穆斯堡尔效应与磁结构研究

　　前面介绍各种磁性材料时，曾讲到其强磁性的来源是由于构成磁性材料的原子磁矩有一定规律的排列，称为磁有序。而且在磁性材料中从实验上和从理论上都表明和论证了有多种多样的磁有序，称为磁结构。但是怎样确定磁性材料中原子磁矩的微观结构呢？这里需要说明，原子磁矩实际上是原子中许多电子的总和磁矩，而没有考虑原子中的原子核磁矩。这是因为一般说来如电子和原子核等微观粒子，其质量越大，其表征磁性强弱的磁矩就越小。原子核的质量比电子质量约高2千倍或更高，所以原子核的磁矩就只有电子磁矩的大约2千分之一或更低。故一般讲到原子磁性时便忽略原子核的磁性，而只讲电子的磁性，因而把原子中的电子的总和磁矩称为原子磁矩。什么是穆斯堡尔效应？穆斯堡尔效应是指具有穆斯堡尔效应的原子核(称为穆斯堡尔核)中的低能级(称为基态能级)与较高能级(称为激发态能级)之间的跃迁变化。这些能级中包含有与穆斯堡尔核的磁性有关的能级(称为磁能级)及磁能级之间的跃迁。一般对磁性物质(材料)穆斯堡尔效应的研究主要便是对穆斯堡尔(原子)核的磁能级之间的跃迁。从原子核的磁能级之间的跃迁看，核磁共振同穆斯堡尔效应是相似的。但是核磁共振是在原子核的基态磁能级之间跃迁。基态磁能级之间能量相差较小，故同能量成正比的核磁共振频率较低，一般在射电频率(高频)和微波的范围。但是穆斯堡尔效应却是在穆斯堡尔(原子)核的基态磁能级与激发态磁能级之间的共振跃迁，因为基态磁能级与激发态磁能级之间的能量相差很大，故同能量成正比的穆斯堡尔效应频率便很高，

图3　石榴石型钇铁氧体 的穆斯堡尔谱(a-8面体 晶位 d-4面体晶位)

一般在γ射线的范围，故也称(原子)核γ共振。在利用穆斯堡尔效应研究磁性物质(材料)时，便可从磁性物质(材料)的穆斯堡尔谱来分析其磁结构。图3是石榴石型钇铁氧体(Y₃Fe₅O₁₂，简写为YIG)中⁵⁷Fe穆斯堡尔(原子)核在室温下的穆斯堡尔谱。一般磁有序物质穆斯堡尔谱为6条吸收线谱线，谱线的强度和距离同磁有序的情况有关。图中谱线的分裂显示磁有序物质中出现不同磁有序的磁亚点阵，结合其他方面的研究，可知这一铁氧体中的Fe离子以2:3的比例分布于8面体(a)和4面体(b)的磁亚点阵中。从这个例子可以看出，从原子核的穆斯堡尔效应的研究中可以得到磁有序物质(材料)的许多磁性和磁结构的重要信息。但是，还需要指出的是，目前已经观测到具有原子核穆斯堡尔效应的化学元素只有40多种，约为可进行核磁共振研究的化学元素的一半，而且只有Fe原子核的穆斯堡尔效应可以在室温下观测，其他大多数则需要在低温下观测。另外，从原子核的穆斯堡尔效应不仅可以得到磁性材料的磁结构等信息，而且还可以从其他穆斯堡尔参数如核电四极矩、核同质异能移位等得到磁性物质(材料)和其他许多物质(材料)的结构和性能等信息。这里只着重介绍了穆斯堡尔效应在磁学和磁性材料方面的特点和应用。