无反冲γ射线的共振吸收现象VIP免费

33卷第2期2011年2月物理教学PHYSICSTEACHINGVoI．33No．2Feb．2011无反冲射线的共振吸收现象-_—穆斯堡尔效应李士(中国科协发展研究中心北京100863)一、什么是穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应是由前西德科学家R·L·穆斯堡尔在1958年发现的，由于观察到的共振线宽非常窄，故此现象几乎立即引起物理学界的重视，三年之后获得了诺贝尔物理学奖。当时他仅仅32岁，后来这种现象被称为穆斯堡尔效应。对穆斯堡尔效应的研究发展极其迅速，现已成为专门的学科——穆斯堡尔谱学。为什么穆斯堡尔效应会引起全世界物理学界的兴趣和重视呢?这是因为穆斯堡尔效应的发现可同上世纪初发现的X射线衍射和电子显微技术相媲美，它解决了过去许多科学工作者利用原有技术手段难以解决的问题，其能量分辨率可达1O。～10(r／)。换句话说，穆斯堡尔效应可以作为一把精密的尺子，假如我们用此尺去量月球中心到地球中心的距离，可精确到百分之一的头发丝粗细。由于有如此高的能量分辨率，故在研究物质微观结构的自然科学各个领域中都应用了穆斯堡尔谱学。目前已经在44种元素，83种同位素中观察到穆斯堡尔效应。其中应用最广泛的是Fe的14．4keV的穆斯堡尔效应，这主要原因之一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揭开铁的微观奥秘的钥匙。什么是穆斯堡尔效应呢?穆斯堡尔效应其实就是无反冲核的7射线共振和吸收现象。大家知道，共振现象是物理学中的一个基本概念，在声学和原子光谱等方面，这种现象很容易实现。如大家都熟知的音叉共振和原子共振实验(用钠光源的光照到装有钠蒸气的玻璃瓶时，可观察到微弱的黄光)。除了音叉，分子和原子共振之外，原子核之间也可以发生共振吸收现象。我们先举一个生活中的实例来形象说明：假如河中小船上的人从船上往岸上跳时，我们知道小船会往后移动。这就是说，人从船上往岸上跳时，人所用的能量E0可分成两部分，传给小船·2‘的反冲能，而可利用的能量仅为E。同样，在原子核发射7射线和7射线的吸收过程中也存在这种现象，E]为第一激发态到基态的能量，ER是反冲能，E为7跃迁能量(见图1)。这样发射的了射线能量比实际能级问的能量E。少了一个反冲能，根据能量守恒定律：E0一E+ER在吸收7射线时也会有反冲能ER的作用。因此在原子核7射线的发射和吸收过程中其能量差为2E，这就是在一般的情况下看不到原子核之间的共振吸收现象的原因。激发态——放射源基态—磊一图1穆斯堡尔核过程简图穆斯堡尔的重大发现就在于成功地解决了这个问题。我们还是从前面所举的生活实例中看，假如冬天河水结冰，小船被冻结在河水中，这时人再从船上往岸上跳，我们知道小船不会往后移动，这就消除了反冲能的影响。基于这种考虑，如果将原子核像被冻结在水中的小船一样，使其固定在晶格位置上，或者以其他形式来补偿反冲损耗，是否能实现原子核之间的共振吸收呢?答案是肯定的。如果我们将射线作为光粒子来考虑，它的静止质量和能量E之间，根据爱因斯坦质能关系式可写成E一mc这里c是光速。若原子核的质量为M，原子核反冲33卷第2期物理教学速度为，根据动量守恒定律和能量守恒定律，反冲能可写成ERE3／2Mc。式中是”Fe核激发态和基态的能量差。另从原子核物理中知道，衰变的核态(具有平均寿命r)不是能量严格的定态，而是有一个能量不确定性r，称之为自然线宽，并由r和海森堡测不准关系确定：r·r—h／2兀这里h是普朗克常数。利用上式很容易计算和r。对于Fe核来说，ER一1．95×1O一。eV，r一4．67×1Cr_。eV。E比，一大几个数量级，所以在一般的情况下看不到原子核的共振现象。我们可以利用多普勒效应来调制丫射线的能量。假如一个能量为E的光粒子，以速度V0向着观察者运动，其能量变化AE为△E一(。／C)·Er对于卵Fe核的14．4keV7射线，1cm／s的速度相当于△E一4．80×10一eV。这与E相比是非常小的，但比自然线宽大两个数量级。这样，通过7射线的调制可实现共振吸收。图2是穆斯堡尔当初的实验装置，在实验中他将放射源装在转盘的边缘上，使放射源与吸收体之间相对运动。同时放射源和吸收体都可以在低温中冷却。探测放射源图2穆斯堡尔效应实验装置二、穆斯堡尔效应的应用穆斯堡尔效应由...