1、近代物理測試技術近代物理測試技術制作人：高強1 正電子湮沒技術與正電子湮沒技術與穆斯堡爾譜穆斯堡爾譜正電子湮沒技術 正電子是電子的反粒子，其基本屬性與電子對稱。物 理 量單位正電子電子靜止質量g9.1110-289.1110-28自 旋h1/21/2電 荷e+1+1磁 矩*B+1+1*B(玻爾磁子)=5.78810-11Me VT-1 1930年，狄拉克首次在理論上預言了正電子的存在。他提出了著名的相對論量子力學方程狄拉克方程，而在求解時出現了一個負能態的解，于之對應的本征波函數即相應于正電子波函數。 當時正在利用威爾遜云室研究宇宙射線所產生的次級電子能譜的安德遜，在并不了解狄拉克預言的情況下

2、，在試驗中發現了正電子。 同時，我國著名物理學家趙忠堯，首次觀測到了正電子湮沒輻射。 正電子湮沒技術在原子物理、固體物理、材料科學、化學、醫學、生物學等方面有廣闊的應用前景。 正電子是很不穩定的，它碰到電子就會湮沒，即電子與正電子消失并產生光子。在多數情況下，產生出的兩個光子以相反方向射出，如下頁圖。電子正電子湮沒對光子光子質量轉換成能量180。 正電子湮沒實驗中所用的正電子一般來自放射性同位素的+衰變，而最常用的+源是放射性同位素22Na。 正電子從射入固體開始到湮沒位置所經歷的時間稱為正電子的壽命。 如果固體中存在空位、位錯或空洞等缺陷，由于缺陷對正電子的捕獲作用，正電子將局域在缺陷附近湮

3、沒。而缺陷附近的平均電子密度一般較低，故正電子壽命變長。 例如，正電子在Al 單孔位中湮沒壽命為205ps,而在完整的Al晶體中壽命為167ps，約增大23%。 利用這一缺陷捕獲效應，可追蹤樣品形變、退火回復等過程中缺陷的發展與變化。 由于在缺陷部位與正電子相復合的電子平均動量較小，使湮沒時發出的 射線以511keV為中心的多普勒展寬變窄（圖10.2） 用適當的參數描述譜線形狀的變化，同樣可獲取有關缺陷捕獲效應的信息。此即多普勒增寬測量。 圖10.3所示為經電子和中子輻照的鉬在退火過程中正電子壽命隨退火溫度的變化。 隨退火溫度的升高而連續增大，表明了空位的聚團。2 圖10.4所示為電子幅照純鉬

4、和摻雜有200ppm氮的鉬在退火過程中捕獲態正電子壽命和強度隨退火溫度的變化。 與純鉬相比，摻雜的鉬空位遷移溫度明顯移后，且最大壽命變大，顯示了雜質對空位團形成過程的影響。所示為穆斯堡爾譜 1961年，年輕的物理學家穆斯堡爾（RLMossbauer）由于研究射線無反沖共振吸收即發現穆斯堡爾效應分享到了諾貝爾物理學獎。022eepimnez 原子核從激發態躍遷到基態時會發出射線，射線作為一種波長極短的光波，在與同類原子核作用時，理應存在類似于原子的共振吸收。 但這一共振現象在很長一段時間內未能觀測到。 原因在于光子的能量要比原子發光發出的光子的能量高得多。原子發光時光子能量一般為幾個電子伏特，而

5、光子的能量則為幾十KeV至幾個MeV。 原子發光時，原子的反沖能可完全忽略，光子的能量就等于原子的激發能，它又正好能使另一同類原子發生共振吸收。 在躍遷時，由于光子的能量很高，相應的動量大得多，原子核在發射光子時，本身要向后反沖，原子核激發能中的一部分變成了核的反沖能，發出的光子的能量就要小于激發能。 不僅如此，當光子與另一同類核 作用時，光子的能量中又有一部分變為核的前沖能，使激發核的光子的能量進一步減小，光子就不能使原子核激發而出現共振吸收了。 理論推導表明，要想把原子核激發到能量為Eo的激發態， 射線的能量h必須大于Eo,而有 由此可見，同一激發態的射線發射譜線和吸收2200R0Mc2E

6、EEEh 譜線的能量要相差 （圖10.5）。 影響共振吸收的因素還有激發能級的寬度。由于原子的激發態具有一定的壽命，（一般在 之間）根據不確定關系 可估算出激發能級寬度約為 。 由于基態壽命為無窮大，其能級寬度為零，故激發態的能級寬度也就是該激發態向基態躍遷時發出的射線的能量寬度，稱為譜線的自然寬度。RE22/tE810981010981010eV104 考慮譜線展寬后，同一激發態的射線發射譜線和吸收譜線的能量差實際上指的是兩譜線中心的能量之差，而在兩譜線的重疊部分，共振吸收仍可發生。 若E，兩譜線大部重合，就會發生顯著的躍遷，反之則共振吸收不能發生。 對于一般的原子核， E，故共振吸收不能發

7、生。 要想觀察到射線在原子核上的共振吸收，必須設法補償反沖能量損失。這可利用多普勒效應，即，使源向吸收體運動。 要使源相對于吸收體運動，可采取兩種辦法。（1）把放射源涂在高速運動圓盤的邊上（2）提 高放射源和吸收體的溫度。 1958年Mak Planck 研究所的博士生 Mossbauer正是按照上述思路進行了共振吸收研究。他使Ir發出的射線射到Ir的吸收體上，再測量穿過吸收體后的射線的強度。發生共振吸收時， 射線的強度會大大減弱。 考慮到熱運動會引起譜線的多普勒增寬，有利于共振吸收， Mossbauer 預期降溫會使共振吸收減弱，但當他在低溫下進行實驗時， 卻急劇增大。 Mossbauer

8、分析后認為這可能是原子核在低溫下完全被晶格所束縛，使晶體作為一個整體來吸收反沖動量。這就是無反沖的共振吸收。 Mossbauer 效應的發現立即在物理學界引起了轟 動，因為利用這一效應可使能譜的測量精度提高到空前的高度。例如，對于Ir的129eV的譜線，能量分辨率可達10 由于Mossbauer 譜包含有與吸收核的物理、化學環境有關的信息，因此很快發展成為一種譜學，并獲得廣泛應用：（1）直接利用它 的高分辨率來測量很小的能量變化，速度變化（2）通過超精細相互作用引起的Mossbauer 譜的變化獲得物質微觀結構的信息。 典型的應用實例有（1）在生物學中，用于測量生物大分子體系如含鐵蛋白質、氨基

9、酸及其微生物、核酸、碳水化合物等中氧和二氧化碳的傳遞過程；光合作用，酶催化等。 （2）在礦物學和考古學中，用于判斷古陶器年代，測量煤、油巖石的成分及結構。 （3）在物理學中研究物理冶金過程，進行相分析和缺陷研究；進行引力紅移驗證。 （4）在化學中研究配位化學，多相催化。2 核磁共振核磁共振 1946年，美國哈佛大學的珀賽爾（EMPurcell）和斯坦福大學的布絡赫（FBloch）分別獨立地發現了核磁共振現象（Nuclear Magnetic Resonance,簡稱NMR），并因此共同獲得了1952年的諾貝爾物理學獎。核自旋和核磁矩 核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁場和高頻磁場同時作用且滿足一定

10、條件時所發生的共振吸收現象。 根據量子力學，原子核的自旋 是核內所有核子自旋角動量和軌道角動量的矢量和，IP 其大小為 式中I為核自旋量子數。 在外磁場方向的投影值為 (M=I,I-1,-I, 稱為自旋磁量子數) 單個核子的自旋I都等于1/2，原子核的自旋則取決于它所包含的核子數及核電荷數。A和Z均為偶數的核，其自旋均為零；A為偶數Z為奇數的核，I為整數；A為奇數的核 I則為半整數。 若原子核的核自旋不為零，則核就具有磁矩 ，它與自旋的關系為) 1I ( IPIIPMPIzpm2eINpPgm2e 核磁矩在外磁場方向的投影為 (M=I,I-1,.-I) 記 稱為核磁子，則 其最大值 就稱為核的

11、磁矩。 核磁矩與外場的相互作用和核磁共振 磁矩與外磁場的相互作用能為Mgm2ePgm2eMNpIzNpzpNm2eMgMNNzIgNN 式中 稱為旋磁比。 由于I一定時M有2I+1個取值，故相互作用能有2I+1個數值，即相互作用能是量子化的。 由于核磁矩與磁場的相互作用，當原子核處于一恒定外磁場中時，原來的一個核能級將分裂成2I+1個子能級。 對于I=1/2和I=3/2的核，其基態能級的分裂如圖10-8所示。 由于兩相鄰子能級的M值相差為1，故其能量差MBMBgBBENNNz外外外外MBMBgBBENNNz外外外外NNNpNggm2e 這稱為能級的裂距。 對于處于恒定外磁場中的原子核，若再加一

12、交變電磁場，即可引起核在子能級間的躍遷。根據選擇定則，只有兩相鄰子能級間的躍遷才是允許的，于是，當交變電磁場的頻率所對應的能量h恰等于核的兩相鄰子能級的能量差時，處于低子能級的原子核即可吸收能量躍遷到高子能級。此即核磁共振的基本原理。 核磁共振的頻率為 這稱為共振頻率。外外BBgENNN外BgNN2BhBgNNN外外 若以圓頻率表示，則共振條件為 由此可見，共振條件取決于 。 不同的原子核，其旋磁比不同，在一定的外場作用下，共振頻率也不同。由此即可研究核 的特性。 常用的核磁共振的實驗裝置采用的是連續波法，即以交變電磁場連續地作用到樣品上，觀察電磁場吸收率的變化。 實用上又有兩種不同的方式：掃

13、場法和掃頻法。 在掃場法中，交變電磁場的頻率固定，連續改變外磁場的大小，當外磁場滿足共振條件時，交變電磁場的能量將被強烈吸收，因而可觀察到吸收率的峰值。外BN外和或B)g(NN 在掃頻法中，外磁場保持固定不變，連續改變電磁場的頻率，當共振條件滿足時，同樣可觀察到吸收峰。 圖10-9為一連續波法核磁共振裝置的簡圖。圖中的磁體繞有掃描線圈。射頻發生器提供交變磁場，產生的吸收信號由樣品管外的接收器線圈感應，經放大后輸入數據記錄儀。 除連續波法外，還有脈沖富里哀變換核磁共振法。在這一方法中，交變電磁場以脈沖方式作用到樣品上，采集時域共振信號后再進行富里哀變換，得到頻域的共振信號。這一方法的特點是靈敏度

14、高，分析速度快，精確度好。核磁共振技術應用 核磁共振有著十分廣泛的應用。 早期，它主要用于核結構和性質的研究。 后來則用于分子組成和結構的分析，生物組織、活體組織的分析，病理分析、醫療診斷及產品無損監測等方面。 從技術手段上來說，核磁共振的應用主要是核磁共振波譜的應用和核磁共振成象的應用兩個方面。 （1）核磁共振波譜在物質結構分析上的應用。 1）化學位移 由于原子核所處化學環境不同而引起共振頻率的不同。其定義為 （掃頻法） 或 （掃場法） 2）核磁共振譜 核磁共振譜就是吸收率（縱坐標）對化學位移（橫坐標）的曲線圖。 圖10-10是乙基苯的核磁共振譜。位于不同化學)ppm(106sRs)ppm(

15、10BBB6sRs 基團中的氫核，因化學環境不同而有不同的化學位移。在甲基，次甲基和苯基中的氫核分別為1.22ppm, 2.63ppm 和7.18ppm. 核磁共振譜儀中還配有電子積分器，可把譜線強度畫成階梯式的曲線，其高度即代表峰面積的相對值。由圖10-10可見，乙基苯中三個化學基團中氫核數之比為5：2：3。 （2）核磁共振成像及其應用。 核磁共振成像實驗結果，最早是1973年由Lautber發表的。經過不到十年的發展，核磁共振成像已進入臨床應用的階段。 最常用的核磁共振成像為平面成像，即獲取樣品斷面上的信息，簡稱NMR CT. 由于人體中含有大量水分，而病變會使人體組織中的含水量發生變化，

16、因此，通過NMR CT測定水含量的分布即可找出病變部位。 圖10-11 是用NMR CT測出的人腦的斷面圖。3 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡和原子力顯微鏡掃描隧道顯微鏡 直接觀察試樣中的單個原子像是電子顯微學家長期追求的目標。 二十世紀八十年代發展起來的掃描隧道顯微鏡(STM)是顯微技術的一項突破性進展。 我國科學工作者于1987年11月成功地研制出了國內第一臺掃描隧道顯微鏡，其分辨率達到原子級，并多次得到高定向石墨晶體的原子排列圖像。 此后，又制成了實用的STM裝置，大大地縮短了我國在顯微技術方面與發達國家的差距。STM的特點 （1）可在真實空間直接得出表面結構的三維圖象。放大

17、倍數可達數千萬倍。橫向分辨率和縱向分辨率分別達到0.1nm 和0.005nm。 （2）不需任何光學透鏡或電子透鏡。 （3）既可在真空也可在大氣甚至液體中觀察樣品，這對生物試樣尤為重要。 （4）沒有輻照損傷。STM的基本原理：電子隧道效應 金屬的表面勢壘 金屬中的電子在金屬表面受到如圖10-13 所示的勢壘的作用。 由量子力學可知，金屬表面以外的電子密度隨x增大而按指數衰減，衰減長度約為1mm。 隧道電流 如將兩塊金屬靠得很近（距離小于1mm），它們表面的電子云就會發生重疊。 如在這兩金屬間加一微小電壓，即可觀察到它們之間的隧道電流。 隧道電流與兩金屬電極的間距s及平均線衰減常數Ko的關系為 （

18、10-25） 對于兩塊均勻金屬的表面，) sAKexp(VJ0TT)(21K210 由（10-25）式可知，隧道電流對于兩金屬間的距離十分敏感。這是STM的基本出發點。 若將一塊已知功函數的電極做成針尖狀，作為探針。在另一電極（樣品）表面掃描，并保持兩者相距1nm，則隧道電流滿足關系 式中 為功函數的平均值。 如s以0.1nm為單位。則A的量值為1。的量級為幾個eV。當s變化0.1nm時，J就會有數量級的變化。) sAexp(VJ2/1TTSTM裝置 圖10-14 是STM裝置的簡圖。 為壓電探針驅動器，S為樣品，L為粗調驅動器。zyxP,P,P 假設樣品表面的功函數為定值，當探針在x-y方向

19、沿樣品表面掃描時，若保持隧道電流不變，則探針尖在垂直表面的方向（z方向）會隨表面的高低而變動，從而得到z作為（x，y）的函數，即三維的表面圖象。 STM的原理雖然簡單，但設計和制作卻十分困難。主要技術難點包括：（1）消除各種震動的影響，使探針表面的間隙保持恒定；（2）采用特殊技術使探針表面的間隙保持為1nm；（3）制作穩定而又能保證原子分辨率的探針尖；（4）保證足夠的掃描速度和掃描范圍。STM的掃描系統（IBM蘇黎世模式） 樣品S固定在一個叫做“虱子”的粗調驅動器上。“虱子”由壓電材料塊PP和三只金屬腳MF 組成。（圖10-15） 使MF與金屬底板GP相互絕緣，在MF和GP之間加上電壓， MF

20、就被吸在GP上。 如將一只MF 固定在GP上，同時在PP上加一電壓，使PP收縮，則另兩個MF就會作微小移動。再把這兩只MF固定而放松第一只MF，同時去掉PP上的電壓，PP恢復原狀，結果“虱子”就爬行了一步。 適當控制加在PP和MP上的電壓及其頻率，可使“虱子” 在GP上沿任意方向一步一步爬行，每一步在10nm 至1m之間，每秒可爬行步。 用這一方法，可將樣品移動到與探針距離適當的位置，也可將樣品從探針處移開。 掃描探針固定在由三根互相垂直的壓電材料三腳架（），即探針驅動器上。在任一腳上加上電壓，該腳就會伸長或收縮，驅使探針朝該方向移動。每0.1V電壓可使探針移動0.1nm，移動范圍可達1000

21、nm。在平行于表面的方向上加一三角形電壓，掃描速度可達nm/s。 在平行表面掃描的同時，通過累加反饋zyxP,P,PyxPP 和 系統把輸出反饋電壓加到上,從而調整探針表面間隙，以保證恒定的隧道電流。 隨探針位置(x,y)的變化，反映了 的運動狀態，亦即反映了表面的高低輪廓。 因為壓電材料在每伏電壓下產生多少埃的伸縮距離是已知的，所以 上的電壓 和 上電壓的函數關系就是表面的圖象。zVzPzVzPzPzVyxP,PSTM的應用 （1）表面原子結構研究。 STM能直接在真實空間給出表面三維圖象，并具有原子分辨率，從而為精確確定表面原子結構提供了一種有力工具。 這方面最成功的應用就是確定了Si(111)表面存在的77超晶格結構。 （2）表面電子態研究。 例如，電子密度波 （3）大氣中觀察生物樣品。 （4）納米尺度的加工和單原子的操縱。 STM中針尖下方的隧道電流猶如一束低能