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1.4穆斯堡尔效应

实验1.4穆斯堡尔谱

一、引言

1957年，德国的穆斯堡尔（R.L.M?ssbuer）意外发现（论

文在1958年发表），嵌入固体晶格中的放射性原子核在发射γ射

线时有一定的几率是无反冲的；发射的γ光子具有全部核跃迁能

量。同样，嵌入固体晶格中处于基态的核在汲取γ射线时也有一

定的几率是无反冲的。原子核无反冲发射γ射线和无反冲共振汲

取γ射线的现象被命名为M?ssbuer效应。无反冲的几率常被称

为无反冲分数f。

M?ssbuer效应的一大特点是可以得到很窄的共振汲取（或

发射）谱线。如对于常用的Fe的14.4keV的γ射线，其自然宽

度Γn为4.7×10-9eV，理想的M?ssbuer共振线宽Γ略大于2Γn，

约10-8eV量级，其相对的能量分辨率Γ/Eγ~6×10-13。而对于

67Zn的93keV的γ射线，其Γ/Eγ~1×10-15，有很高的能量分

辨率。用67Zn的M?ssbuer效应可以在实验桌上做广义相对

论引力红移实验。还有人发现，对109g的88keV的γ射线，

其相对的能量分辨率可达10-22数量级。

由于M?ssbuer效应有极高的能量分辨率，以及γ射线可以

地将物质内部信息携带出来等优点，M?ssbuer效应一经发

现，很快就在物理学、化学、磁学、地质学、生物医学、物理冶

金学、材料科学、表面科学、考古学等许多领域得到广泛应用。

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R.L.M?ssbuer于1961年获得了诺贝尔物理奖。

二、实验目的

1.了解穆斯堡尔效应、穆斯堡尔谱学和穆斯堡尔谱仪的基

本原理。

2.掌握穆斯堡尔谱和穆斯堡尔谱基本参数的测定方法。

三、实验原理

1.穆斯堡尔效应

设原子核衰变到原子核B的激发态B*，然后从激发态

B*退激到基态B，发射出γ光子（图1），当这个光子遇到一

个图1γ光子的发射和汲取

同样的原子核B时，就应被共振汲取。但对于自由原子核

要实现上述共振汲取是很困难的，因为在发射和汲取γ光子的过

程中，由于原子核反冲而损失一部分能量ER，由能量—动量

守恒关系可推知

()eV1037.5222

042

202Emc

EmPEnR-?=≈=

图2自由原子核发射光子时的反冲图3自由原子核的发

射谱和汲取谱

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式中Pn为原子核反冲动量，m为原子核质量，为原子

量，E0为以keV为单位的γ跃

迁能量（图2）。对于57

Fe的14.4keV能级，ER=1.95×10-3eV。反冲效应使

γ光子能量变小，

γ光子的发射谱向低能方向移动ER，而汲取谱向高能量方

向移动ER（图3）。这样发射谱和

汲取谱就相差2ER≈10