说明：穆斯堡尔谱技术基于原子核γ射线的无反冲共振吸收效应（穆斯堡尔效应），可精准分析固体物质的微观性质，是重要的表征固体物质的光谱技术。其核心参量包括同质异能位移、四极分裂和核塞曼效应，能解析材料的电子自旋结构、氧化态、磁学性质等。该技术应用广泛：在化学领域（如铁电催化剂成分鉴定）、地质学（月球样品矿物分析）、考古学（陶器成分分类）及生命科学中均有重要价值。更多有关知识请看以往推文：

穆斯堡尔谱的发现

鲁道夫·路德维希·穆斯堡尔（Rudolf Ludwig Mössbauer）于1929年生于慕尼黑。1958年，他在海德堡的马克斯–普朗克医学研究所进行博士论文研究时，发现了γ射线的无反冲发射与共振吸收现象，即穆斯堡尔效应。

这一发现使他在1961年被授予诺贝尔物理学奖。穆斯堡尔用实验证明了Ir原子核间的共振现象，并以量子力学作出理论解释。

这项研究进而发展为一种重要的表征固体物质的光谱技术，即穆斯堡尔谱学。穆斯堡尔谱具有同质异能位移、四极分裂与核塞曼效应等3个主要参量，通过这些参量可分析研究物质的电子自旋结构、氧化态、分子对称性、磁学性质、相转变、晶格振动等诸多微观性质。

穆斯堡尔效应发现已逾65年，在近10万篇已发表的论文中使用到了相关测试方法及数据，可见该技术在使用无损方法表征固体物质方面的有效性与重要作用。

测试原理

穆斯堡尔效应是指固体中的某些原子核具有一定概率能够无反冲地发射γ射线，而处于基态的原子核对这些γ射线也有一定概率能够无反冲地共振吸收。根据能量守恒定律

辐射的γ射线能量Eγ比激发态与基态之间的跃迁能量Et少ER（反冲能）。在原子核吸收γ射线时，原子核产生和入射的γ射线方向相同的运动，γ射线再次损失大小为ER的能量。所以，辐射的γ射线共损失掉2ER能量。

由于γ射线能量较大，反冲能量ER也较大，因此使辐射源和吸收体的激发态能量偏离2ER而不能重叠，这样就无法观测到共振吸收。

由于原子核的反冲使辐射的γ射线向低端移动ER，吸收线向高端移动ER，两者相距为2ER，而自然线宽又比反冲能量小得多，因此，不能在自由原子核中观测到γ射线的共振荧光。

穆斯堡尔通过计算表明，¹⁹¹Ir的129 keV能级跃迁的反冲能量为0.047 eV，而在室温下的多普勒加宽为0.07 eV，因而γ光子的发射峰与吸收峰有明显的重叠，所以在室温下观测到γ光子的共振吸收现象。

根据原子热运动的多普勒加宽，当温度升高时，两峰重叠增大，因而预期共振吸收将增大，而当温度降低时，共振吸收应减少。

然而，在冷却了吸收体和辐射源之后，γ射线共振吸收反而增加，这与预期的结果相反。这说明，不能使用有反冲核的γ射线共振吸收来解释¹⁹¹Ir的核能级跃迁。

在穆斯堡尔的实验装置中，¹⁹¹Os作为辐射源，铱晶体作为吸收体。辐射源装在转盘的边缘上，使源相对吸收体运动，利用多普勒运动调制γ射线的能量。在这样的装置中，辐射源和吸收体均可冷却到88 K。

可以观察到，吸收所需要的多普勒速度不大，仅为每秒几厘米，而且随着温度的降低，共振吸收也增大。

图1 穆斯堡尔研制的实验装置

（New York: Academic Press，1964）

在固体环境中，原子核的辐射行为呈现出独特的特征。由于原子核的结合能ER相对于化学键能极为微小，原子核在辐射 γ 射线的过程中，并不会从其所在的晶格位置上被抛离。

在此情境下，反冲质量可近似等同于整个晶体的质量，这使得产生的反冲能量微乎其微，几乎可以忽略不计。

γ 射线的能量 Eγ恰好对应于原子核基态与激发态之间的跃迁能量 Et。由于辐射源发射的 γ 射线峰与吸收体吸收的 γ 射线峰在能量分布上几乎完全一致，并且接近自然线宽，因此能够观测到非常锐利的共振吸收峰。

当温度降低时，原子在晶格位置上受到更紧密的束缚。这使得原子在发射γ 射线后，其反冲能量损失 ER以及热运动引起的多普勒加宽都显著减小。

穆斯堡尔在科学领域的杰出贡献在于，发现了在固体中低能γ 射线的反冲能 ER和多普勒加宽能够被忽略不计。这一发现使得发射谱与吸收谱得以完全重叠，并且能够观测到接近自然线宽的共振吸收。这种γ 射线无反冲发射和共振吸收现象，被命名为穆斯堡尔效应。

穆斯堡尔谱仪器组成

穆斯堡尔谱仪包括的主要部分为：

1) 处于激发态的放射性穆斯堡尔核素，即穆斯堡尔母核－辐射源；

2) 驱动装置，它使辐射源在一定范围内获得多普勒速度和实现能量扫描；

3) 吸收体，即所研究的样品；

4) γ 射线检测系统；

5) 记录装置，用以记录穆斯堡尔谱；

6) 数据分析系统，用以解析测得的穆斯堡尔谱。

穆斯堡尔谱仪示意图

（London- New York: McGraw-Hill，1973）

测试流程

穆斯堡尔谱测试流程较为复杂，涵盖样品准备、测试条件确定以及数据分析等环节，以下是详细流程：

样品准备方面：通常以固体粉末状态为佳，且要保证其中铁或锡元素的吸收厚度在10mg/cm² 左右。对于铁含量偏低的固体样品以及冷冻溶液样品，往往有必要引入 Fe 前驱体这类富集同位素，如此一来，既能缩减测试耗时，又能提升信噪比。

测试条件选择层面：穆斯堡尔谱测试能适配多种环境条件，比如室温、低温、变温、高温以及高压等情况，便于探究材料在不同状态下的物理与化学性质变化。

除此之外，还支持开展电化学原位测试、离子电池原位测试、光催化原位测试等，进而动态追踪材料处于工作状态时的状态转变。另外，也允许在外加磁场环境下实施低温测试，或者开展¹⁵¹Eu、¹²¹Sb、¹⁹⁷Au 穆斯堡尔谱测试等。

数据分析角度：穆斯堡尔谱仪借由测量穆斯堡尔核和超精细场的相互作用情况，能够提取出材料诸如价态、自旋态、配位环境以及物相等多方面信息。

案例解读

在化学中的应用：⁵⁷石墨层密封的铁电催化剂的氧还原反应的铁穆斯堡尔谱和电化学活动

（DOI:10.1016/j.apcatb.2017.09.014）

丹麦技术大学李庆峰教授课题组通过使用⁵⁷Fe –穆斯堡尔谱确定了 G@FeNPs 催化剂中铁的成分包含 α – Fe、γ – 铁、γ – Fe2O3 和 Fe3C 以及次要的双峰态成分，其中 Fe 由于处于高自旋状态的 Fe3 + 和 / 或低自旋状态的 Fe2 +。