穆斯堡尔谱是根据穆斯堡尔效应由穆斯堡尔谱仪测得的一种 γ 射线吸收谱。它与红外吸收光谱（IR）类似，不过激发的电磁波源却是波长极短的 γ 射线（大约 10-10m）。穆斯堡尔效应涉及到原子核的性质，包括核的能级结构以及核所处的化学环境，据此可以应用穆斯堡尔谱来对原子的价态，化学键的离子性和配位数，晶体结构，电子密度和磁性质等进行研究。因此，穆斯堡尔谱在化学和材料领域也得到了日益广泛的应用。
01
发现与原理
1958 年，德国青年物理学家穆斯堡尔（R.L.Mossbaure）在致力于 Ir 原子核 γ 射线共振吸收的研究时，发现了穆斯堡尔效应。穆斯堡尔效应实际上是一种无反冲的 γ 射线共振吸收现象。
1961 年穆斯堡尔因此获得了诺贝尔物理学奖。目前，发现具有穆斯堡尔效应的化学元素（不包括铀后的元素）有 42 种，80 多种同位素的 100 多个核跃迁，但尚未发现比钾元素轻的含穆斯堡尔核素的化学元素。
固体中的某些原子核有一定的几率能够无反冲地发射 γ 射线，而处于基态的原子核对前者发射的 γ 射线也有一定的几率能够无反冲地共振吸收。这种原子核无反冲地发射或共振吸收 γ 射线的现象就是穆斯堡尔效应。
这里理解的关键是“原子核无反冲地发射或共振吸收 γ 射线”。先说共振吸收，在高中我们就学过电子的能级跃迁是不连续的，只发射，吸收特定频率的电磁波；在原子核也是一样，原子核对于特定频率的电磁波的吸收也远远强于随意的频率。由于量子力学的不确定原理，吸收的电磁波也有一定范围，也就是在特定能量附近的电磁波都可以被原子核吸收。这就是共振吸收。
什么是有反冲共振吸收？
我们知道两个粒子的碰撞要保证动量守恒，γ 射线也有动量，所以它和原子核碰撞后被吸收也要保证动量守恒。也就是原子核吸收特定频率 γ 射线后，会有一定动能，这就是有反冲的共振吸收。举例：
设 E0 是某种原子核的一个跃迁能级（E发射 为发射出的 γ 光子的能量， ER 为原子核的反冲能）。
当原子核发射一个 γ 光子时，原子核反冲会有动能，所以发射出的能量在 E发射=E0−ER附近的 γ 光子。当原子核吸收一个 γ 光子时，由于原子核反冲会有动能，所以要吸收 E吸收=E0+ER附近的 γ 光子。
当 ER 较大时，两个能量范围几乎不重叠，就像图的上半部分一样；若是提高温度则可以增加能量的范围，像图的下半部分，这样能量范围便有重叠部分，原子核发射的光子便可以部分被吸收。
什么是无反冲共振吸收？
假设原子核被晶格固定，那么发射光子时反冲的整体就变成了整个物质，而不是原子，这样的话反冲能 ER 就会减小到几乎没有，发射和吸收的能量范围几乎重叠，那么原子核发射的光子就会被几乎完全吸收，这就是无反冲共振吸收。
当 γ 射线通过一物体时，如果入射的 γ 光子的能量与物体中某些原子核的能级跃迁能量相等，这种能量的 γ 光子就会被原子共振吸收；而能量相差较大的 γ 光子则不会被共振吸收。这种经吸收后所测得的 γ 光子的数量与能量的对应关系就是穆斯堡尔谱。
石榴石型钇铁氧体中 57Fe 的穆斯堡尔谱
由于穆斯堡尔效应涉及到原子核的性质，包括核的能级结构以及核所处的化学环境，据此可以应用穆斯堡尔谱来对原子的价态，化学键的离子性和配位数，晶体结构，电子密度和磁性质等进行研究。
如果声波或者电磁波的波源相对接收者进行相对运动，那么对于接收者而言，其接收到的辐射波的频率或能量就会随着相对运动速度而发生变化，这就是多普勒效应。
据此，在实验中我们可以通过调节辐射源的运动速度来改变接收体接收到的 γ 光子的能量，从而实现共振吸收。为了表示方便，穆斯堡尔谱的 X 轴就采用多普勒速度 V（mm/s）来表现能量大小。一般而言，辐射源与接收体之间的相对速度仅需每秒几毫米到每秒几厘米。
02
主要特点
穆斯堡尔谱方法的主要优点是：
（1）设备和测量简单；
（2）可同时提供多种物理和化学信息；
（3）分辨率高，灵敏度高，抗扰能力强，对试样无破坏；
（4）所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶态或非晶态的材料，薄膜或固体的表层，也可以是粉末、超细小颗粒，甚至是冷冻的溶液，范围之广是少见的。
主要的不足之处是：
只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，且许多还必须在低温下或在具有制备源条件的实验室内进行，使它的应用受到较多的限制。事实上，至今只有 57Fe 和 119Sn 等少的穆斯堡尔核得到了充分的应用。即使如此，它仍不失为固体物理研究的重要手段之一，在有些场合甚至是其他手段不能取代的，并且随着实验技术的进一步开发，可以预期，它将不断地克服其局限性，在各研究领域发挥更大的作用。
03
结构组成
穆斯堡尔谱仪器的结构如下图所示，它主要包括放射源、驱动装置、吸收体、γ 射线探测器和多道分析器。
放射源是穆斯堡尔谱仪中不可缺少的重要组成部分，它的作用是提供相应穆斯堡尔核能级间跃迁所需要的一定能量的 γ 射线。迄今为止，57Co，119Sn 和 121Sb 是应用最广泛的穆斯堡尔反射源。
为了根据多普勒效应调制 γ 射线的频率或者能量，通过驱动装置使放射源和吸收体之间作相对运动，通常穆斯堡尔实验采用等加速驱动方式。
大多数穆斯堡尔放射源辐射的 γ 射线不是单色的，所以要选择适当的探测器，以便检测出所需要的 γ 射线。穆斯堡尔核 γ 射线的能量一般在 10-100keV，可以采用半导体探测器、正比计数器、NaI 闪烁探测器。
多道分析器在三角波起始时使道址恢复到零道，并使速度驱动与相应道址同步，这样速度随道址线性变化。将各速度间隔内 γ 射线探测器探测得到的计数经过放大后存储在多道分析器相应道址内，而得到穆斯堡尔谱。
04
应用领域
材料科学
穆斯堡尔谱广泛应用于铁基和锡基合金、氧化物等材料的研究。它能揭示合金中铁的化学态、电子环境和磁性信息。例如，在铁基超导材料的研究中，穆斯堡尔谱可以提供铁原子在晶格中的位置及其周围相互作用的详细信息，有助于理解超导机制。
生物与医学
在生物医学领域，穆斯堡尔谱用于分析含铁蛋白（如血红蛋白和细胞色素）的结构和功能状态。它可以揭示这些蛋白质中铁离子的电子和磁性状态。例如，在红细胞研究中，穆斯堡尔谱用于检测血红蛋白的氧化还原状态及其在病理情况下的变化。
化学
穆斯堡尔谱在无机和有机化学中都有重要应用。在无机化学中，它能够提供配合物中金属中心的价态、配位数和配体场环境信息。在有机化学中，穆斯堡尔谱用于研究有机金属化合物，如检测铁-碳键的形成和断裂过程，对有机合成和催化反应研究非常关键。
地质学与矿物学
穆斯堡尔谱在地质学和矿物学中用于铁矿石和其他含铁矿物的定性和定量分析。它能识别矿物中的铁离子价态、配位环境及磁性特性。例如，通过分析赤铁矿、磁铁矿和菱铁矿的穆斯堡尔谱图，可以获取其详细的晶体结构信息。
本文源自微信公众号：中科蓝海ZKBO
原文标题：《穆斯堡尔谱：揭秘物质微观结构（上）》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/KBBzSYfLY1C1pcdeoedOUQ
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