低温等离子体物理与表面改性技术.ppt

近代物理测试技术 制作人：高强 §1 正电子湮没技术与穆斯堡尔谱 正电子湮没技术 正电子是电子的反粒子，其基本属性与电子对称。 正电子湮没实验中所用的正电子一般来自放射性同位素的β+衰变，而最常用的β+源是放射性同位素22Na。 正电子从射入固体开始到湮没位置所经历的时间称为正电子的寿命。 如果固体中存在空位、位错或空洞等缺陷，由于缺陷对正电子的捕获作用，正电子将局域在缺陷附近湮没。而缺陷附近的平均电子密度一般较低，故正电子寿命变长。 例如，正电子在Al 单孔位中湮没寿命为205ps,而在完整的Al晶体中寿命为167ps，约增大23%。 利用这一缺陷捕获效应，可追踪样品形变、退火回复等过程中缺陷的发展与变化。 由于在缺陷部位与正电子相复合的电子平均动量较小，使湮没时发出的 射线以511keV为中心的多普勒展宽变窄（图10.2） 用适当的参数描述谱线形状的变化，同样可获取有关缺陷捕获效应的信息。此即多普勒增宽测量。 图10.3所示为经电子和中子辐照的钼在退火过程中正电子寿命随退火温度的变化。 随退火温度的升高而连续增大，表明了空位的聚团。 图10.4所示为电子幅照纯钼和掺杂有200ppm氮的钼在退火过程中捕获态正电子寿命和强度随退火温度的变化。 与纯钼相比，掺杂的钼空位迁移温度明显移后，且最大寿命变大，显示了杂质对空位团形成过程的影响。 穆斯堡尔谱 1961年，年轻的物理学家穆斯堡尔（R·L·Mossbauer）由于研究γ射线无反冲共振吸收即发现穆斯堡尔效应分享到了诺贝尔物理学奖。 原子核从激发态跃迁到基态时会发出γ射线，γ射线作为一种波长极短的光波，在与同类原子核作用时，理应存在类似于原子的共振吸收。 但这一共振现象在很长一段时间内未能观测到。 原因在于γ光子的能量要比原子发光发出的光子的能量高得多。原子发光时光子能量一般为几个电子伏特，而γ光子的能量则为几十KeV至几个MeV。 原子发光时，原子的反冲能可完全忽略，光子的能量就等于原子的激发能，它又正好能使另一同类原子发生共振吸收。 在γ跃迁时，由于γ光子的能量很高，相应的动量大得多，原子核在发射γ光子时，本身要向后反冲，原子核激发能中的一部分变成了核的反冲能，发出的γ光子的能量就要小于激发能。 不仅如此，当γ光子与另一同类核 作用时，光子的能量中又有一部分变为核的前冲能，使激发核的光子的能量进一步减小，光子就不能使原子核激发而出现共振吸收了。 理论推导表明，要想把原子核激发到能量为Eo的激发态， γ射线的能量h?必须大于Eo,而有 由此可见，同一激发态的γ射线发射谱线和吸收 谱线的能量要相差 （图10.5）。 影响共振吸收的因素还有激发能级的宽度。由于原子的激发态具有一定的寿命，（一般在 之间）根据不确定关系 可估算出激发能级宽度约为 。 由于基态寿命为无穷大，其能级宽度为零，故激发态的能级宽度也就是该激发态向基态跃迁时发出的射线的能量宽度，称为谱线的自然宽度。 考虑谱线展宽后，同一激发态的γ射线发射谱线和吸收谱线的能量差实际上指的是两谱线中心的能量之差，而在两谱线的重叠部分，共振吸收仍可发生。 若E?，两谱线大部重合，就会发生显著的跃迁，反之则共振吸收不能发生。 对于一般的原子核， ???E，故共振吸收不能发生。 要想观察到γ射线在原子核上的共振吸收，必须设法补偿反冲能量损失。这可利用多普勒效应，即，使γ源向吸收体运动。 要使γ源相对于吸收体运动，可采取两种办法。（1）把放射源涂在高速运动圆盘的边上（2）提 高放射源和吸收体的温度。 1958年Mak Planck 研究所的博士生 Mossbauer正是按照上述思路进行了共振吸收研究。他使Ir发出的?射线射到Ir的吸收体上，再测量穿过吸收体后的γ射线的强度。发生共振吸收时， γ射线的强度会大大减弱。 考虑到热运动会引起谱线的多普勒增宽，有利于共振吸收， Mossbauer 预期降温会使共振吸收减弱，但当他在低温下进行实验时， γ却急剧增大。 Mossbauer 分析后认为这可能是原子核在低温下完全被晶格所束缚，使晶体作为一个整体来吸收反冲动量。这就是无反冲的γ共振吸收。 Mossbauer 效应的发现立即在物理学界引起了轰 动，因为利用这一效应可使能谱的测量精度提高到空前的高度。例如，对于Ir的129eV的?谱线，能量分辨率可达10 由于Mossbauer 谱包含有与吸收核的物理、化学环境有关的信息，因此很快发展成为一种谱学，并获得广泛应用：（1）直接利用它 的高分辨率来测量很小的能量变化，速度变化（2）通过超精细相互作用引起的Mossbauer 谱的变化获得物质微观结构的