梅斯堡效應
梅斯堡效應（Mössbauer effect），即原子核輻射的無反衝共振吸收。這個效應首先是由德國物理學家梅斯堡於1958年首次在實驗中實現的，因此被命名為梅斯堡效應。其主要應用是穆斯堡爾譜學。
理論上，當一個原子核由激發態躍遷到基態，發出一個γ射線光子。當這個光子遇到另一個同樣的原子核時，就能夠被共振吸收。但是實際情況中，處於自由狀態的原子核要實現上述過程是困難的。因為原子核在放出一個光子的時候，自身也具有了一個反衝動量，這個反衝動量會使光子的能量減少。同樣原理，吸收光子的原子核光子由於反衝效應，吸收的光子能量會有所增大。這樣造成相同原子核的發射譜和吸收譜有一定差異，所以自由的原子核很難實現共振吸收。迄今為止，人們還沒有在氣體和不太粘稠的液體中觀察到梅斯堡效應。
歷史
[編輯]1957年底，梅斯堡提出實現γ射線共振吸收的關鍵在於消除反衝效應。如果在實驗中把發射和吸收光子的原子核置於固體晶格中，那麼出現反衝效應的就不再是單一的原子核，而是整個晶體。由於晶體的質量遠遠大於單一的原子核的質量，反衝能量就減少到可以忽略不計的程度，這樣就可以實現梅斯堡效應。實驗中原子核在發射或吸收光子時無反衝的機率叫做無反衝分數f，無反衝分數與光子能量、晶格的性質以及環境的溫度有關。
梅斯堡使用191Os（鋨）晶體作γ射線放射源，用191Ir（銥）晶體作吸收體，於1958年首次在實驗上實現了原子核的無反衝共振吸收。為減少熱運動對結果的影響，放射源和吸收源都冷卻到88K。放射源安裝在一個轉盤上，可以相對吸收體作前後運動，用都卜勒效應調節γ射線的能量。191Os經過β-衰變成為191Ir的激發態，191Ir的激發態可以發出能量為129 keV的γ射線，被吸收體吸收。實驗發現，當轉盤不動，即相對速度為0時共振吸收最強，並且吸收譜線的寬度很窄，每秒幾厘米的速度就足以破壞共振。除了191Ir外，梅斯堡還觀察到了187Re、177Hf、166Er等原子核的無反衝共振吸收。
穆斯堡爾效應是最初用德語報導的物理學最後一個主要發現之一。 第一份英文報告是一封描述重複實驗的信件[1]。
由於這一發現工作，梅斯堡與對原子核電子散射研究的羅拔·霍夫施塔特(Robert Hofstadter)一起被授予1961年的諾貝爾物理學獎。
描述
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應用梅斯堡效應可以研究原子核與周圍環境的超精細相互作用，是一種非常精確的測量手段，其能量解像度可高達10-13，並且抗干擾能力強、實驗設備和技術相對簡單、對樣品無破壞。由於這些特點，梅斯堡效應一經發現，就迅速在物理學、化學、生物學、地質學、冶金學、礦物學、地質學等領域得到廣泛應用。近年來梅斯堡效應也在一些新興學科，如材料科學和表面科學開拓了應用前景。
截至2005年上半年，人們已經在固體和粘稠液體中實現了梅斯堡效應，樣品的形態可以是晶體、非晶體、薄膜、固體表層、粉末、顆粒、冷凍溶液等等，涉及40餘種元素90餘種同位素的110餘個躍遷。然而大部分同位素只能在低溫下才能實現梅斯堡效應，有的需要使用液氮甚至液氦對樣品進行冷卻。在室溫下只有57Fe、119Sn、151Eu三種同位素能夠實現梅斯堡效應。其中57Fe的 14.4 keV 躍遷是人們最常用的、也是研究最多的譜線。
梅斯堡效應對環境的依賴性很高。細微的環境條件差異會對梅斯堡效應產生顯著的影響。在實驗中，為減少環境帶來的影響，需要利用都卜勒效應對γ射線光子的能量進行細微的調製。具體做法是令γ射線輻射源和吸收體之間具有一定的相對速度，通過調整v的大小來略微調整γ射線的能量，使其達到共振吸收，即吸收率達到最大，透射率達到最小。透射率與相對速度之間的變化曲線叫做梅斯堡譜。應用梅斯堡譜可以清楚地檢查到原子核能階的移動和分裂，進而得到原子核的超精細場、原子的價態和對稱性等方面的資訊。應用梅斯堡譜研究原子核與核外環境的超精細相互作用的學科叫做梅斯堡譜學。
梅斯堡譜的寬度非常窄，因此具有極高的能量分辨本領。例如57Fe的 14.4 keV 躍遷，梅斯堡譜寬度與γ射線的能量之比ΔE/E~10-13，67Zn的 93.3 keV 躍遷ΔE/E~10-15，107Ag的93 keV 躍遷ΔE/E~10-22。因此梅斯堡效應一經發現就在各種精密頻差測量中得到廣泛應用。例如：
- 測量重力紅移 —— 重力引起的紅移量一般小於10-10數量級，歷史上應用梅斯堡效應首先對其進行了精密測量[2]。相對論預言，由於地球上不同高度重力位能不同，會引起光子離開地球時在不同高度的頻率不同，相差20米帶來的頻率測量變化為2×10-15。1960年，龐德和里布卡利用梅斯堡效應測量到了這個微小的變化[3]。
- 驗證邁克生-莫雷實驗 —— 1970年，伊薩克(G.R.Isaak)利用梅斯堡效應測量了地球相對於以太的速度[4]。實驗測得此速度的上限為5×10-5 km/s，基本證實了不存在地球相對於以太的運動。
梅斯堡譜在對含鐵材料的分析中起到了重要的作用，並被廣泛應用於化學，材料科學，礦物學和行星科學的研究中。2004年，NASA的「勇氣號」火星探測器使用其攜帶的梅斯堡譜儀對火星的古謝夫環形山表面的礦物進行了分析[5]。其對土壤中橄欖石成分的研究證實了古謝夫環形山表面的風化過程以物理風化作用為主。
參閱
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ Craig, P.; Dash, J.; McGuire, A.; Nagle, D.; Reiswig, R. Nuclear Resonance Absorption of Gamma Rays in Ir191. Physical Review Letters. 1959, 3 (5): 221. Bibcode:1959PhRvL...3..221C. doi:10.1103/PhysRevLett.3.221.
- ^ 楊福家, 原子物理學 第三版, 高等教育出版社, 2000, 350頁. ISBN 7-04-007940-2
- ^ Pound, R.V. & Rebka, G.A., Physical Review Letters, 4(1960)274.
- ^ Isaak, G.R., Physics Bulletin, 255(1970).
- ^ Science Vol. 305. no. 5685, pp. 833 - 836, 2004. [2009-10-15]. （原始內容存檔於2008-06-02）.