核分析技术及应用离背散射分析.ppt

第十节 穆斯堡尔效应分析 德国科学家穆斯堡尔于1958年发现． 穆斯堡尔效应对Y射线的能量分辨率极高，被用来研究原子核与周围环境超精细相互作用所引起的核能级极微小变化，是研究物质微观结构的有力手段。 穆斯堡尔效应实验设备简单，不采用加速器、反应堆这类大型设备，易于普及使用。 世界有500多个实验室，国内有许多单位从事穆斯堡尔谱学的研究工作。 观察到穆斯堡尔效应的元素有40多种，100多个Y跃迁。 在固体物理、化学、生物、地质、冶金、材料、考古等许多学科领域中得到广泛应用。 * 具有穆斯堡尔效应的化学元素 目前，发现具有穆斯堡尔效应的化学元素（不包括铀后元素）只有42种， 80多种同位素的100多个核跃迁。 大多数的要在低温下才能观察到，只有57Fe 的14.4kev和119Sn的23.8kev 核跃迁在室温下有较大的穆斯堡尔效应的几率。 广泛研究 较难研究 很难研究 * 5.10.1 穆斯堡尔谱学原理 原子核γ发射和吸收过程 原子核的反冲满足动量守恒: * 不发生共振 * γ射线的电磁波强度(I)随频率（ω）分布为 I(ω)∝ ∝ 洛伦兹分布， 分布的宽度 能级寿命 * 发生共振 * Co-57, 14.4keV γ射线为例，计算得： E0＝14.4keV， ER＝1.96×10-3eV， Γ ＝4．67×10-9eV， ER比Γ 大几个数量级。 * ER远大于能级宽度Γ，发射谱和吸收谱没有重叠部分，不能发生共振吸收。 这就是为什么观察不到自由原子核γ射线共振吸收现象的根本原因。 * 如果将发射(吸收)核素束缚在晶体中,则由于晶格作用,发射(吸收)核素不再单独发生反冲，而是整个晶体发生反冲。晶体质量比单个原子核的质量大十几个数量级，反冲能量ER 要比核素单独发生反冲小十几个数量级而可以忽略，实验中会出现发射谱和吸收谱相重叠的情况，因而发生共振吸收.这种现象称为γ射线无反冲发射及共振吸收，也称穆斯堡尔效应 * 穆斯堡尔效应 穆斯堡尔效应：无反冲?共振吸收 穆斯堡尔1961年获诺贝尔奖 * 5.10.2 穆斯堡尔效应实验 多普勒效应能量补偿 V为光源相对于观察者的运动速度 * hn – hn ~ DE ~ 10–5eV hn ~ 100keV V ~ 3cm/s 即 取 则 * * 应用领域 生命科学—生物、医学等 社会科学—考古、司法鉴定、环境研究等 材料科学—成分、损伤和工艺分析等 国民经济各部门—工业、农业、商业等 * 第九节 正电子湮没分析 正电子:e+ 电子反粒子，与电子质量相同，电荷符号相反 1928 ， Dirac ，预言 1932 ， Anderson ，发现 (C.D.Anderson, Phys.Rev,43(1933)491) *  5.9.1 正电子湮没 正电子深入物质时，与物质原子中电子碰撞损失能量而慢化。慢化了的正电子遇电子发生湮没，或者形成正电于素后再湮没。湮没时，正电子与电子的质量完全转化为电磁辐射能。这种转化是反粒子的基本性质。 Positron Annihilation: e++e- ?2 ? E ??511KeV e++e- ?3 ?， E ? 连续谱 * 正电子湮没时，可以产生一个、两个或三个光子。 发射单个光子时，要求原子核或原子内层电子在湮没处存在吸收反冲动量，这一过程的相对几率很小而可以忽略。 若正电子和电子的自旋反平行则它们在湮没时发射两个方向相反的γ光子。 若正电子和电子的自旋相互平行则在湮没时发射三个光子。产生三个光子的湮没几率远小于产生两个光子的湮没几率。计算表明，自由正电子和电子双光子湮没几率与三光子湮没几率之比为372：1 * 正电子素 (Ps) – Bond State of e+ and e- * Two types of Ps and Ps Energy Level 11S0， p-Ps，2?，?=0.123ns 13S1， o-Ps，3?，?= 142ns * 5.9.2 正电子在物质中湮没率和寿命 正电子在物质中湮没率λ+： 正电子在物质中寿命τ+ * * 5.9.3 正电子在材料中的射程 正电子进入材料后，通过电离、原子激发等一系列非弹性碰撞与材料原子作用，经过几个ps后，能量降到 10-2 eV 。