【摘 要】本文介绍了穆斯堡尔效应的基本概念和原理，说明了穆斯堡尔谱的产生及其特点，指出其应用领域和价值。
【关键词】穆斯堡尔谱；γ射线；共振吸收
穆斯堡尔谱学是二十世纪六十年代迅速发展起来的一门跨学科检测技术，它起源于原子核物理中的一个伟大发现——穆斯堡尔效应。此效应发现不久就获得了诺贝尔物理学奖，激起了物理学界和科学界的研究热情。由于穆斯堡尔谱拥有极高的能量分辨能力，可以探查原子核周围环境的微小变化信息，所以它成为研究物质微观结构的有力工具[1]。
1 穆斯堡尔效应简介
1958年，29岁的德国学者穆斯堡尔发表论文，明确地论述了一个实验——γ射线的无反冲原子核的共振吸收，后来这种实验现象被称为穆斯堡尔效应[2]。γ射线是一种波长极短的电磁波，不稳定的原子核在能量跃迁时会放出γ射线。而共振吸收是指当发射体系和吸收体系的频率一致时产生的共振现象，例如声学中“共鸣”，或电磁学中收音机的“调台”，穆斯堡尔效应就是原子核体系的共振现象，当入射γ射线能量等于原子核跃迁能量差时，就会发生γ射线的共振吸收。
其实，早在20世纪初科学家就已发现了原子体系的共振吸收现象，并预计到原子核体系也应该有类似现象，但在以后的30年内，原子核体系的共振吸收一直没有被观测到，原因在于共振具有很高的能量（频率）选择性，而原子核发射和吸收γ射线过程中存在反冲现象，反冲造成的能量差比谱线的自然宽度大好几个数量级，从而难以观察到自由原子核的γ射线共振吸收现象。
穆斯堡尔的成功就在于他解决了“反冲”问题。他将放射源和吸收体都进行了冷却，就好像水中的船被冰冻住一样，部分原子核被束缚在晶体的晶格位置，它在反射和吸收γ射线时，只要反冲能小于晶格中原子间的束缚能，那么反冲牵动的不再是单个原子核，而是整个晶格。而整个晶格的质量远远大于单个原子核的质量，反冲将会大大减弱，从而实现了无反冲核的共振吸收[2]。实验装置如图1所示：
图1 穆斯堡尔效应装置 图2 穆斯堡尔共振吸收谱
首次用来观察无反冲共振吸收的是191Ir的129KeV能级。该能级是由放射源191Os经衰变后形成的。放射源放在转盘B上，γ射线通过准直孔进入吸收体A，D为探测器，吸收体采用Ir和Pt进行对比，且整个装置处于低温中，实验结果如图2显示。图中曲线表明共振吸收实际上出现在源和吸收体相对速度为零的位置上，用这个方法测得191Ir的129KeV跃迁的自然线宽为4.6×10-6eV。结果表明此方法能量分辨率比原子共振荧光法还要高4至5个数量级，可以非常精确地测出源和吸收体之间的相对能量变化[2]。
应当指出，所谓“无反冲”其实不是绝对的，辐射和吸收的原子并不能完全牢固地束缚在晶格位置上，因为晶体的晶格处于不断的振动之中，我们只能说有一定几率实现穆斯堡尔无反冲过程，这个几率称为无反冲分数。目前已经有46种元素、91种同位素观测到穆斯堡尔效应。其中应用最广泛的是57Fe的14.4keV的穆斯堡尔效应，这主要是由于自然界中铁的自然丰度很高，故穆斯堡尔谱学又被形象地称为“铁钥匙”[2]。
当然，穆斯堡尔效应的应用也有一定的局限性。比如说，能观察到穆斯堡尔效应的只有四十多种元素，其中尤其缺少轻元素；除了少数穆斯堡尔同位素外，一般只有在低温下才能见到明显的穆斯堡尔效应；这一效应的应用限于在固体以及在少数粘稠和冷冻液体中，而在一般液体和气体中，穆斯堡尔效应是观察不到的[3]。
2 穆斯堡尔谱的产生及其应用
如前所述，当无反冲γ射线经过吸收体时，如果入射γ射线的能量与吸收体中的某些原子核的能级间跃迁能量相等，这种能量的γ射线就会被吸收体共振吸收。若要测出共振吸收的能量大小，必须发射一系列不同能量的γ射线，而利用多普勒效应就可对γ射线的能量进行调制。通过调整辐射源和吸收体之间的相对速度使其发生共振吸收，测得γ射线吸收率（或者透射率）与相对速度之间的变化曲线就称为穆斯堡尔谱[3-4]。
穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨率，与其他核谱学技术相比，其仪器硬件成本是非常便宜的，所研究的对象可以是导体、 半导体或绝缘体， 试样的制备技术也不复杂， 可以是晶体或非晶体的薄膜、固体表层或粉末，适用范围非常广泛[1]。
穆斯堡尔谱学的应用大体上可分为两类：一类是直接应用它的极高的分辨率来测量很小的能量变化、速度变化等，从而使一些原本无法开展的实验研究得以实现；另一类则是通过超精细相互作用所引起的穆斯堡尔谱的变化来获得物质微观结构方面的信息。
在物理学方面穆斯堡尔效应完成了一些开创性的实验，比如验证广义相对论的引力红移效应。引力红移是爱因斯坦提出的三个可以验证广义相对论的基本效应之一，根据广义相对论，在重力场作用下光子的频率会发生变化，當光子从重力场较强处发射到重力场较弱处时，光子的频率会变低，即向长波方向移动，这种效应称为红移。理论推算，如果在地面上发射能量为hγ的光子，它运动到距地面20m处，频率相对变化有2.2×10-15，如此小的变化用一般方法是很难测量的，但穆斯堡尔效应分辨率极高，可以进行这种精密的测量。1960年庞德基于穆斯堡尔效应在实验室条件下就验证了引力红移，使得测量极小变化的频移成为现实[1-2]。
另外，穆斯堡尔谱技术在凝聚态物理研究中作用明显，涉及固体物理、高分子材料学、磁学、低温物理等诸多方面[2-5]，利用穆斯堡尔谱可以了解材料中共振原子所处的价态、化学键、晶位以及磁结构、电子结构，可用来确定磁有序化温度、相变温度，对复杂物相可以进行定性或定量分析，研究材料表面效应、金属腐蚀的机理、半导体掺杂性质，为新材料合成提供有价值的信息[2]。
除了基础研究领域，穆斯堡尔谱在生物、地质、考古等应用领域也非常有效。比如在考古学中，穆斯堡尔谱可以分析古代陶器、瓷器中二价铁和三价铁含量的高低和比率，从而推断原料来源、烧制条件、工艺和温度等[6]，我国就曾经对兵马俑陶片及骊山粘土进行过相关分析，将考古学研究推向定量化。基于这一精密的“指纹”技术，古铜器、古颜料、古墨水也可进行相关鉴定，使得文物分类、赝品鉴定更加客观科学。
3 结语
穆斯堡尔谱学是目前谱学领域中一个理论完备、方法手段较多的研究工具，它已深入到凝聚态物理、生物、化学、冶金、地质、考古、环境科学等众多科学技术领域，近年来又在一些新兴科学如材料科学、表面科学等领域中开拓了应用的前景，可以说在研究物质微观结构的各个领域中几乎都有其踪迹[2-5]。穆斯堡尔谱学已成为核物理学与其它学科领域相互渗透、相互促进的一个中间纽带。可以预计，今后穆斯堡尔谱学依然会保持其诱人的魅力。
【参考文献】
[1]金永君.穆斯堡尔谱法及其应用[J].物理与工程，2004，14（5）：49-51.
[2]李士. 铁钥匙——穆斯堡尔谱学[M].武汉：湖南教育出版社，1994.
[3]张金升，尹衍升，张银燕，等.一种强有力的表征手段——穆斯堡尔谱学[J].现代仪器，2003， 40（6）：586-592.
[4]张宝峰.穆斯堡尔谱学[M].天津：天津大学出版社，1991.
[5]夏元复，陈懿 .穆斯堡尔谱学基础和应用[M].北京：科学出版社，1987.
[6]梁明亮， 郑国东， 梁收运等.穆斯堡尔谱技术在考古研究中的应用[J].文物保护与考古科学，2010，22（3）：81-86.
[责任编辑：曹明明]
