测试仪器之穆斯堡尔光谱

前言：

穆斯堡尔系统广泛用于基础科研工作，用于穆斯堡尔效应的测量，穆斯堡尔系统主要研究的是具有一定体积的原子核与其周围环境电或磁的互相作用，即原子的微观结构。

穆斯堡尔效应

原理：

固体中的某些原子核有一定的几率能够无反冲地发射γ射线，而处于基态的原子核对前者发射的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射线的现象就是穆斯堡尔效应。当γ射线通过一物体时，如果入射的γ光子的能量与物体中某些原子核的能级跃迁能量相等，这种能量的γ光子就会被原子共振吸收；而能量相差较大的γ光子则不会被共振吸收。这种经吸收后所测得的γ光子的数量与能量的对应关系就是穆斯堡尔谱。由于穆斯堡尔效应涉及到原子核的性质，包括核的能级结构以及核所处的化学环境，据此可以应用穆斯堡尔谱来对原子的价态，化学键的离子性和配位数，晶体结构，电子密度和磁性质等进行研究。

仪器名称：穆斯堡尔光谱仪

型号：MS-500

检测项目：常温，低温

应用范围：能反映共振原子核周围化学环境的变化 ；并获得共振原子核周围化学环境的变化 ，由它可以获得共振原子的氧化态、自旋态、化学键的性质等有关固体微观结构的信息。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。

制样要求：100mg以上

多普勒效应与多普勒速度：

如果声波或者电磁波的波源相对接收者进行相对运动，那么对于接收者而言，其接收到的辐射波的频率或能量就会随着相对运动速度而发生变化，这就是多普勒效应。据此，在实验中我们可以通过调节辐射源的运动速度来改变接收体接收到的γ光子的能量，从而实现共振吸收。为了表示方便，穆斯堡尔谱的X轴就采用多普勒速度V（mm/s）来表现能量大小。一般而言，辐射源与接收体之间的相对速度仅需每秒几毫米到每秒几厘米。

仪器简介：

穆斯堡尔谱仪利用原子核的无反冲共振吸收效应（穆斯堡尔效应）测量穆斯堡尔核与超精细场的相互作用，可以获得其价态、自旋态、配位环境及物相等信息。穆斯堡尔谱具有分离率高、抗干扰能力强等特点，在物理学、化学、材料科学、物理冶金学、生物学和医学、地质学、矿物学和考古学等领域均有广泛的应用。

穆斯堡尔谱仪的结构：

穆斯堡尔谱仪的结构，主要由放射源，驱动装置，放大器，γ射线探测器和数据记录设备组成[1]。在透射穆斯堡尔谱中，因吸收发生共振时透过计数率最小，因此形成倒立的吸收峰，如图2（a）所示。对于一些简单的谱图，只需要进行定性分析就能获得有价值的信息；对于复杂的谱图，则需要将其进行分峰拟合，然后与理论谱线进行比对才能得到有用的信息。

放射源：放射源是提供具有特定能量的γ射线源，根据样品（吸收体）的不同来选择。常见的穆斯堡尔放射源为57Co，119Sn和121Sb。穆斯堡尔核素分布不均匀，大部分集中在原子序数50-80内。最轻的穆斯堡尔核是40K。

驱动装置：驱动装置是用来实现放射源的运动的，从而根据多普勒效应来调制频率或能量。

探测器：探测器是用来探测透过的γ射线的，大多数穆斯堡尔放射源辐射出的γ射线不是单色的，需要选择合适的探测器才可以。穆斯堡尔核γ射线的能量一般在10-100 keV，因此可以采用正比计数器，NaI(TI)闪烁探测器和半导体探测器。

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，使它的应用受到较多的限制，事实上，至今只有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。

主要优点

(1) 设备和测量简单；

(2) 可同时提供多种物理和化学信息；

(3) 分辨率高，灵敏度高；

(4) 对试样无破坏；

(5) 由于只有特定的核存在共振吸收，穆斯堡尔效应不受其他元素的干扰；

(6) 穆斯堡尔效应受核外环境影响的范围一般在2纳米之内，因此非常适宜于检测细晶和非晶物质；

(7) 所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶态或非晶态的材料，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。

缺点

(1) 无法测量气体和不太粘稠的液体；

(2) 只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，常见的元素为：Fe，Sn和Sb；

(3) 许多实验必须在低温下或具有制备源的条件下才能进行。