穆斯堡尔谱

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Γ_H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Γ_H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，它将不断地克服其局限性，在各研究领域发挥更大的作用。

穆斯堡尔谱仪框图

穆斯堡尔谱实验的内容及其所需学时数的伸缩性很大，可根据实验室条件、实验人数、学生专业等不同要求，选择相应的内容、深度并配合相应的学时．通过该实验可以了解有关穆斯堡尔效应、穆斯堡尔谱学的基本知识；了解谱参数的宏观表示和它反映的物质微观结构信息间的关系；了解谱仪的基本结构和功能，谱仪的速度标定方法，测谱和数据处理的方法等；了解穆斯堡尔谱学分析技术在不同学科领域中具体的应用方法并结合有兴趣的课题或实验室的科研方向作具体的工作等．

1．研究铁离子交换沸石的热处理温度与物相转化的关系．沸石是一类含水硅酸盐矿物，因具有独特的吸附和筛分功能和较好的阳离子交换性能，在石油化工和煤化学工业中被广泛应用．沸石具有多孔状结构，用阳离子交换法可将不同的阳离子交换置人沸石结构中．铁是阳离子交换的一种，随着铁离子交换量的不同、热处理温度的不同，测量到的穆斯堡尔谱有明显的不同，且明确显示出含铁相的转变与温度的关系．因此很适宜作为穆斯堡尔谱研究性教学实验的内容，请参阅参考资料2．如果实验室具备119Sn放射源，也可作锡离子交换的相类似的实验，都是内容分量合适、操作训练项目丰富、对学生进行科学实验能力素质的培养训练颇有好处的实验内容，请参阅参考资料3．

2．熟悉穆斯堡尔谱图的数学处理计算方法，编制计算机拟合程序并处理实测的谱图，给出各种谱参数．为了从测量到的谱图上得到有关材料的微观结构信息，还需进行认真的分析研究和相应的数据处理．经过对谱图数据进行拟合计算给出相关的谱参数，进而得到关于材料微观结构的信息．穆斯堡尔谱反映的是有关材料的多种因素的综合效果，如何恰当地分析、判断这些信息以求得正确的认识，是关系到所给出的结论是否合适、是否反映客观真实的关键问题，因此数据处理是穆斯堡尔谱学技术中占有一定地位的工作．用计算机拟合穆斯堡尔谱的任务目标，就是用数学解析的方法寻找与谱图相关的参数，进而得到有关的微观信息．拟合计算的方法有多种且仍在不断的发展和完善中．分类的方法也多种多样，按计算的数学方法不同分，有用最小二乘法计算的，用非最小二乘法计算的：按适用范围分有适用于分立谱分析的，有适用于内场连续谱分析等；按计算过程分类有全谱拟合法、剥离法和剥离拟合法等．剥离法是从全谱中按一定比例减去已知的标准谱，可以一种物相一种物相的多次剥下去，而最后总和起来给出总的物相信息．难度在于标准物相谱的数据和比例因子的确定，往往要经多次试探才能得到满意的结果．剥离拟合法是先对总谱进行剥离，针对谱图明显的标准物相成分先剥离，余下的谱就再进行拟合，由于已经减少了一些物相谱图，拟合运算会方便一些，综合两步运算给出最后的结果．学生可以参考有关文献资料，例如参阅参考资料4，自行设计编制计算机运算程序并实际处理数据，给出结果．

3．用散射谱研究古代青铜器(或仿制品)或其他金属薄片样品表面结构的信息，如内磁场、电四极分裂等信息．要求按测量散射谱布置实验装置，测量穆斯堡尔谱，用计算机作数据处理，给出谱参数和样品微观结构的信息．其他如研究表面镀膜层的特性、用散射谱研究古青铜镜珍品的表面结构(参阅参考资料1)、从磁性材料微晶颗粒大小系列样品看超顺磁性谱、样品厚度对吸收峰宽度的影响、矿物成分分析等都是可以选择的课题．这些都是涉及实验设备不繁杂、不昂贵，而对实验素质培养、综合性技术训练颇有意义的实验内容．各实验室可根据条件、学生专业性质作适当的选择和取舍．不论做以上建议的内容或另选择的任何实验内容题目，其实都只是要研究的样品材料的制备的过程不同．制备好材料后进行穆斯堡尔谱测量的实验方法和技术是共同的．

(1)熟悉仪器的基本功能和使用方法，熟悉多道分析器的主要功能(幅度分析和多定标方式)及其操作方法．

(2)用多道分析器测量放射源的。y能谱图，识别对应穆斯堡尔跃迁能量的峰位置，并用单道分析器的上、下阈值卡能窗，即只允许对应在穆斯堡尔跃迁能量附近小范围内的能量脉冲信号通过．注意这是穆斯堡尔谱实验成功的关键点之一．

(3)测量标准样品的穆斯堡尔谱。此时多道分析器应工作在多定标方式，并用所测得的数据标定该谱仪的速度值(应通过计算机拟合数据)．

(4)根据课题要求和实验室要求的条件，制备待测量的样品，可以是几种不同的样品材料，测量待测样品的穆斯堡尔谱，平均每道计数应达105以上．

(5)用实验室提供的程序拟合待测样品的数据，计算各谱参数，讨论能给出的关于样品材料的微观结构信息．使用数据结果的输出程序，将拟合数据结果打印或绘图以便讨论和保存．