什么是穆斯堡尔效应?

1、动量和动量守恒定律

在经典力学中把物体的质量和速度的乘积称为动量(Momentum，单位kg*m/s)，一般用p(p=mv)表示，是物理学中很重要的一个概念，与能量的关系是E=p^2/(2m)。通常情况下，一个物体的动量指的是这个物体在它运动方向上保持运动的趋势，动量是个矢量(具有大小和方向)。在现代物理学中，动量的定义还需要再乘一个关于速度的因子，而在量子力学领域动量是一个算符，这里不细说。要注意的是光子虽然无静止质量但有动量。

动量是一个守恒量，动量守恒(有时也叫作冲量守恒)定律表示为：一个系统不受外力或者所受外力之和为零，这个系统中所有物体的总动量保持不变。这个好理解，比如在打靶的时候，人、枪、子弹组成的系统没有受到外力，动量守恒，在子弹飞出的时候，人和枪有一个反冲的动量(就是后坐力)。

2、原子核相关

(1)在原子物理中，用能级表示原子核或核外电子所处的不同状态。原子核在核反应后通常处于激发态(高能级)，是不稳定的，会自发的跃迁回基态(低能级)，同时将多余的能量以γ射线的形式释放出来，称为γ衰变。γ射线是光子，具有动量。

(2)原子核辐射出的γ光子在通过同种元素的原子核时，会被原子核吸收，得到的能量使其跃迁到激发态，称为原子核的共振吸收。

(3)原子核在辐射γ光子时，由于γ光子具有动量，原子核在相反方向有一个反冲动量，所以原子核从激发态到基态跃迁时放出的能量转化为了原子核的反冲动能，γ光子的能量减小了，称为原子核的反冲效应。同理可以理解，当静止的原子核吸收γ光子时，有一部分也转化为了原子核的反冲动能。

3、穆斯堡尔效应

正因为存在着原子核的反冲效应，相同原子核的发射谱和吸收谱是有一定差异的，从图中可以看到，Er表示原子核的反冲能量，E0表示原子核能级间的能量，Eγ是γ光子能量。同理，在被静止原子核吸收时γ光子有一部分能量提供给原子核的反冲能，原子核从基态到激发态的所需的γ光子能量就要高一点了Eγ=E0+Er。所以呢，对于自由的原子核来说，共振吸收时很难实现的，一直观察不到共振吸收。

穆斯堡尔效应就是原子核辐射的无反冲共振吸收，这是如何实现的呢?1957年底，德国物理学家穆斯堡尔提出实现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。这个也好理解，还是举打靶的例子，一个人的时候受到反冲作用容易向后倒，而如果有一群人在你背后顶着你，你就不容易向后倒了。

以下介绍的相对专业一点，读者可根据自身基础看看就好：

穆斯堡尔当年(1958年)使用Os191(锇)晶体作γ射线放射源，用Ir191(铱)晶体作吸收体，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(这个想法很机智，厉害了)。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。

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结构、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Fe57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，Zn67的 93.3 keV 跃迁ΔE/E~10-15，Ag107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。

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