穆斯堡爾譜學的原理及其應用

丁 冬

（南京農業大學工學院，江蘇 南京 210031）

穆斯堡爾譜學是二十世紀六十年代迅速發展起來的一門跨學科檢測技術，它起源于原子核物理中的一個偉大發現——穆斯堡爾效應。此效應發現不久就獲得了諾貝爾物理學獎，激起了物理學界和科學界的研究熱情。由于穆斯堡爾譜擁有極高的能量分辨能力，可以探查原子核周圍環境的微小變化信息，所以它成為研究物質微觀結構的有力工具［1］。

1 穆斯堡爾效應簡介

1958年，29歲的德國學者穆斯堡爾發表論文，明確地論述了一個實驗——γ射線的無反沖原子核的共振吸收，后來這種實驗現象被稱為穆斯堡爾效應［2］。γ射線是一種波長極短的電磁波，不穩定的原子核在能量躍遷時會放出γ射線。而共振吸收是指當發射體系和吸收體系的頻率一致時產生的共振現象，例如聲學中“共鳴”，或電磁學中收音機的“調臺”，穆斯堡爾效應就是原子核體系的共振現象，當入射γ射線能量等于原子核躍遷能量差時,就會發生γ射線的共振吸收。

其實，早在20世紀初科學家就已發現了原子體系的共振吸收現象，并預計到原子核體系也應該有類似現象，但在以后的30年內，原子核體系的共振吸收一直沒有被觀測到，原因在于共振具有很高的能量（頻率）選擇性，而原子核發射和吸收γ射線過程中存在反沖現象，反沖造成的能量差比譜線的自然寬度大好幾個數量級，從而難以觀察到自由原子核的γ射線共振吸收現象。

穆斯堡爾的成功就在于他解決了“反沖”問題。他將放射源和吸收體都進行了冷卻，就好像水中的船被冰凍住一樣，部分原子核被束縛在晶體的晶格位置，它在反射和吸收γ射線時，只要反沖能小于晶格中原子間的束縛能，那么反沖牽動的不再是單個原子核，而是整個晶格。而整個晶格的質量遠遠大于單個原子核的質量，反沖將會大大減弱，從而實現了無反沖核的共振吸收［2］。實驗裝置如圖1所示：

圖1 穆斯堡爾效應裝置

圖2 穆斯堡爾共振吸收譜

首次用來觀察無反沖共振吸收的是191Ir的129KeV能級。該能級是由放射源191Os經衰變后形成的。放射源放在轉盤B上，γ射線通過準直孔進入吸收體A，D為探測器，吸收體采用Ir和Pt進行對比，且整個裝置處于低溫中，實驗結果如圖2顯示。圖中曲線表明共振吸收實際上出現在源和吸收體相對速度為零的位置上，用這個方法測得191Ir的129KeV躍遷的自然線寬為4.6×10-6eV。結果表明此方法能量分辨率比原子共振熒光法還要高4至5個數量級，可以非常精確地測出源和吸收體之間的相對能量變化［2］。

應當指出，所謂“無反沖”其實不是絕對的，輻射和吸收的原子并不能完全牢固地束縛在晶格位置上，因為晶體的晶格處于不斷的振動之中，我們只能說有一定幾率實現穆斯堡爾無反沖過程，這個幾率稱為無反沖分數。目前已經有46種元素、91種同位素觀測到穆斯堡爾效應。其中應用最廣泛的是57Fe的14.4keV的穆斯堡爾效應，這主要是由于自然界中鐵的自然豐度很高，故穆斯堡爾譜學又被形象地稱為“鐵鑰匙”［2］。

當然，穆斯堡爾效應的應用也有一定的局限性。比如說，能觀察到穆斯堡爾效應的只有四十多種元素，其中尤其缺少輕元素；除了少數穆斯堡爾同位素外，一般只有在低溫下才能見到明顯的穆斯堡爾效應；這一效應的應用限于在固體以及在少數粘稠和冷凍液體中，而在一般液體和氣體中，穆斯堡爾效應是觀察不到的［3］。

2 穆斯堡爾譜的產生及其應用

如前所述，當無反沖γ射線經過吸收體時，如果入射γ射線的能量與吸收體中的某些原子核的能級間躍遷能量相等，這種能量的γ射線就會被吸收體共振吸收。若要測出共振吸收的能量大小，必須發射一系列不同能量的γ射線，而利用多普勒效應就可對γ射線的能量進行調制。通過調整輻射源和吸收體之間的相對速度使其發生共振吸收，測得γ射線吸收率(或者透射率)與相對速度之間的變化曲線就稱為穆斯堡爾譜［3-4］。

穆斯堡爾譜具有極高的能量分辨率，與其他核譜學技術相比，其儀器硬件成本是非常便宜的，所研究的對象可以是導體、半導體或絕緣體,試樣的制備技術也不復雜,可以是晶體或非晶體的薄膜、固體表層或粉末，適用范圍非常廣泛[1]。

穆斯堡爾譜學的應用大體上可分為兩類：一類是直接應用它的極高的分辨率來測量很小的能量變化、速度變化等，從而使一些原本無法開展的實驗研究得以實現；另一類則是通過超精細相互作用所引起的穆斯堡爾譜的變化來獲得物質微觀結構方面的信息。

在物理學方面穆斯堡爾效應完成了一些開創性的實驗，比如驗證廣義相對論的引力紅移效應。引力紅移是愛因斯坦提出的三個可以驗證廣義相對論的基本效應之一，根據廣義相對論，在重力場作用下光子的頻率會發生變化，當光子從重力場較強處發射到重力場較弱處時，光子的頻率會變低，即向長波方向移動，這種效應稱為紅移。理論推算，如果在地面上發射能量為hγ的光子，它運動到距地面20m處，頻率相對變化有2.2×10-15，如此小的變化用一般方法是很難測量的，但穆斯堡爾效應分辨率極高，可以進行這種精密的測量。1960年龐德基于穆斯堡爾效應在實驗室條件下就驗證了引力紅移，使得測量極小變化的頻移成為現實［1-2］。

另外，穆斯堡爾譜技術在凝聚態物理研究中作用明顯，涉及固體物理、高分子材料學、磁學、低溫物理等諸多方面［2-5］，利用穆斯堡爾譜可以了解材料中共振原子所處的價態、化學鍵、晶位以及磁結構、電子結構，可用來確定磁有序化溫度、相變溫度，對復雜物相可以進行定性或定量分析，研究材料表面效應、金屬腐蝕的機理、半導體摻雜性質，為新材料合成提供有價值的信息［2］。

除了基礎研究領域，穆斯堡爾譜在生物、地質、考古等應用領域也非常有效。比如在考古學中，穆斯堡爾譜可以分析古代陶器、瓷器中二價鐵和三價鐵含量的高低和比率，從而推斷原料來源、燒制條件、工藝和溫度等［6］，我國就曾經對兵馬俑陶片及驪山粘土進行過相關分析，將考古學研究推向定量化。基于這一精密的“指紋”技術，古銅器、古顏料、古墨水也可進行相關鑒定，使得文物分類、贗品鑒定更加客觀科學。

3 結語

穆斯堡爾譜學是目前譜學領域中一個理論完備、方法手段較多的研究工具，它已深入到凝聚態物理、生物、化學、冶金、地質、考古、環境科學等眾多科學技術領域，近年來又在一些新興科學如材料科學、表面科學等領域中開拓了應用的前景，可以說在研究物質微觀結構的各個領域中幾乎都有其蹤跡［2-5］。穆斯堡爾譜學已成為核物理學與其它學科領域相互滲透、相互促進的一個中間紐帶。可以預計，今后穆斯堡爾譜學依然會保持其誘人的魅力。

［1］金永君.穆斯堡爾譜法及其應用[J].物理與工程，2004，14(5)：49-51.

［2］李士.鐵鑰匙——穆斯堡爾譜學[M].武漢：湖南教育出版社，1994.

［3］張金升，尹衍升，張銀燕,等.一種強有力的表征手段——穆斯堡爾譜學[J].現代儀器，2003，40(6)：586-592.

［4］張寶峰.穆斯堡爾譜學[M].天津：天津大學出版社，1991.

［5］夏元復，陳懿 .穆斯堡爾譜學基礎和應用[M].北京：科學出版社，1987.

［6］梁明亮,鄭國東,梁收運等.穆斯堡爾譜技術在考古研究中的應用[J].文物保護與考古科學，2010，22（3）：81-86.