穆斯堡爾效應(yīng)和應(yīng)用

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1、穆斯堡爾效應(yīng)及應(yīng)用一、共振吸收現(xiàn)象與穆斯堡爾效應(yīng)1、原子的共振吸收現(xiàn)彖原子有很強(qiáng)的共振吸收現(xiàn)象，如果入射光子的能量正好和原子中一個(gè)激發(fā)能級(jí)的能量相同，原子就會(huì)強(qiáng)烈地吸收光子、躍遷到這個(gè)能級(jí)。而這個(gè)能級(jí)在退激發(fā)時(shí)，又會(huì)放出同樣能量的光子。入射光可以采用輻射連續(xù)光譜的光源，也可以采用相同原子退激發(fā)吋發(fā)岀的光子。例如，用鈉燈照射鈉蒸氣，鈉蒸氣就會(huì)強(qiáng)烈吸收鈉燈發(fā)出的黃光，并且發(fā)射和它頻率相同的光，這就是原子的共振吸收現(xiàn)象。2、原子核的共振吸收實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯人們預(yù)想原子核也應(yīng)該具有這種共振吸收現(xiàn)象，即原子核也應(yīng)該可以強(qiáng)烈吸收由同類核素發(fā)岀的丫射

2、線。然而在很長一段時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)上卻觀察不到這種現(xiàn)彖。3、原子核的共振吸收實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的解釋(1)介紹:反沖現(xiàn)象由于原子核在發(fā)射或吸收Y射線時(shí)要受到反沖的影響，因而損失了部分能量。當(dāng)原子核發(fā)出Y光子時(shí)，自身將受到反沖作用，躍遷的一部分能量傳給了反沖的原子核Y,射線的能量會(huì)有所減少。若躍遷的能級(jí)間隔為E=Ei-Ej,則根據(jù)躍遷前后能量和動(dòng)量守恒規(guī)律可以得到衰變中發(fā)射出丫光子的能量為EXe=E-Er=E-(AE)2/2Mkc2,其中比表示反沖原子核的能量，Mr表示反沖核的質(zhì)量。同理，處于基態(tài)的同類原子核吸收丫光子時(shí)也會(huì)發(fā)生反沖作用，且具

3、有同樣大小的反沖動(dòng)能。因此,要使丫射線能被能級(jí)間隔為E的原子核吸收，入射光子的能量應(yīng)為E嚴(yán)AE+Er/2M0。這樣，同一激發(fā)態(tài)的Y射線發(fā)射譜線和吸收譜線就會(huì)相差?。(2)介紹：原子發(fā)射的光譜線具有一定寬度原子發(fā)射的光譜線具有一定寬度。這是因?yàn)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的原子，其能量并不是一個(gè)完全確定的數(shù)值，而是有一定的發(fā)散；同樣處于各種激發(fā)態(tài)的原子核，其能量也不是完全確定的，它的能級(jí)也有一定寬度。根據(jù)不確定關(guān)系，某個(gè)能級(jí)的自然寬度卩和原子核處于該能級(jí)的平均壽命丫之間有「?t=Uo可見，狀態(tài)的壽命越長、能級(jí)寬度就越窄，所以只有穩(wěn)定原子核的基態(tài)才有完全確

4、定的能量。由于激發(fā)能級(jí)有一定的寬度，所以Y躍遷釋放出的Y射線能量也有一定展寬。也就是說，Y譜線的能量也應(yīng)有一定的分散。(3)原子核不能發(fā)生共振吸收現(xiàn)象的解釋一一譜線的自然寬度卩比原子核的反沖動(dòng)能要小得多原子核能否發(fā)生共振吸收，就要看其Y譜線的發(fā)射譜和吸收譜是否有重疊部分。如果譜線的自然寬度「比原子核的反沖動(dòng)能要小得多，即「ER,則其發(fā)射譜和吸收譜就不會(huì)有重疊部分,也就不會(huì)發(fā)生顯著的共振吸收現(xiàn)象。反之，若譜線自然寬度大于或接近核的反沖動(dòng)能，即r^ER,則其發(fā)射譜和吸收譜就會(huì)有重疊部分，從而發(fā)生共振吸收現(xiàn)象。發(fā)射譜和吸收譜*原子發(fā)生共振吸

5、收現(xiàn)象由于原子發(fā)射光子的能量通常很低，因而原子反沖動(dòng)能總是小于原子的能級(jí)寬度;例如，對(duì)于能量為21leV的鈉原子D線，其激發(fā)態(tài)能級(jí)寬度X10-8eV,而鈉原子發(fā)出光子吋的反沖動(dòng)能為ER"10-10eV,即『MER,這時(shí)發(fā)射譜和吸收譜幾乎完全重合，所以實(shí)驗(yàn)上很容易觀察到共振吸收現(xiàn)象。原子核的情況則很不相同。一般其核能級(jí)寬度為1、~10-6?10-9eV,而發(fā)射Y射線時(shí)核的反沖動(dòng)能ER則大于10-4eV。例如，一個(gè)處于第一激發(fā)態(tài)的自由的核57Fe發(fā)出能量為1414KeV的丫射線冋到基態(tài)，這吋的反沖動(dòng)能ER~119X10-3eV，而該激發(fā)態(tài)

6、的能級(jí)寬度『~4167X10-9eV，可見『nER,發(fā)射譜線和吸收譜線相隔甚遠(yuǎn)，兩者沒有重疊部分，因此一般情況下觀察不到這種原子核的共振吸收現(xiàn)象。4、觀察原子核共振吸收現(xiàn)象的方法(1)失敗的方法人們首先想到的一個(gè)方法是，使發(fā)射丫射線的原子核獲得一個(gè)附加的速度以補(bǔ)償反沖能量的損失，使發(fā)射譜的中心移到吸收譜的中心處，根據(jù)多普勒效應(yīng)原理適當(dāng)選擇核的運(yùn)動(dòng)速度，就能補(bǔ)償反沖能量的損失，從而觀察到共振吸收現(xiàn)象。1950年，默恩(P.B.Moon)首次觀察到有反沖的共振吸收現(xiàn)象，但由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，得到的共振曲線分布很寬，沒有實(shí)際價(jià)值。另--種設(shè)想

7、就是提高放射源或吸收體的溫度，使兩原子核之間有一個(gè)合適的相對(duì)速度，從而達(dá)到補(bǔ)償反沖能量損失的目的，但未能獲得令人滿意的結(jié)果。(2)穆斯堡爾效應(yīng)1958年，德國物理學(xué)家穆斯堡爾(R.L.MEss2bauer)采用了另一種消除原子核反沖的巧妙方法，就是將發(fā)射和吸收Y射線的原子核置入固體晶格，使其受晶格束縛，成為一個(gè)整體。由于整個(gè)固體的質(zhì)量很大，反沖能量趨近于零，從而觀察到了Y射線無反沖的共振吸收現(xiàn)象，這就是穆斯堡爾效應(yīng)。他因此于1961年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，人們研究最多的是57Fe發(fā)射1414KeV能量的丫射線，這是因?yàn)?7Fe的穆

8、斯堡爾效應(yīng)在室溫下就相當(dāng)顯著，因此57Fe已經(jīng)成為重要的工作物質(zhì)。二、穆斯堡爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用(1)引力紅移愛因斯坦曾提出三個(gè)可以驗(yàn)證廣義相對(duì)論的基本效應(yīng):一是光線在太陽附近的偏折，二是行星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，三是光譜線的引力紅