穆斯堡尔效应的应用

穆斯堡尔效应是原子核无反冲的γ射线的发射和吸收，在本质上也是一种核磁共振。它可以用来研究原子核与核外环境的超精细相互作用，从而分析物质的微观结构。原子核外的环境影响原子核的超精细能级，进而影响穆斯堡尔谱。因此，研究穆斯堡尔谱可以得到原子核的超精细场（内场）、原子的价态、对称性等方面的数据。在固体物理、生物、化学等领域有着广泛的应用。下面主要就其在分析磁有序化材料结构中的应用做简单介绍。

n        材料磁性的研究已成为穆斯堡尔谱学最经常应用的领域之一。而对于研究磁性材料来说，⁵⁷Fe的穆斯堡尔效应有着特殊的重要性。其原因为：

1.        Fe是磁性材料中普遍存在的成分。

2.        许多含Fe的磁有序化合物具有较高的德拜温度，可以在较高的温度下观察 ⁵⁷Fe的共振。

3.        ⁵⁷Fe的激发态核有相当长的寿命和相当窄的共振线宽，核自旋小及核磁矩大，便于研究超精细结构。

4.        产生 ⁵⁷Fe 的⁵⁷Co具有较长的半衰期（270天），是可以采用大量生产的高质量放射源。

n        穆斯堡尔效应在分析磁有序物质结构中的应用可以概括为以下几个方面：

1.        确定磁有序度类型

2.        确定磁有序化转变温度

3.        相成分的分析

4.        相变的分析

5.        确定晶位分布

 

确定磁有序度类型

穆斯堡尔谱线的强度与内磁场Hi和γ射线传播方向的夹角有关。在纯四极距效应中，谱线强度与电场梯度的主轴方向和γ射线传播方向的夹角有关。它们的关系如下表所示：

表中θm及θq分别为内场及电场梯度的主轴方向和γ射线传播方向的夹角。因此，可以通过在不同方向加外磁场及梯度电场时穆斯堡尔谱线中各峰强度比的变化，判断原子磁矩有序化的情况。

下面将给出几个例子：

n        如对于多晶的铁磁样品，当外场He=0时，由于多晶多畴，原子磁矩分布在空间的各个方向上。根据上表给出的角度关系，在全空间平均，从而得到谱线中各峰的强度比为3：2：1：1：2：3。

n        下图中外磁场He是沿γ射线的传播方向。这时的外磁场相当强，是样品达到饱和磁化。因此，谱线各峰的强度比为3：0：1：1：0：3。对应的θm=0。

n        下图中外强磁场是加在与γ射线传播相垂直的方向上。谱线各峰的强度比为3：4：1：1：4：3。它对应于θm=90。

n        对于亚铁磁体，当铁原子分别处于两套亚点阵中时，将出现两套亚点阵谱。在不加外磁场时，他们的谱线均为右上图所示的3：2：1：1：2：3。

n        加磁场时样品饱和磁化时，由于两套亚点阵的内磁场分别平行及反平行于外磁场，他们的穆斯堡尔谱如右下图所示为3：0：1：1：0：3。

 

对于反铁磁体，加外磁场通常很少影响谱线的强度，这是因为在一般强度的外场中不会发生显著的自旋极化，如果采用单晶样品，或同时利用极化γ射线技术，可以得到关于自旋取向的更多资料，特别是对于复杂的磁结构情况，如非共线反铁磁体和自旋冲排列结构等。

 

确定磁有序化转变温度

磁有序化转变是原子磁矩有序排列与混乱取向之间的转变。因此，测量内磁场随温度的变化可以确定磁有序化温度。通常使用顺磁态时最强的吸收谱线与温度的函数关系曲线的突变处来表示此有序化温度。

如果已测定材料系统的校准点，就可利用测量的磁转变温度来确定材料系统中样品的成分。例如，使用熔融技术生长单晶体时，生长晶体的成分常常是不确知的，把测得的转变温度值与成分一致的样品的同类数据进行比较，便可确定化学成分。

下图给出ScFeO3的多晶体分别在296K及5K时的穆斯堡尔谱线。

而下图是ScFeO3的穆斯堡尔谱顺磁态最高能量谱线与温度的关系。可根据它的顺磁状态能量最高的吸收谱线的温度依赖关系，得到该样品的磁有序化温度为39K

 

相成分的分析

对于表示磁性材料的特征来说，穆斯堡尔谱学有相当普遍的应用，其中包括对固态物相的鉴定。

如果材料不止一种含铁的相。那么每一种相都对应他自己的穆斯堡尔谱。可与已知相的穆斯堡尔标准谱相比较。这与采用X射线衍射图样分析的方法是一致的。当然，穆斯堡尔谱学在这方面的应用远不及X射线衍射那样普遍。但穆斯堡尔效应的灵敏度高，可以检测到有些X射线检测不出来的第二相。

另一种方法，是用最小二乘法，用洛仑兹拟合实验谱线，从而获得材料中各种成分的情况。

例如：联系到月岩样品的穆斯堡尔谱学的研究，制备了含有少量Fe3+和Mg2+的钛铁矿样品。在这些固溶体系统中，为了得到单相材料，必须使用很低的氧分压，如果氧分压太高，则将得到FeTiO5-(Fe,Mg)Ti2O5固溶体系统中的第二种相。当温度为1200摄氏度和处于较低真空条件下所烧结的样品的穆斯堡尔谱如下页图1所示。两条强的共振线是由FeTiO3中的Fe3+形成的。由铁板钛矿（Fe2TiO5）结构中的Fe2+形成的吸收线也是十分清楚地。

要得到真正的单相材料，必须把样品在1200摄氏度、大约10-8托的真空中烧结。图2示出在这样条件下样品的穆斯堡尔谱，成分为FeTiO3，用最小二乘法，把这个谱用洛伦兹型拟合，可看出，没有第二种物相痕迹.

 

相变

通过确定超精细参量和温度之间的关系，常常可以确定相变。例如，在晶体结构或原子占位对称性较低的情况下，也常常出现相当大的电四极矩效应。根据实验谱线可以求出电四极相互作用能ΔEQ，当ΔEQ随温度出现突变时，可以确定在这个温度晶体结构发生了改变。

 

确定晶位的分布

在固溶体和化合物中，同种原子或离子可能占据几种晶位。如在柘榴石铁氧体中，Fe3+离子可能占据八面体位置和四面体位置。确定该原子或离子在不同晶位中的占有率对研究磁性材料具有很大意义。

若所有的点阵具有同样的无反冲分数f，那么，某一相的谱线分量的总强度（谱线面积）应该与其中元素的含量成正比。因此，只要分别计算出对应不同晶位的谱线的面积，就可以得到该原子或离子的晶位占有率。

 

结语

穆斯堡尔效应不仅在研究磁性物质方面有着广泛的应用，同时在很多新兴和边缘科学的研究中发挥着积极和重要的作用。穆斯堡尔效应之所以有如此广泛的应用，是由于它具有高达10^-8以上的能量分辨率，可以探测原子核及其周围环境之间的超精细相互作用信息，因此，是研究物质微观结构及其微小变化的有力工具。