实验四穆斯堡尔效应

本科生实验报告实验课程核分析根底学院名称核技术与自动化工程学院专业名称核工程与核技术学生姓名学生学号指导教师马英杰实验地点6C802实验成绩二〇一五年十一月二〇一五年十二月穆斯堡尔效应【实验目的】 1、了解穆斯堡尔效应的根本原理 2、了解穆斯堡尔谱仪的结构和根本的实验方法【实验器材】穆斯堡尔谱仪通用示波器57Co放射源 α-Fe薄膜样品【实验原理】穆斯堡尔效应是一种原子核无反冲的γ射线共振吸收或共振散射现象。由于核激发态有一定寿命，相应的跃迁谱线宽度很窄，而核发射的γ射线能量较大，造成核的反冲，所以即使考虑到热运动的多普勒展宽造成的发射谱线与吸收谱线的重叠，一般也无法观察到核共振吸收现象。穆斯堡尔考虑把靶原子核镶嵌在晶格中，发射γ射线时带着整个晶体一起反冲，这样的反冲很小，有很大的概率观察到核共振吸收现象，这就是穆斯堡尔效应。γ射线共振吸收1、谱线的自然线宽核的激发态存在有限长的寿命τ，回到基态时发出的γ射线存在一定的线宽，谱线强度与光子频率ω之间有关，为：即洛仑兹线性。将E=hω/2π代入，那么当时I(E)强度下降为最大值的一半，这时曲线宽度为，称为谱线的自然线宽Γ。2、自由原子核的反冲由能量、动量守恒定律可知核反冲能量ER为：即M越大，反冲能量ER越小。如以57Fe为例，E0=14.4keV，那么有ER≈2×10-3eV比自然线宽大得多。故对57Fe，当谱线不存在其他展宽，发射与吸收谱线之间不存在任何重叠，所以不可能观察到γ射线的共振吸收现象。3、多普勒展宽 由相对论性的多普勒效应室温下的多普勒效应不是观察到的57Fe发射γ射线的共振吸收。穆斯堡尔谱线的强度和宽度原子发射γ射线时，反冲能量一般缺乏以激发声子，那么发射前后晶格处于相同的状态，这种无声子跃迁过程的概率称为无反冲分数f。可以证明，每发射一个γ光子传递给晶格的平均能量等于核自由反冲时的能量ER，即Lipkin求和定那么：E(ni)和E(nf)分别代表发射γ射线前后晶格初态和终态的能量，P(nf,ni)表示发射γ射线时晶格由初态|ni>跃迁到终态|nf>的概率。穆斯堡尔谱线的强度和宽度具有以下几个特点：1、无反冲分数f随波矢k0的增加而减小。2、晶格的爱因斯坦温度或德拜温度越高，无反冲分数f越大。3、较高温度时，振子将被激发到具有较高量子数n的能级上去，这时无反冲分数f减小。而在低温时，原子受到的束缚大，无反冲分数f变大。超精细相互作用由于穆斯堡尔谱线非常锋利，可用于分辨超精细相互作用，并定量给出它的数值。一般涉及到以下三种主要的超精细相互作用：同质异能移位、电四极距分裂、核磁偶极相互作用。1、同质异能移位同质异能移位是因为原子核具有一定的体积，原子的s电子在原子核内部有一定的概率分布。原子核电荷的势场与核内s电子电子云之间的经典库仑作用使核能级有一个微小的移动δE,又称化学移位。用经典方法计算得：这里，δR为从激发态到基态时核半径的变化。同质异能移位既与吸收体有关也与放射源有关。在57Fe的谱学中最常用的标准参考材料是金属Fe和合二水硝普酸钠Na[Fe(CN)5NO]•2H2O。2、电四极矩分裂多数核及其核电荷的分布常偏离球形对称分布，不同的激发态其偏离程度也不同，用核电四极矩eQ来确定其偏离球形对称的程度。对57Fe基态和激发态而言，四极分裂后，激发态两支能级之间能量差为。对不同化合物中相同的穆斯堡尔核来说，电四极矩eQ是常量。对于四极分裂的深入分析，可以得到核四周电荷分布对称性方面的信息，不仅与核的化学价态有关，也与晶体结构的对称性有关。穆斯堡尔源的制备中，通常选用具有立方精细结构的金属作基底，核处电场梯度为零，不存在四极分裂。核磁偶极相互作用——核塞曼分裂我们利用一级微扰理论求出原子核磁偶极矩与核处磁场哈密尔顿量的本征值为：可知磁偶极相互作用使|I>分裂成2I+1个等间距的支能级。相邻能级间的间距为ΔE=ggμNB。57Fe的基态I=1/2，分裂为mI=±1/2的两个能级，裂距为ΔE=ggμNB，gg为基态核的朗德g因子。57Fe的14.4keV激发态，I=3/2，分裂为mI=±3/2，±1/2的四个能级，裂距为ΔE=g3μNB，ge为激发态核的朗德g因子。由选择定那么，Δm=±1,共有六种跃迁。本实验所用的是穆斯堡尔透射式谱仪探测器驱动器探测器驱动器线性放大器分析器信号发生器驱动线圈拾波线圈样品前置放大器数据采集系统穆斯堡尔谱仪装置示意图同步信号道信号透射式谱仪的结构图如上图所示，其中包括以下几个主要局部：放射源：放射源是一个具有较大的无反冲分数的γ光子源。对57Fe源，一般使用单色源〔即发射单一能量的光子〕。通常将放射性母核57Co扩散到Pd、Rh或Pt这类结构对称性高、非磁性、德拜温度高且化学性能稳定的金属衬底中制得。极化源是通过将57Co扩入α-Fe中制得，源强从假设干mCi至数百mCi。本实验中使用的放射源是将57Co扩散到Pd中制成的。驱动系统：驱动器提供穆斯堡尔放射源所需要的多普勒速度。它由函数发生器、前置放大器和电磁驱动器构成。函数发生器产生所需要的速度波形，如常用的三角波和正弦波〔本实验采用三角波驱动〕，这样就可以同时向工作在多路定标方式〔又称时间方式〕的多道分析器或者计算机发送同步信号，使振子的运动与多道分析器记录数据的工作同步，也就是使源在某一个特定速度时发出的透过样品的γ光子产生的信号总是记录在某一个特定的道中〔每道相当于一个计数器〕，前置放大器提供振子运动所需的功率，振子载着放射源运动。驱动速度随样品而定，速度定得过小会损失信号，过大又会降低精度。iii.探测器和记录系统：这局部装置由γ射线探测器、放大器、单道分析器、多道分析器、采集卡和计算机组成。探测器多用正比计数器或NaI闪烁计数器，其输出脉冲经前置放大器和线性放大器放大后进入单道分析器。单道分析器选择出与穆斯堡尔效应有关的信号，将这些信号送入工作在多路定标方式的多道分析器中，此时的多道分析器的每一个道都相当于一个计数器，他们按次序记录不同时刻〔相应于放射源不同的多普勒速度〕到达探测器的γ光子数，每道中的计数就构成了穆斯堡尔图谱。计算机通过采集卡采集到这些信息，然后把它们记录在一个文件中，以供解谱时使用。吸收体：在这里，吸收体就是所要研究的样品。〔发射谱吸收的情况与此不同，放射源是试样，吸收体是一致的单能量跃迁的标准吸收体〕样品必须含有与源中相同的穆斯堡尔核，不同的是，样品中的穆斯堡尔核处于基态。对于不含穆斯堡尔原子的固体，可以将某种适宜的穆斯堡尔核人为地引入所要研究的固体，即将穆斯堡尔核作为为探针进行间接研究，也能得到不少有用的信息。【实验内容】1、熟悉穆斯堡尔谱仪的装置。2、 在不存在吸收体时用多道分析器测量放射源的能谱。此时，可以看出6.4keV、14.4keV、123keV等明显的峰。调节两个阈值电位器，滤掉不需要的射线，确定上下阈值，只保存14.4keV的峰。3、调节驱动电源，用示波器监视三角波信号或差误信号，使电磁驱动器正常工作。4、测量α-Fe做吸收体时的穆斯堡尔谱，记录六个吸收峰的道址和计数值数据。对α-Fe的测量结果如下表所示：表一序号123456道址v118178236281339399峰值212712252425588260232248221320以下实验中的常数，μN=3.152452×10-8eV/T=5.050824×10-27J/T1mm/s：~4.80766×10-8eVα-Fe的内磁场B=33Tα-Fe的ν6-ν1=10.656mm/s，重心位置：-0.185mm5、对实验数据进行处理：〔1〕计算道增益K：实验中已经测得的是道址和γ射线透射计数的函数关系。由于α－Fe已经被屡次精确测量过，相应值具有较高准确度，所以通常采用α－Fe作为标样来校准和标定谱仪。设已经测量得到的α－Fe六线谱的位置分别对应的道址为n1，n2，n3，n4，n5，n6，而已经知道一六峰所对应的速度差为v6－v1＝10.656mm/s，那么每一个道址所对应的速度增量〔即道增益〕为。〔2〕重心道址n和零速度所对应的道址n0：我们采用的放射源是衬底为Pd的57Co放射源，通常可以写为57Co／Pd。用此放射源测量得到的α－Fe六线谱的位置应该在－0.185mm/s的位置。它相当于这个放射源与标准样品α－Fe之间的同质异能移。所以我们可以根据来计算出实验中测量得到的α－Fe谱的重心道址n。然后就可以由及定出零速度所对应的道址：〔3〕求出α－Fe的∆Ee，∆Eg，由α-Fe的内磁场B＝33T，计算57Fe的基态与第一激发态的郎德因子ge，gg。由计算上面几个量为：表二：工程数据道增益K/mms-1道-10.0379重心道址n258.5零速度道址n0263.381ΔEg/eV1.87677E-07ΔEe/eV1.05682E-07gg0.180405025ge0.1015870926、测量gss5做吸收体时的穆斯堡尔谱，记录相应数据。对gss5的测量结果及计算结果如下表所示：表三：工程数据序号道址v峰值12421496382256150178重心道址n’249同质异能移位δ/eV0.36005四极裂距Δ/eV0.5306这里用到了公式：，，【思考题】1、对实验中用的放射源：〔1〕不同衬底的放射源测量出的超精细参数是否均相同，为什么？答：不同，因为还有其他因素可能对超精细参数造成影响。〔2〕考虑一下放射源的选择有哪些因素。答：为了得到较好的穆斯堡尔谱线的强度和宽度，选择放射源