向分辨率和纵向分辨率分别达到0.1nm 和0.005nm。 （2）不需任何光学透镜或电子透镜。 （3）既可在真空也可在大气甚至液体中观察样品，这对生物试样尤为重要。 （4）没有辐照损伤。STM的基本原理：电子隧道效应 金属的表面势垒 金属中的电子在金属表面受到如图10-13 所示的势垒的作用。 由量子力学可知，金属表面以外的电子密度随x增大而按指数衰减，衰减长度约为1mm。 隧道电流 如将两块金属靠得很近（距离小于1mm），它们表面的电子云就会发生重叠。 如在这两金属间加一微小电压，即可观察到它们之间的隧道电流。 隧道电流与两金属电极的间距s及平均线衰减常数Ko的关系为 （

18、10-25） 对于两块均匀金属的表面，) sAKexp(VJ0TT)(21K210 由（10-25）式可知，隧道电流对于两金属间的距离十分敏感。这是STM的基本出发点。 若将一块已知功函数的电极做成针尖状，作为探针。在另一电极（样品）表面扫描，并保持两者相距1nm，则隧道电流满足关系 式中 为功函数的平均值。 如s以0.1nm为单位。则A的量值为1。的量级为几个eV。当s变化0.1nm时，J就会有数量级的变化。) sAexp(VJ2/1TTSTM装置 图10-14 是STM装置的简图。 为压电探针驱动器，S为样品，L为粗调驱动器。zyxP,P,P 假设样品表面的功函数为定值，当探针在x-y方向

19、沿样品表面扫描时，若保持隧道电流不变，则探针尖在垂直表面的方向（z方向）会随表面的高低而变动，从而得到z作为（x，y）的函数，即三维的表面图象。 STM的原理虽然简单，但设计和制作却十分困难。主要技术难点包括：（1）消除各种震动的影响，使探针表面的间隙保持恒定；（2）采用特殊技术使探针表面的间隙保持为1nm；（3）制作稳定而又能保证原子分辨率的探针尖；（4）保证足够的扫描速度和扫描范围。STM的扫描系统（IBM苏黎世模式） 样品S固定在一个叫做“虱子”的粗调驱动器上。“虱子”由压电材料块PP和三只金属脚MF 组成。（图10-15） 使MF与金属底板GP相互绝缘，在MF和GP之间加上电压， MF

20、就被吸在GP上。 如将一只MF 固定在GP上，同时在PP上加一电压，使PP收缩，则另两个MF就会作微小移动。再把这两只MF固定而放松第一只MF，同时去掉PP上的电压，PP恢复原状，结果“虱子”就爬行了一步。 适当控制加在PP和MP上的电压及其频率，可使“虱子” 在GP上沿任意方向一步一步爬行，每一步在10nm 至1m之间，每秒可爬行步。 用这一方法，可将样品移动到与探针距离适当的位置，也可将样品从探针处移开。 扫描探针固定在由三根互相垂直的压电材料三脚架（），即探针驱动器上。在任一脚上加上电压，该脚就会伸长或收缩，驱使探针朝该方向移动。每0.1V电压可使探针移动0.1nm，移动范围可达1000

21、nm。在平行于表面的方向上加一三角形电压，扫描速度可达nm/s。 在平行表面扫描的同时，通过累加反馈zyxP,P,PyxPP 和 系统把输出反馈电压加到上,从而调整探针表面间隙，以保证恒定的隧道电流。 随探针位置(x,y)的变化，反映了 的运动状态，亦即反映了表面的高低轮廓。 因为压电材料在每伏电压下产生多少埃的伸缩距离是已知的，所以 上的电压 和 上电压的函数关系就是表面的图象。zVzPzVzPzPzVyxP,PSTM的应用 （1）表面原子结构研究。 STM能直接在真实空间给出表面三维图象，并具有原子分辨率，从而为精确确定表面原子结构提供了一种有力工具。 这方面最成功的应用就是确定了Si(111)表面存在的77超晶格结构。 （2）表面电子态研究。 例如，电子密度波 （3）大气中观察生物样品。 （4）纳米尺度的加工和单原子的操纵。 STM中针尖下方的隧道电流犹如一束低能