第六章穆斯堡尔谱
主要内容
? 第一章 穆斯堡尔谱的发现和原理
? 第二章 穆斯堡尔谱参数
? 第三章 穆斯堡尔谱仪
? 第四章 数据处理
? 第五章 穆斯堡尔谱的应用
第一节 原理
一 多卜勒效应,
如一个幅射源相对接收者运动,则对接收者而言,幅
射波长（频率、能量）随二者的相对运动方向与
速度而变化：
ΔE=VE/C
ΔE-射线能量的变化；
E-射线能量
V-速度，
? 二 同质异能核
? 1电荷数与质量相同但能态不同的核,如：
Fe,Fe + Fe 2+,Fe 3+,Fe 6+ 。
? 2如用放射性核 57Fe为标样，它发出能量为
A=hv的 γ射线；（ γ射线是不稳定的原子核从
能量较高的激发态跃迁到能量较低的能级或基
态时，放出的电磁波）
? 含铁样品中 Fe 的能级差为 B；
? 设 ΔE=A-B
? 3当标样相对含铁样品运动，则样品接受的 γ射线
能量为 hv+/-ΔE；
? 4当速度达到某值,使：
? B= hv+/-ΔE=A+/-VE/C；则形成共振吸收，
就得到 Mossbauer谱。
三 穆斯堡尔效应的发现
? 1956年,27岁的穆斯堡尔 (Rudolph L,Mossbaure)
攻读博士学位，致力于有关 γ射线共振吸收的研究。 发现
了穆斯堡尔效应：无反冲的 γ发射和其共振吸收现象 。
穆斯堡尔谱学的基础是放射性原子核发出光子，这些
光子被吸收体中的同种原子核共振吸收。由于吸收体化学
组成或晶体结构不同，发射或吸收的光子能量会有细微变
化。利用穆斯堡尔效应可以测量出这种变化，从而得到有
用的信息。
穆斯堡尔谱学的特点：
1穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领,很容易探测出
原子核能级的变化。
2利用穆斯堡尔谱可以方便地研究原子核与其周围环境
间的超精细相互作用,可以灵敏地获得原子核周围的
物理和化学环境的信息。
第二节 穆斯堡尔谱参数
一,超精细相互作用
由于原子核存在于由原子的壳层电子和邻近配位体的电荷
所产生的电磁场中，原子核本身带正电荷和各种核矩，因
此核和核所处的电场和磁场之间存在着相互作用，这种作
用十分微弱，称为超精细相互作用。
需要考虑以下三种主要的超精细相互作用：
?1 同质异能位移（化学位移 I.s 或 δ）
?2 四极分裂
?3 磁超精细分裂
二,同质异能位移（化学位移）
? 化学位移是由穆斯堡尔核电荷与核所在处电场之间的静
电作用引起的。
? 1 如果激发态核半径与基态核半径不等，则化学位移
可以不为零，而与这个穆斯堡尔原子核周围电子配置
情况有关，所以根据 δ可以得到化学键性质、价态、
氧化态、配位基的电负性等化学信息。
? 2 如果放射源中穆斯堡尔原子所处的化学状态和吸收
体完全相同，则化学位移总是为零，所得谱线共振吸
收最大处即是谱仪零速度处。
? 3 δ可正可负。 δ为 正，说明从放射源到吸收体在核处
的电子电荷密度是增加的，原子核体积减小； δ为 负，
说明从放射源到吸收体在核处的电子电荷密度是减小
的，原子核体积增加。
可以得出以下结论：
? 4 以不同基态的穆斯堡尔谱源去测量同一吸收体的
穆斯堡尔谱时，所得化学位移不同。所以通常需要
说明这种化学位移是相对于何种标准吸收体而言。
? 5 当穆斯堡尔谱原子处于不同价态和不同自旋状态
时，原则上有不同的化学位移。
? 6化学位移决定谱线中心的位置移动，但不是唯一
的决定因素，温度效应与化学位移叠加在一起决定
谱线中心的位置。
三、四极矩分裂 Qs
? 虽然原子核的形状接近球形，但多数核是轴对称
的椭球形。因此用电四极矩 Q来表征核电荷分布偏
离球对称的程度。
可以证明，如果原子核电荷分布是球对称的，则 Q＝ 0;
若原子核电荷分布非球对称的，则 Q≠0，外电场和原子
核的电四极矩之间的相互作用将引起能量的变化，使能
级分裂，出现两个亚能级，在谱线上可观察到两条特征
谱线。两峰之间的距 离叫四极矩分裂，两峰的中心相
对零速度是化学位移 δ。
例如 57Fe
? 四极矩分裂是穆斯堡尔谱的一个重要参数，它与原
子的对称性关系很大，表面原子相对本体原子有较
低的对称性，因而有较大的电场强度，根据这个差
别可以区分这两种不同原子。
? 表面化学吸附物质的存在可以改变电场梯度，而这
又与化学吸附键的强度以及化学吸附物质相对于表
面原子的位置有关。因此，测量表观四极分裂的大
小变化，可以提供表面状况的信息。
四极矩分裂 Qs的意义：
四、磁超精细分裂 (Zeamann effects)
在原子核处常常存在有核外电子形成的磁场 H，可使核
能级进一步分裂，又叫核塞曼效应。
综上所述,可得到下图：
第三节 实验技术
一 穆斯堡尔源
将穆斯堡尔原子的母核核素通过一定方式嵌入某种
基体中制成，最重要的穆斯堡尔源是 57Co,它衰变
得到 57Fe的 14.41keV穆斯堡尔跃迁。下表是 57Co
穆斯堡尔源所发出的辐射能量。
二、样品 (吸收体 )的制备
三 数据处理
一次往复运动得到一个
实验数据，为得到精确
的穆斯堡尔参数，必须
用计算机分析，最常用
的是将穆斯堡尔仪测量
得到的数据按洛仑兹线
型进行拟合。
四 应用
? 1 硅酸盐矿物中 Fe2+-Mg有序－无序的测定；
? 2 矿物固相反应的研究；
? 3 价态的研究；
? 4 配位数与晶格占位的研究
? 本章部分 PPT图片由石和彬教授提供,谨致谢意！
完
主要内容
? 第一章 穆斯堡尔谱的发现和原理
? 第二章 穆斯堡尔谱参数
? 第三章 穆斯堡尔谱仪
? 第四章 数据处理
? 第五章 穆斯堡尔谱的应用
第一节 原理
一 多卜勒效应,
如一个幅射源相对接收者运动,则对接收者而言,幅
射波长（频率、能量）随二者的相对运动方向与
速度而变化：
ΔE=VE/C
ΔE-射线能量的变化；
E-射线能量
V-速度，
? 二 同质异能核
? 1电荷数与质量相同但能态不同的核,如：
Fe,Fe + Fe 2+,Fe 3+,Fe 6+ 。
? 2如用放射性核 57Fe为标样，它发出能量为
A=hv的 γ射线；（ γ射线是不稳定的原子核从
能量较高的激发态跃迁到能量较低的能级或基
态时，放出的电磁波）
? 含铁样品中 Fe 的能级差为 B；
? 设 ΔE=A-B
? 3当标样相对含铁样品运动，则样品接受的 γ射线
能量为 hv+/-ΔE；
? 4当速度达到某值,使：
? B= hv+/-ΔE=A+/-VE/C；则形成共振吸收，
就得到 Mossbauer谱。
三 穆斯堡尔效应的发现
? 1956年,27岁的穆斯堡尔 (Rudolph L,Mossbaure)
攻读博士学位，致力于有关 γ射线共振吸收的研究。 发现
了穆斯堡尔效应：无反冲的 γ发射和其共振吸收现象 。
穆斯堡尔谱学的基础是放射性原子核发出光子，这些
光子被吸收体中的同种原子核共振吸收。由于吸收体化学
组成或晶体结构不同，发射或吸收的光子能量会有细微变
化。利用穆斯堡尔效应可以测量出这种变化，从而得到有
用的信息。
穆斯堡尔谱学的特点：
1穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领,很容易探测出
原子核能级的变化。
2利用穆斯堡尔谱可以方便地研究原子核与其周围环境
间的超精细相互作用,可以灵敏地获得原子核周围的
物理和化学环境的信息。
第二节 穆斯堡尔谱参数
一,超精细相互作用
由于原子核存在于由原子的壳层电子和邻近配位体的电荷
所产生的电磁场中，原子核本身带正电荷和各种核矩，因
此核和核所处的电场和磁场之间存在着相互作用，这种作
用十分微弱，称为超精细相互作用。
需要考虑以下三种主要的超精细相互作用：
?1 同质异能位移（化学位移 I.s 或 δ）
?2 四极分裂
?3 磁超精细分裂
二,同质异能位移（化学位移）
? 化学位移是由穆斯堡尔核电荷与核所在处电场之间的静
电作用引起的。
? 1 如果激发态核半径与基态核半径不等，则化学位移
可以不为零，而与这个穆斯堡尔原子核周围电子配置
情况有关，所以根据 δ可以得到化学键性质、价态、
氧化态、配位基的电负性等化学信息。
? 2 如果放射源中穆斯堡尔原子所处的化学状态和吸收
体完全相同，则化学位移总是为零，所得谱线共振吸
收最大处即是谱仪零速度处。
? 3 δ可正可负。 δ为 正，说明从放射源到吸收体在核处
的电子电荷密度是增加的，原子核体积减小； δ为 负，
说明从放射源到吸收体在核处的电子电荷密度是减小
的，原子核体积增加。
可以得出以下结论：
? 4 以不同基态的穆斯堡尔谱源去测量同一吸收体的
穆斯堡尔谱时，所得化学位移不同。所以通常需要
说明这种化学位移是相对于何种标准吸收体而言。
? 5 当穆斯堡尔谱原子处于不同价态和不同自旋状态
时，原则上有不同的化学位移。
? 6化学位移决定谱线中心的位置移动，但不是唯一
的决定因素，温度效应与化学位移叠加在一起决定
谱线中心的位置。
三、四极矩分裂 Qs
? 虽然原子核的形状接近球形，但多数核是轴对称
的椭球形。因此用电四极矩 Q来表征核电荷分布偏
离球对称的程度。
可以证明，如果原子核电荷分布是球对称的，则 Q＝ 0;
若原子核电荷分布非球对称的，则 Q≠0，外电场和原子
核的电四极矩之间的相互作用将引起能量的变化，使能
级分裂，出现两个亚能级，在谱线上可观察到两条特征
谱线。两峰之间的距 离叫四极矩分裂，两峰的中心相
对零速度是化学位移 δ。
例如 57Fe
? 四极矩分裂是穆斯堡尔谱的一个重要参数，它与原
子的对称性关系很大，表面原子相对本体原子有较
低的对称性，因而有较大的电场强度，根据这个差
别可以区分这两种不同原子。
? 表面化学吸附物质的存在可以改变电场梯度，而这
又与化学吸附键的强度以及化学吸附物质相对于表
面原子的位置有关。因此，测量表观四极分裂的大
小变化，可以提供表面状况的信息。
四极矩分裂 Qs的意义：
四、磁超精细分裂 (Zeamann effects)
在原子核处常常存在有核外电子形成的磁场 H，可使核
能级进一步分裂，又叫核塞曼效应。
综上所述,可得到下图：
第三节 实验技术
一 穆斯堡尔源
将穆斯堡尔原子的母核核素通过一定方式嵌入某种
基体中制成，最重要的穆斯堡尔源是 57Co,它衰变
得到 57Fe的 14.41keV穆斯堡尔跃迁。下表是 57Co
穆斯堡尔源所发出的辐射能量。
二、样品 (吸收体 )的制备
三 数据处理
一次往复运动得到一个
实验数据，为得到精确
的穆斯堡尔参数，必须
用计算机分析，最常用
的是将穆斯堡尔仪测量
得到的数据按洛仑兹线
型进行拟合。
四 应用
? 1 硅酸盐矿物中 Fe2+-Mg有序－无序的测定；
? 2 矿物固相反应的研究；
? 3 价态的研究；
? 4 配位数与晶格占位的研究
? 本章部分 PPT图片由石和彬教授提供,谨致谢意！
完
