穆斯堡尔谱学是应用穆斯堡尔效应研究物质的微观结构的学科。穆斯堡尔效应即γ射线的无反冲共振吸收，是在1958年由德国物理学家穆斯堡尔发现的。穆斯堡尔效应对环境的依赖性非常高，常利用多普勒效应对γ射线光子的能量进行调制，通过调整γ射线辐射源和吸收体之间的相对速度使其发生共振吸收。吸收率（或者透射率）与相对速度之间的变化曲线叫做穆斯堡尔谱。

简介

理论原理(理论解释 无反冲γ射线的最主要特点)

穆斯堡尔谱(由来 穆斯堡尔谱方法的主要特点)

穆斯堡尔效应(效应 成果 特点)

穆斯堡尔谱仪

应用(在核物理方面 凝聚态物理方面 化学上的应用 在生物科学方面)

简介

穆斯堡尔谱的能量分辨率非常高，可以用来研究原子核与周围环境的超精细相互作用。通过 γ 射线的无反冲共振吸收研究固体微观结构的谱学技术。

以1958年发现该效应的R.L.穆斯堡尔的姓命名。当自由原子核发射或吸收 γ 光子时，由于核的反冲使发射谱与吸收谱相距甚远，因此不易观察到共振吸收效应。但如果把发射核与吸收核分别牢固地束缚在放射源与吸收体的所在固体点阵中，就可能消除原子核的反冲，如用含有同类原子核的固体样品为吸收体，则能有一定的几率实现 γ 射线无反冲的发射和共振吸收，通常用无反冲因子 f 表示实现这种过程的几率。这种现象称为穆斯堡尔效应。为观察到穆斯堡尔效应，必须使 f ＞0.01。

由于吸收体和源中相同的穆斯堡尔原子核所处环境通常不同，因而其能量也不同，测谱时必须使源相对于吸收体以一定速度 v 往返运动，通过多普勒效应来调制所发生的 γ 射线的能量，同时测定 γ 射线的相对透射率，即可得到穆斯堡尔谱。

穆斯堡尔谱学中最常用的是57Fe的能量为14.4 keV的 γ 射线，能量分辨率可以达到10-13。119Sn也经常用到。穆斯堡尔谱学在物理学、化学、生物学、地质学、冶金学、矿物学等领域都得到广泛应用。近年来穆斯堡尔谱学也在一些新兴学科，比如材料科学和表面科学领域，开拓了广泛的应用前景。

理论原理

基于穆斯堡尔效应、具有广泛应用领域的γ射线谱学。

穆斯堡尔效应 一种原子核无反冲的γ射线共振散射或吸收现象。1957～1958年间，德国物理学家R.L.穆斯堡尔在观察Ir(129keV)的γ射线共振散射本底时首先发现了这一现象。并在理论上作了解释。

理论解释

一个自由原子核发射或吸收γ光子时，原子核都要受到反冲。反冲能是激发态能量Ee同基态能量ER的差，m是该原子核的质量,с是真空中的光速)。这个能量损失使发射谱或吸收谱偏差2ER 的能量。核激发态的能量宽度Γ取决于激发态寿命τ。对大部分核辐射，ER>>Γ，难以实现共振吸收。穆斯堡尔发现，若原子核被束缚在晶体点阵上，则发射或吸收γ光子时，整个晶体反冲，这时 m应该代以晶体的质量。晶体质量远大于一个原子核的质量，于是反冲能量ER显著减小，因此容易观察到共振吸收现象。这就是所谓无反冲γ共振吸收。但实际点阵振动状态是量子化的，在反冲能量小于点阵振动的能级间隔时，它将被整个晶体吸收。所以穆斯堡尔效应又称为零声子发射和吸收。发生这种过程的几率f称为无反冲因子或穆斯堡尔分数： 其中k是γ射线的波矢,<x>是该原子核在γ射线发射方向上振动振幅的均方值。迄今为止，已经观察到穆斯堡尔效应的有 40多种元素，80多种核素，100多条穆斯堡尔跃迁线。这些核素称为穆斯堡尔核。其中最常用的是Fe(14.4keV)和Sn(23.8keV),括号内为γ光子能量Eγ。

无反冲γ射线的最主要特点

是谱线的宽度接近于核能级宽度。如Fe(14.4keV)，Γ=4.6×10eV，Γ/Eγ=3.2×10。表明它具有极高的γ射线能量分辨率,因此能观察到原子核能级的超精细结构。在共振实验中，由于源同吸收体的化学环境的差异，原子核外ｓ电子电荷密度发生变化，它同原子核电荷的相互作用使跃迁能量相应变化，其差值表现为能量位移，称为同质异能位移或化学位移 δ。自旋I＞1/2的核，电荷分布是非球形对称的，核具有电四极矩eQ，它同核所处的电场梯度发生相互作用使核能级产生四极分裂（eq是描述电场梯度的参量）。自旋I>O的核具有核磁矩μ,它同核所处的内磁场H相互作用，使核能级产生分裂（见塞曼效应）。在穆斯堡尔谱中可以清楚地分辨这些超精细相互作用引起的位移和分裂。δ、Δ、H以及 f等常称为穆斯堡尔参量。若已知核周围环境的电磁结构则可以研究核的特性，反之，若核的性质已知，由测量结果可以推得核周围环境的电磁结构，即用穆斯堡尔核为探针研究物质的微观结构。

穆斯堡尔谱

由来

1957年R.穆斯堡尔在实验中发现：固体中的某些放射性原子核有一定的几率能够无反冲地发射γ射线，γ光子携带了全部的核跃迁能量。而处于基态的固体中的同种核对前者发射的γ射线也有一定的几率能够无反冲地共振吸收。这种原子核无反冲地发射或共振吸收γ射线的现象后来就称之为穆斯堡尔效应。

由于穆斯堡尔效应得到的穆斯堡尔谱线宽Γ与核激发态平均寿命所决定的自然线宽ΓH在同一量级，因而具有极高的能量分辨率。以57Fe核14.4Kev的跃迁为例，自然线宽ΓH为4.6x10-9eV，能量分辨率约为10-13的量级（原子发射和吸收光谱的能量分辨率在理想情况下可达10-8的量级），因此它是研究固体中超精细相互作用的有效手段。目前已广泛在应用于物理学、化学、材料科学、物理冶金学、生物学和医学、地质学、矿物学和考古学等许多领域，发展成为一门独立的波谱学----穆斯堡尔谱学。

穆斯堡尔谱方法的主要特点

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，也可以是粉末、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。

穆斯堡尔效应

效应

57Fe的穆斯堡尔谱，呈现6个吸收峰。横轴是道地址，代表相对速度。纵轴是相对计数率。

穆斯堡尔效应，即原子核辐射的无反冲共振吸收。这个效应首先是由德国物理学家穆斯堡尔于1958年首次在实验中实现的，因此被命名为穆斯堡尔效应。应用穆斯堡尔效应可以研究原子核与周围环境的超精细相互作用，是一种非常精确的测量手段，其能量分辨率可高达10-13，并且抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、对样品无破坏。由于这些特点，穆斯堡尔效应一经发现，就迅速在物理学、化学、生物学、地质学、冶金学、矿物学、地质学等领域得到广泛应用。近年来穆斯堡尔效应也在一些新兴学科，如材料科学和表面科学开拓了应用前景。

理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出一个γ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。

1957年底，穆斯堡尔提出实现γ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。

成果

穆斯堡尔使用191Os（锇）晶体作γ射线放射源，用191Ir（铱）晶体作吸收体，于1958年首次在实验上实现了原子核的无反冲共振吸收。为减少热运动对结果的影响，放射源和吸收源都冷却到88K。放射源安装在一个转盘上，可以相对吸收体作前后运动，用多普勒效应调节γ射线的能量。191Os经过β-衰变成为191Ir的激发态，191Ir的激发态可以发出能量为129 keV的γ射线，被吸收体吸收。实验发现，当转盘不动，即相对速度为0时共振吸收最强，并且吸收谱线的宽度很窄，每秒几厘米的速度就足以破坏共振。除了191Ir外，穆斯堡尔还观察到了187Re、177Hf、166Er等原子核的无反冲共振吸收。由于这些工作，穆斯堡尔被授予1961年的诺贝尔物理学奖。

截至2005年上半年，人们已经在固体和粘稠液体中实现了穆斯堡尔效应，样品的形态可以是晶体、非晶体、薄膜、固体表层、粉末、颗粒、冷冻溶液等等，涉及40余种元素90余种同位素的110余个跃迁。然而大部分同位素只能在低温下才能实现穆斯堡尔效应，有的需要使用液氮甚至液氦对样品进行冷却。在室温下只有57Fe、119Sn、151Eu三种同位素能够实现穆斯堡尔效应。其中57Fe的 14.4 keV 跃迁是人们最常用的、也是研究最多的谱线。

特点

穆斯堡尔效应对环境的依赖性很高。细微的环境条件差异会对穆斯堡尔效应产生显著的影响。在实验中，为减少环境带来的影响，需要利用多普勒效应对γ射线光子的能量进行细微的调制。具体做法是令γ射线辐射源和吸收体之间具有一定的相对速度，通过调整v的大小来略微调整γ射线的能量，使其达到共振吸收，即吸收率达到最大，透射率达到最小。透射率与相对速度之间的变化曲线叫做穆斯堡尔谱。应用穆斯堡尔谱可以清楚地检查到原子核能级的移动和分裂，进而得到原子核的超精细场、原子的价态和对称性等方面的信息。应用穆斯堡尔谱研究原子核与核外环境的超精细相互作用的学科叫做穆斯堡尔谱学。

穆斯堡尔谱的宽度非常窄，因此具有极高的能量分辨本领。例如57Fe的 14.4 keV 跃迁，穆斯堡尔谱宽度与γ射线的能量之比ΔE/E~10-13，67Zn的 93.3 keV 跃迁ΔE/E~10-15，107Ag的93 keV 跃迁ΔE/E~10-22。因此穆斯堡尔效应一经发现就在各种精密频差测量中得到广泛应用。例如：

测量引力红移 —— 引力引起的红移量一般小于10-10数量级，历史上应用穆斯堡尔效应首先对其进行了精密测量[1]。相对论预言，由于地球上不同高度引力势能不同，会引起光子离开地球时在不同高度的频率不同，相差20米带来的频率测量变化为2×10-15。1960年，庞德和里布卡利用穆斯堡尔效应测量到了这个微小的变化[2]。

验证迈克尔逊-莫雷实验 —— 1970年，伊萨克(G.R.Isaak)利用穆斯堡尔效应测量了地球相对于以太的速度。实验测得此速度的上限为5×10-5 km/s，基本证实了不存在地球相对于以太的运动。

穆斯堡尔谱仪

利用多普勒速度扫描实现共振吸收测量的装量(见彩图), 它的原理如图1所示。通常由无反冲的放射源和吸收体，产生多普勒速度的驱动系统和探测器组成。多普勒速度υ同补偿能量之间的关系是ΔE=Er·υ/с，获得一个谱线所需要的多普勒速度约为谱线宽度或超精细分裂的数量级，Fe约为毫米／秒的数量级。图2是一些典型的穆斯堡尔谱──透过吸收体的γ射线光子数对多普勒速度的函数。图中的凹峰表示最大共振吸收发生的位置，图2a中它同机械零速度的速度差值反映了吸收体相对于源的化学位移 δ。图2b分别为Fe的四极分裂和磁偶极相互作用塞曼效应分裂谱。

应用

穆斯堡尔效应的各种应用，通称为穆斯堡尔谱学。它几乎涉及所有自然科学领域。20世纪60年代R.V.庞德等人用穆斯堡尔效应在地面上测量了源同吸收体在高度上相距22.5m时的γ射线能量位移，在1％的精度内验证了重力位移效应的验证了A.爱因斯坦的等效原理。在有关的实验中，发现了谱线随温度移动（热红移）有人把这类实验看成是对相对论时间效应的一个验证（见狭义相对论）。

在核物理方面

穆斯堡尔谱学可以用来测量核激发态的磁矩、电四极矩；也可以直接由谱线宽度确定核能级寿命；由化学位移确定激发态和基态间核电荷半径的相对变化等。

凝聚态物理方面

测量无反冲因子可用于固体的点阵动力学的研究；此外，由热位移也能获得<x>的信息。磁超精细相互作用对磁有序材料，如铁磁、亚铁磁和反铁磁的研究特别有用,可以确定物质的磁结构;根据内磁场随温度的变化确定磁有序化温度、鉴定含铁物相、相变研究等。 聚合物中分子内和分子间的作用力同材料性质有关，穆斯堡尔谱学可用来研究高压对材料性质的影响。在极低温度下穆斯堡尔效应可用来研究超导性质的转变及化学成分与超导性的关系。

化学上的应用

最主要的穆斯堡尔参量是化学位移和四极矩分裂。它们可用来研究穆斯堡尔原子的电子组态，并可以获得化学价键方面的知识，穆斯堡尔谱还可以用来研究锡、钛的金属有机化合物。

在生物科学方面

利用穆斯堡尔效应研究了血红素蛋白、铁硫蛋白、贮铁及转移铁的蛋白等的结构和性质。这是利用过渡金属可以取不同的氧化状态的特点，因此，它们很容易参与氧化还原作用，铁和钡是各种金属酶的活性中心，它们起着催化电子转移和氧化作用，也是带氧蛋白的活性中心。