1、實驗12穆斯堡爾譜學實驗實驗目的1 .了解穆斯堡爾效應和穆斯堡爾譜儀的根本原理。2 .掌握穆斯堡爾譜根本參數的測定方法。實驗內容1. 測aFe的穆斯堡爾譜。根據a-Fe穆斯堡爾譜內雙峰半寬度估算穆斯堡爾譜儀的 測量精度。2. 測aFe2O3的穆斯堡爾譜，計算 a-Fe2O3的同質異能移、四極分裂和內磁場。 原理假設原子核A衰變到原子核B的激發態 B*，然后從激發態 B*退激到基態B時，發射出丫光子。當這一 丫光子遇到另一個同樣的原子核B時，就應被共振吸收。但對于自由原子核要實 現上述共振吸收是很困難的，因為發射和吸收 丫光子的過程中，均由于原子核反沖而損失一局部 能量Er圖1卩光子的發射和段收

2、Pn22M.E02MC2=5.37 10*2E/A(eV)(1) 式中Pn為反沖動量，M為原子核質量，A為原子量，Eo為以keV為單位的丫躍遷能量。對 于57Fe的14.4keV能級，Er=1.95 M03eV。反沖效應使 丫光子的發射譜向低能方向移動Er,使吸收譜向高能量方向移動Er。這樣發射譜和吸收譜就相差2Er 106 - -4.55 10 eV)，所以氣體或液體中的自由原子核是無法實現無反沖 共振吸收的。自曲M于核辰3! F光子時的反沖訊3 自由隙F桟的岌射滑和段收謂穆斯堡爾發現，如果使發射和吸收丫光子的原子核束縛在固體晶格中，反沖能量主要轉化為晶格平均振動能 Evib。晶格振動能量的

3、變化是聲子能量E的整數倍，cle是愛因斯坦固體的特征振動頻率。當ER ： ：E(10經eV)時，在發射和吸收 丫光子的過程中，或許激發聲子，或者不激發，其中不激發聲子的幾率f，又叫無反沖分數。由理論計算給出:f = exp(-k : x )其中k是丫光子的波矢，是原子振幅的均方值。如采用德拜固體模型，我們可得到無反沖分數的下述表達式:-6Erf 二 expkDiT Y &/T x4忙戸Ml%J1 +(3)當T 0d時f=exp近門kB 硝一(5)式中kB為玻爾茲曼常數，二D/kB為德拜溫度。從這些公式我們可得到下述結論:(1 ) 反沖能量減小，f值增大。(2) 溫度下降時，f值增大。(3) 德

4、拜溫度高的固體的f值大。實際上，穆斯堡爾原子核是處在軌道電子和相鄰原子(或離子)的電磁場之中。核電荷，核磁矩和電四極矩與核位置的電磁場相互作用(超精細相互作用)，使核能級移動和分裂。穆斯堡爾譜有以下三個參數:1.同質異能移S我們研究原子的電子結構時，通常把原子核 看成點電荷。但實際上原子核有一定體積，而且s電子也有一定幾率透入核體積內。在核體積內，s電子和核電荷之間的相互作用能量要比在核外略 有減小。這一減小的能量為：E =Ze2 |- (0) |2 ： R23(6)2 2式中ep (0) |為核位置的電子電荷密度，：:R -為核半徑的均方值。處于不同能級的原子核半徑不同，根據(6)式，激態和

5、基態的能移也不同。在穆斯堡爾實驗中，一般測量的是放射源和吸收體中兩種丫躍遷的能量差&“ Ze2 卜(0)|； -1屮(0)|G R25R/R(7)52.四極分裂非球對稱原子核具有電四極矩。如果核外電荷在核位置形成一定的電場剃度，結果就會產生電四極相互作用。在軸對稱電場剃度情況下，這一相互作用能量為:e2QVzz41(21 -1)23m2 -I(I 1)(8)電四極相互作用使57Fe的14.4keV能級分裂成兩個次能 級，基態能量不變。這樣形成兩組 丫躍遷，其能量差 就叫四極分裂：31eQ :Eq 二 Eq)-Eq(Ei)Vzz(9)22 2式中mi=|,|-i, .,-|為原子核的磁量子數，I

6、為何自旋，Q 為原子核電四極矩，Vzz為電場剃度的z軸分量。四極分 裂能給出有關晶體的微觀結構及配位情況的信息。3.磁偶極分裂原子核具有磁偶極矩卩,它和核位置的固體內部磁場Hi產生相互作用，而使核能級分裂，其相互作用能量為：Em Hm /I 二-gSHm(10)其中由為核磁子，g為核朗德因子。從(10)式可知，核能級在 Hi的作用下分裂為2I+1個 次能級。57Fe的能級分裂后，根據選擇定那么Am=0,_1，只允許6種月錢。根據穆斯堡爾譜可以確定固體內部磁場HHi =(V6 -叩訶怡 31.12 (kOe)(11)從而可以研究固體內部磁結構及磁相互作用情況。V1和V6是1和6峰的峰位置速度值。

7、4.磁電組合超精細分裂實際上在很多固體的穆斯堡爾原子核位置，同時存在內磁場Hi和電場剃度Vzz。電場剃度的同時存在只使次能級的位置發生相對位移。當軸對稱電場剃度張量的Vzz軸和磁場平行時，對于57Fe這一磁電組合超精細相互作用能量為：Em gSHm (-1)2eQVzz4(12)內磁場的計算用(11)式，而四極分裂和同質異能移的計算用下式:(V6 一 V5)-(V2 一 V1 )32(13)*#峻農祁實驗裝置穆斯堡爾譜儀的框圖如圖 7所示。電磁驅動器是由兩個磁鋼系統組成。在一個磁鋼系統的磁隙中安放驅動線圈，在另一個磁鋼系統的磁隙中安放拾波線圈速度測量線圈。當有驅動電流經過驅動線圈時，線圈運動。

8、由于驅動線圈和拾波線圈之間用硬管連接，那么拾波線圈也以同樣的速度運動。在拾波線圈上產生感生電動勢 V二-Blv，其中B為磁感應強度。可以看到，運動速度與感生電動勢成正比。如果用拾波信號與理想的三角波進行反相比擬， 其差誤信號經放大后加到驅動線圈上，這樣形成一個速度自動跟蹤于三角波的系統。安裝在線圈連桿上的放射源的運動速度也按三角波規律變化。在三角波上升的半周期內速度和時間成正比。如果使多道分析器工作在時間分析狀態，在三角波的每個起始點，穆斯堡爾譜儀給出一個使多道道步進開始的起始脈沖，那么不同道址的計數脈沖就相應不同速度時透過樣品的丫光子數。當放射源沿直線運動時，由于多普勒效應丫光子所獲得的補充

9、能量AE.,= rE ：c ,+ ：表示放射源朝向吸收體運動，表示相反方向的運動。當放射源運動到某一速度時，丫光子能量正好等于樣品中核能級能量時，產生共振吸收，透過樣品的丫光子數減少。放射源 準直孔 薄Nal(TI)圖7穆斯堡爾譜儀框實驗儀器NaI(Tl)探測器1只前置放大器1個線性放大器1個單道分析器1個高壓電源1個機箱1套穆斯堡爾譜儀1套計算機1臺實驗步驟571. 多道分析器工作在能譜分析狀態，測出Co的丫能譜。2. 用單道分析器或多道分析器輸入局部的上下甄別，選出相應于14.4keV 丫光子的脈沖。測量a-Fe的穆斯堡爾譜，并作圖。3. 測出a-Fe2O3的穆斯堡爾譜，并作圖。4根據a-Fe譜的穆斯堡爾譜計算譜儀的道增量，算出aFe 3、4峰的半寬度的一半-ex。