1、近代物理測(cè)試技術(shù),制作人：高強(qiáng),1 正電子湮沒技術(shù)與穆斯堡爾譜,正電子湮沒技術(shù),正電子是電子的反粒子，其基本屬性與電子對(duì)稱。,*B(玻爾磁子)=5.78810-11Me VT-1,1930年，狄拉克首次在理論上預(yù)言了正電子的存在。他提出了著名的相對(duì)論量子力學(xué)方程狄拉克方程，而在求解時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)能態(tài)的解，于之對(duì)應(yīng)的本征波函數(shù)即相應(yīng)于正電子波函數(shù)。 當(dāng)時(shí)正在利用威爾遜云室研究宇宙射線所產(chǎn)生的次級(jí)電子能譜的安德遜，在并不了解狄拉克預(yù)言的情況下，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了正電子。 同時(shí)，我國(guó)著名物理學(xué)家趙忠堯，首次觀測(cè)到了正電子湮沒輻射。,正電子湮沒技術(shù)在原子物理、固體物理、材料科學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等方面有

2、廣闊的應(yīng)用前景。 正電子是很不穩(wěn)定的，它碰到電子就會(huì)湮沒，即電子與正電子消失并產(chǎn)生光子。在多數(shù)情況下，產(chǎn)生出的兩個(gè)光子以相反方向射出，如下頁(yè)圖。,電子,正電子,湮沒對(duì),光子,光子,質(zhì)量轉(zhuǎn)換成能量,180。,正電子湮沒實(shí)驗(yàn)中所用的正電子一般來(lái)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(jīng)歷的時(shí)間稱為正電子的壽命。 如果固體中存在空位、位錯(cuò)或空洞等缺陷，由于缺陷對(duì)正電子的捕獲作用，正電子將局域在缺陷附近湮沒。而缺陷附近的平均電子密度一般較低，故正電子壽命變長(zhǎng)。,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

3、，約增大23%。 利用這一缺陷捕獲效應(yīng)，可追蹤樣品形變、退火回復(fù)等過程中缺陷的發(fā)展與變化。 由于在缺陷部位與正電子相復(fù)合的電子平均動(dòng)量較小，使湮沒時(shí)發(fā)出的 射線以511keV為中心的多普勒展寬變窄（圖10.2） 用適當(dāng)?shù)膮?shù)描述譜線形狀的變化，同樣可獲取有關(guān)缺陷捕獲效應(yīng)的信息。此即多普勒增寬測(cè)量。 圖10.3所示為經(jīng)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(xù)增大，表明了空位的聚團(tuán)。,圖10.4所示為電子幅照純鉬和摻雜有200ppm氮的鉬在退火過程中捕獲態(tài)正電子壽命和強(qiáng)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

4、質(zhì)對(duì)空位團(tuán)形成過程的影響。,所示為,穆斯堡爾譜,1961年，年輕的物理學(xué)家穆斯堡爾（RLMossbauer）由于研究射線無(wú)反沖共振吸收即發(fā)現(xiàn)穆斯堡爾效應(yīng)分享到了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)出射線，射線作為一種波長(zhǎng)極短的光波，在與同類原子核作用時(shí)，理應(yīng)存在類似于原子的共振吸收。 但這一共振現(xiàn)象在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)未能觀測(cè)到。 原因在于光子的能量要比原子發(fā)光發(fā)出的光子的能量高得多。原子發(fā)光時(shí)光子能量一般為幾個(gè)電子伏特，而光子的能量則為幾十KeV至幾個(gè)MeV。 原子發(fā)光時(shí)，原子的反沖能可完全忽略，光子的能量就等于原子的激發(fā)能，它又正好能使另一同類原子發(fā)生共振吸收。,在躍遷時(shí)，由于光子

5、的能量很高，相應(yīng)的動(dòng)量大得多，原子核在發(fā)射光子時(shí)，本身要向后反沖，原子核激發(fā)能中的一部分變成了核的反沖能，發(fā)出的光子的能量就要小于激發(fā)能。 不僅如此，當(dāng)光子與另一同類核 作用時(shí)，光子的能量中又有一部分變?yōu)楹说那皼_能，使激發(fā)核的光子的能量進(jìn)一步減小，光子就不能使原子核激發(fā)而出現(xiàn)共振吸收了。 理論推導(dǎo)表明，要想把原子核激發(fā)到能量為Eo的激發(fā)態(tài)， 射線的能量h必須大于Eo,而有 由此可見，同一激發(fā)態(tài)的射線發(fā)射譜線和吸收,譜線的能量要相差 （圖10.5）。 影響共振吸收的因素還有激發(fā)能級(jí)的寬度。由于原子的激發(fā)態(tài)具有一定的壽命，（一般在 之間）根據(jù)不確定關(guān)系 可估算出激發(fā)能級(jí)寬度約為 。 由于基態(tài)壽命為

6、無(wú)窮大，其能級(jí)寬度為零，故激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度也就是該激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)出的射線的能量寬度，稱為譜線的自然寬度。,考慮譜線展寬后，同一激發(fā)態(tài)的射線發(fā)射譜線和吸收譜線的能量差實(shí)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(fā)生。 若E，兩譜線大部重合，就會(huì)發(fā)生顯著的躍遷，反之則共振吸收不能發(fā)生。 對(duì)于一般的原子核， E，故共振吸收不能發(fā)生。 要想觀察到射線在原子核上的共振吸收，必須設(shè)法補(bǔ)償反沖能量損失。這可利用多普勒效應(yīng)，即，使源向吸收體運(yùn)動(dòng)。 要使源相對(duì)于吸收體運(yùn)動(dòng)，可采取兩種辦法。（1）把放射源涂在高速運(yùn)動(dòng)圓盤的邊上（2）提,高放射源和吸收體的溫度。 1958年Mak Pl

7、anck 研究所的博士生 Mossbauer正是按照上述思路進(jìn)行了共振吸收研究。他使Ir發(fā)出的射線射到Ir的吸收體上，再測(cè)量穿過吸收體后的射線的強(qiáng)度。發(fā)生共振吸收時(shí)， 射線的強(qiáng)度會(huì)大大減弱。 考慮到熱運(yùn)動(dòng)會(huì)引起譜線的多普勒增寬，有利于共振吸收， Mossbauer 預(yù)期降溫會(huì)使共振吸收減弱，但當(dāng)他在低溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)， 卻急劇增大。 Mossbauer 分析后認(rèn)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(gè)整體來(lái)吸收反沖動(dòng)量。這就是無(wú)反沖的共振吸收。 Mossbauer 效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)立即在物理學(xué)界引起了轟,動(dòng)，因?yàn)槔眠@一效應(yīng)可使能譜的測(cè)量精度提高到空前的高度。例如，對(duì)于Ir的129eV

8、的譜線，能量分辨率可達(dá)10 由于Mossbauer 譜包含有與吸收核的物理、化學(xué)環(huán)境有關(guān)的信息，因此很快發(fā)展成為一種譜學(xué)，并獲得廣泛應(yīng)用：（1）直接利用它 的高分辨率來(lái)測(cè)量很小的能量變化，速度變化（2）通過超精細(xì)相互作用引起的Mossbauer 譜的變化獲得物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的信息。 典型的應(yīng)用實(shí)例有（1）在生物學(xué)中，用于測(cè)量生物大分子體系如含鐵蛋白質(zhì)、氨基酸及其微生物、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(xué)和考古學(xué)中，用于判斷古陶器年代，測(cè)量煤、油巖石的成分及結(jié)構(gòu)。 （3）在物理學(xué)中研究物理冶金過程，進(jìn)行相分析和缺陷研究；進(jìn)行引力紅移驗(yàn)證。 （4）在化學(xué)中

9、研究配位化學(xué)，多相催化。,2 核磁共振,1946年，美國(guó)哈佛大學(xué)的珀賽爾（EMPurcell）和斯坦福大學(xué)的布絡(luò)赫（FBloch）分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象（Nuclear Magnetic Resonance,簡(jiǎn)稱NMR），并因此共同獲得了1952年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,核自旋和核磁矩,核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用且滿足一定條件時(shí)所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)象。 根據(jù)量子力學(xué)，原子核的自旋 是核內(nèi)所有核子自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的矢量和，,其大小為 式中I為核自旋量子數(shù)。 在外磁場(chǎng)方向的投影值為 (M=I,I-1,-I, 稱為自旋磁量子數(shù)) 單個(gè)核子的自旋I都等于1/2，原子核的自

10、旋則取決于它所包含的核子數(shù)及核電荷數(shù)。A和Z均為偶數(shù)的核，其自旋均為零；A為偶數(shù)Z為奇數(shù)的核，I為整數(shù)；A為奇數(shù)的核 I則為半整數(shù)。 若原子核的核自旋不為零，則核就具有磁矩 ，它與自旋的關(guān)系為,核磁矩在外磁場(chǎng)方向的投影為 (M=I,I-1,.-I) 記 稱為核磁子，則 其最大值 就稱為核的磁矩。 核磁矩與外場(chǎng)的相互作用和核磁共振 磁矩與外磁場(chǎng)的相互作用能為,式中 稱為旋磁比。 由于I一定時(shí)M有2I+1個(gè)取值，故相互作用能有2I+1個(gè)數(shù)值，即相互作用能是量子化的。 由于核磁矩與磁場(chǎng)的相互作用，當(dāng)原子核處于一恒定外磁場(chǎng)中時(shí)，原來(lái)的一個(gè)核能級(jí)將分裂成2I+1個(gè)子能級(jí)。 對(duì)于I=1/2和I=3/2的核

11、，其基態(tài)能級(jí)的分裂如圖10-8所示。 由于兩相鄰子能級(jí)的M值相差為1，故其能量差,這稱為能級(jí)的裂距。 對(duì)于處于恒定外磁場(chǎng)中的原子核，若再加一交變電磁場(chǎng)，即可引起核在子能級(jí)間的躍遷。根據(jù)選擇定則，只有兩相鄰子能級(jí)間的躍遷才是允許的，于是，當(dāng)交變電磁場(chǎng)的頻率所對(duì)應(yīng)的能量h恰等于核的兩相鄰子能級(jí)的能量差時(shí)，處于低子能級(jí)的原子核即可吸收能量躍遷到高子能級(jí)。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。,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(chǎng)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(shí)驗(yàn)裝置采用的是連續(xù)波

12、法，即以交變電磁場(chǎng)連續(xù)地作用到樣品上，觀察電磁場(chǎng)吸收率的變化。 實(shí)用上又有兩種不同的方式：掃場(chǎng)法和掃頻法。 在掃場(chǎng)法中，交變電磁場(chǎng)的頻率固定，連續(xù)改變外磁場(chǎng)的大小，當(dāng)外磁場(chǎng)滿足共振條件時(shí)，交變電磁場(chǎng)的能量將被強(qiáng)烈吸收，因而可觀察到吸收率的峰值。,在掃頻法中，外磁場(chǎng)保持固定不變，連續(xù)改變電磁場(chǎng)的頻率，當(dāng)共振條件滿足時(shí)，同樣可觀察到吸收峰。 圖10-9為一連續(xù)波法核磁共振裝置的簡(jiǎn)圖。圖中的磁體繞有掃描線圈。射頻發(fā)生器提供交變磁場(chǎng)，產(chǎn)生的吸收信號(hào)由樣品管外的接收器線圈感應(yīng)，經(jīng)放大后輸入數(shù)據(jù)記錄儀。 除連續(xù)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(chǎng)以脈沖方式作用到樣品上，采集時(shí)域共

13、振信號(hào)后再進(jìn)行富里哀變換，得到頻域的共振信號(hào)。這一方法的特點(diǎn)是靈敏度高，分析速度快，精確度好。,核磁共振技術(shù)應(yīng)用,核磁共振有著十分廣泛的應(yīng)用。 早期，它主要用于核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究。 后來(lái)則用于分子組成和結(jié)構(gòu)的分析，生物組織、活體組織的分析，病理分析、醫(yī)療診斷及產(chǎn)品無(wú)損監(jiān)測(cè)等方面。 從技術(shù)手段上來(lái)說(shuō)，核磁共振的應(yīng)用主要是核磁共振波譜的應(yīng)用和核磁共振成象的應(yīng)用兩個(gè)方面。 （1）核磁共振波譜在物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用。,1）化學(xué)位移 由于原子核所處化學(xué)環(huán)境不同而引起共振頻率的不同。其定義為 （掃頻法） 或 （掃場(chǎng)法） 2）核磁共振譜 核磁共振譜就是吸收率（縱坐標(biāo)）對(duì)化學(xué)位移（橫坐標(biāo)）的曲線圖。 圖10-

14、10是乙基苯的核磁共振譜。位于不同化學(xué),基團(tuán)中的氫核，因化學(xué)環(huán)境不同而有不同的化學(xué)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(qiáng)度畫成階梯式的曲線，其高度即代表峰面積的相對(duì)值。由圖10-10可見，乙基苯中三個(gè)化學(xué)基團(tuán)中氫核數(shù)之比為5：2：3。 （2）核磁共振成像及其應(yīng)用。 核磁共振成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最早是1973年由Lautber發(fā)表的。經(jīng)過不到十年的發(fā)展，核磁共振成像已進(jìn)入臨床應(yīng)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(jiǎn)稱NMR CT.,由于人體中含有大量水分，而病變會(huì)使人體組織

15、中的含水量發(fā)生變化，因此，通過NMR CT測(cè)定水含量的分布即可找出病變部位。 圖10-11 是用NMR CT測(cè)出的人腦的斷面圖。,3 掃描隧道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(gè)原子像是電子顯微學(xué)家長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。 二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來(lái)的掃描隧道顯微鏡(STM)是顯微技術(shù)的一項(xiàng)突破性進(jìn)展。 我國(guó)科學(xué)工作者于1987年11月成功地研制出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡，其分辨率達(dá)到原子級(jí)，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(shí)用的STM裝置，大大地縮短了我國(guó)在顯微技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。,STM的特點(diǎn),（1）可在真實(shí)空間直接得出表面結(jié)構(gòu)的三維圖象。放大倍

16、數(shù)可達(dá)數(shù)千萬(wàn)倍。橫向分辨率和縱向分辨率分別達(dá)到0.1nm 和0.005nm。 （2）不需任何光學(xué)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(duì)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(yīng),金屬的表面勢(shì)壘 金屬中的電子在金屬表面受到如圖10-13 所示的勢(shì)壘的作用。,由量子力學(xué)可知，金屬表面以外的電子密度隨x增大而按指數(shù)衰減，衰減長(zhǎng)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(huì)發(fā)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(shù)Ko的關(guān)系為 （

17、10-25） 對(duì)于兩塊均勻金屬的表面，,由（10-25）式可知，隧道電流對(duì)于兩金屬間的距離十分敏感。這是STM的基本出發(fā)點(diǎn)。 若將一塊已知功函數(shù)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(guān)系 式中 為功函數(shù)的平均值。 如s以0.1nm為單位。則A的量值為1。的量級(jí)為幾個(gè)eV。當(dāng)s變化0.1nm時(shí)，J就會(huì)有數(shù)量級(jí)的變化。,STM裝置,圖10-14 是STM裝置的簡(jiǎn)圖。 為壓電探針驅(qū)動(dòng)器，S為樣品，L為粗調(diào)驅(qū)動(dòng)器。,假設(shè)樣品表面的功函數(shù)為定值，當(dāng)探針在x-y方向沿樣品表面掃描時(shí)，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(huì)隨表面的高低而

18、變動(dòng)，從而得到z作為（x，y）的函數(shù)，即三維的表面圖象。 STM的原理雖然簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)和制作卻十分困難。主要技術(shù)難點(diǎn)包括：（1）消除各種震動(dòng)的影響，使探針表面的間隙保持恒定；（2）采用特殊技術(shù)使探針表面的間隙保持為1nm；（3）制作穩(wěn)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(tǒng)（IBM蘇黎世模式）,樣品S固定在一個(gè)叫做“虱子”的粗調(diào)驅(qū)動(dòng)器上?！笆印庇蓧弘姴牧蠅KPP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就被吸在GP上。 如將一只MF 固定在GP上，同時(shí)在PP上加一電壓，使PP收縮，則另兩

19、個(gè)MF就會(huì)作微小移動(dòng)。再把這兩只MF固定而放松第一只MF，同時(shí)去掉PP上的電壓，PP恢復(fù)原狀，結(jié)果“虱子”就爬行了一步。,適當(dāng)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(dòng)到與探針距離適當(dāng)?shù)奈恢茫部蓪悠窂奶结樚幰崎_。 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(qū)動(dòng)器上。在任一腳上加上電壓，該腳就會(huì)伸長(zhǎng)或收縮，驅(qū)使探針朝該方向移動(dòng)。每0.1V電壓可使探針移動(dòng)0.1nm，移動(dòng)范圍可達(dá)1000nm。在平行于表面的方向上加一三角形電壓，掃描速度可達(dá)nm/s。 在平行表面掃描的同時(shí)

20、，通過累加反饋,系統(tǒng)把輸出反饋電壓加到上,從而調(diào)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，亦即反映了表面的高低輪廓。 因?yàn)閴弘姴牧显诿糠妷合庐a(chǎn)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(shù)關(guān)系就是表面的圖象。,STM的應(yīng)用,（1）表面原子結(jié)構(gòu)研究。 STM能直接在真實(shí)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(jié)構(gòu)提供了一種有力工具。 這方面最成功的應(yīng)用就是確定了Si(111)表面存在的77超晶格結(jié)構(gòu)。 （2）表面電子態(tài)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聚焦電子束，可進(jìn)行毫微米刻蝕