穆斯堡尔课程设计论文
四年级 记叙文 7721字 331人浏览 tdysosmt

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课程设计(报告)

题 目 穆斯堡尔谱测化合物中Fe 的应用 学院名称 核科学技术学院 指导教师 夏艳芳 职称讲师

班 级 核工123班 学 号 20124530324

学生姓名 李鑫

2015年10月01日

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摘要

穆斯堡尔效应是指γ射线的无反冲共振发射和吸收现象。由于吸收体化学组成或晶体结构不同,发射或吸收的光子能量会有细微变化。利用穆斯堡尔效应可以测量出这种变化,从而得到有用的信息。在此基础上,穆谱很快应用到化学领域,在常温下能观察到铁的化合物的穆谱变化,发现同质异能移值与化合物的氧化态之间存在对应关系,不同氧化态和电子组态下铁化合物的同质异能位移有一定的范围,因此可以根据穆斯堡尔谱来鉴别化合物中铁的不同状态。设计过程中利用穆谱拟合软件对一组穆斯堡尔谱数据进行拟合,分析得出拟合后的数据文件及参数文件;利用origin 软件对拟合得到的数据作出图形;根据穆谱程序拟合后的数据文件得出的图形和穆谱的参数分析样品中铁原子的价态、自旋态、样品晶体对称性,磁特性等。最后通过观察拟合后的图形,可以发现实验样品所产生的穆斯堡尔谱是单线谱(单峰)。同质异能移是δ=0.3664mm/s mm/s

结论:在120℃下真空干燥的Mn 3[Fe(CN)6]2.XH 2O 中铁原子为低自旋的

二价铁(S=0),次样品在室温下不具有磁性。

关键词:穆斯堡尔谱 同质异能位移 自旋 origin 软件

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目录

1、概述 ................................................................................................................. 5

1.1鉴定化合物中铁 . ...................................................................................... 5

1.2数据说明 . .................................................................................................. 6

2、穆斯堡尔测化合物中Fe 的氧化价态 . .......................................................... 6

2.1设计要求: . .............................................................................................. 6

2.2设计过程: . .............................................................................................. 7

3结论 .................................................................................................................. 13

3.1总结: ..................................................................................................... 13

3.2工作设想及建议 . .................................................................................... 13

4、参考文献 ....................................................................................................... 13

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引言

穆斯堡尔效应是德国青年物理学家穆斯堡尔1957年发现的,即无反冲的原子核的共振吸收。穆斯堡尔效应谱虽起源于物理,但又深入到化学、固体物理、冶金、地质、材料科学、考古、艺术等众多科学领域中。本次课程设计应用于化学中化合物中元素(Fe )的测量,主要是利用穆斯堡尔谱辅助穆斯堡尔拟合软件得出基本参数,以及拟合数据与原始数据进行对比,可以得到穆谱图,进而得到同质异能移,确定所测的元素的自旋,氧化价态。设计的技术路线中涉及到穆斯堡尔拟合软件、origin 软件。利用独立的程序(fe531.exe )对定标谱拟合,得出参数文件,计算同质异能移,将计算的同质异能移和参数输入到穆斯堡尔拟合程序MSU8.EXE ,然后进行进一步的拟合,设定条件,调整参数得到拟合谱图数据,通过origin 将拟合后的数据画出示意图,再进一步分析和讨论,并得出结论。

该设计优点是:分辨率高,灵敏度高,抗干扰能力强,对试样无破坏,实验技术较为简单,试样的制备技术也不复杂,所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体。

缺点:只有有限数量的核有穆斯堡尔效应,许多还必须在一定的制备源条件的实验室进行,本设计便是Fe 在温度为100℃条件下完成的。设计过程中简单易操作,拟合后的数据误差小,得出的数据参数可以很好的在已知的图中讨论分析,设计目的明确。

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1、概述

1.1鉴定化合物中铁:

同质异能移与化合物的氧化价态存在对应的关系,不同的氧化态和

电子组态下铁化合物的同质异能移有一定的范围。不同铁的化合物都有特定的穆斯堡尔谱,下图可以看出铁在物质中的价态、价位及相变。

(图一)

由下图可知I.S 、QS 与配位数之间的关系,只要知道同质异能移和配位数

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即可轻松得到Fe 的氧化价态以及自旋。

(图二)

1.2数据说明:

本组数据是条件为:温度120摄氏度下真空干燥的

Mn 3[Fe(CN)6]2.XH 2O ,样品数据是用穆斯堡尔仪测量得到的MF3-F3.dat

2、穆斯堡尔测化合物中Fe 的氧化价态

2.1设计要求:

用穆斯堡尔谱拟合程序MSU8.EXE 拟合得到穆斯堡尔谱各种参数值,

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同质异能移I.S 、四级分裂矩、谱线半高宽HWHM 等。分析样品中铁原子的价态、自旋态、样品晶体对称性、磁特性等。

2.2设计过程:

1)、利用程序FE531初步定标,计算出谱线部分参数,如下图

由上面的数据可以得知,穆斯堡尔谱出现了双峰经过对比可以看出第一个峰的半高宽为121.54Channnel ,半高宽太大,此峰的高度值远小于第二峰并且各个参数的误差也较大,显然不可能出现,可以得出,第一个峰为杂峰。出现的原因可能是样品加高温导致样品的部分分解,产生了少量的其他杂质。因此对该峰予以舍弃。

根据上面程序得到的结果,经过初步计算得到MSU8所需参数

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谱线中心:(2033+2287)/2=2160(Channel)

谱线半高宽HWHM (channel ): 3.16

谱线峰位(channel ): 2164.090

计算系数(mm/s/channel): 0.08959

背景值: E=158327

同质异能位移I.S.: δ=2164.090-2160=4.090 (Channel)

=4.090x0.08959=0.3664 mm/s

2)利用MSU8.EXE 拟合穆斯堡尔谱,并利用origin 画图,得到Mn 3[Fe(CN)6]2.XH 2O 在120℃真空干燥情况下的穆斯堡尔谱。

出现下图界面,输入相应的样品名称、条件、日期

然后将计算得到的参数带入

I.S=0.3664mm/s,

HWHM=3.16

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将计算得到的参数带入下图:

谱中心=2164.090,HWHM=3.16

计算系数(mm/s/channel): 0.08959, 背景值:

E=158327

带入参数后得到的图形:

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由上图可知,拟合值与实验值符合的很好 Input the maximum iteration 1000 The damping factor 0.002

然后将调整参数后的拟合谱图的数据存盘,以下是部分数据:

-11.37793 .9994575 .9999580 -11.28834 .9995651 .9999574 -11.19875 .9995300 .9999568 -11.10916 .9995314 .9999561 -11.01957 1.0001720 .9999554 -10.92998 1.0002560 .9999547 -10.84039 .9999477 .9999539 -10.75080 .9991355 .9999532 -10.66121 .9996518 .9999525 -10.57162 .9993113 .9999517 -10.48203 .9999988 .9999509 -10.39244 1.0004770 .9999500 -10.30285 .9993403 .9999492 -10.21326 1.0002220 .9999484 -10.12367 .9989675 .9999474 -10.03408 .9987059 .9999465 -9.94449 .9993489 .9999456

-9.85490 .9993696 .9999447 -9.76531 1.0000550 .9999437 -9.67572 .9994828 .9999427 -9.58613 .9996619 .9999416 -9.49654 .9995742 .9999406 -9.40695 .9996058 .9999394 -9.31736 .9991765 .9999384 -9.22777 1.0003620 .9999372 -9.13818 .9994029 .9999360 -9.04859 .9995545 .9999348 -8.95900 .9998507 .9999335 -8.86941 .9993678 .9999322 -8.77982 .9999052 .9999309 -8.69023 .9995968 .9999295 -8.60064 .9991421 .9999281 -8.51105 .9996685 .9999266 -8.42146 .9991632 .9999251

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-8.33187 .9998519 .9999236 -8.24228 .9997751 .9999220 -8.15269 .9997255 .9999204 -8.06310 .9998981 .9999186 -7.97351 .9993919 .9999169 -7.88392 1.0001310 .9999151 -7.79433 .9986874 .9999132 -7.70474 .9996979 .9999112 -7.61515 1.0006270 .9999092 -7.52556 .9993460 .9999072 -7.43597 .9989009 .9999050 -7.34638 .9993379 .9999028 -7.25679 .9992222 .9999005 -7.16720 .9992335 .9998981 -7.07761 1.0000220 .9998957 -6.98802 .9996771 .9998931 -6.89843 .9991087 .9998905 -6.80884 .9985278 .9998878 -6.71925 .9988447 .9998848 -6.62966 .9997763 .9998819 -6.54007 .9982500 .9998788 -6.45048 .9990544 .9998757 -6.36089 .9998208 .9998723 -6.27130 .9993789 .9998688 -6.18171 .9998792 .9998652 -6.09212 .9989267 .9998615 -6.00253 1.0000500 .9998575 -5.91294 .9999661 .9998535 -5.82335 1.0003230 .9998492 -5.73376 .9993271 .9998448 -5.64417 .9998947 .9998401 -5.55458 .9999232 .9998353 -5.46499 .9993772 .9998301 -5.37540 .9996284 .9998248 -5.28581 .9986671 .9998192 -5.19622 .9996810 .9998134 -5.10663 .9997520 .9998072 -5.01704 .9996545 .9998007 -4.92745 1.0000620 .9997940 -4.83786 .9995086 .9997869 -4.74827 .9997881 .9997793 -4.65868 .9991345 .9997714 -4.56909 1.0001380 .9997630 -4.47950 .9997053 .9997543 -4.38991 .9990829 .9997450 -4.30032 .9999527 .9997351 -4.21073 .9997004 .9997247 -4.12114 .9992440 .9997135 -4.03155 .9996139 .9997018 -3.94196 .9992752 .9996893 -3.85237 .9994012 .9996760 -3.76278 .9986388 .9996619 -3.67319 .9988238 .9996468 -3.58360 .9981707 .9996307 -3.49401 .9992214 .9996135 -3.40442 .9991782 .9995950 -3.31483 .9991072 .9995751 -3.22524 .9997004 .9995537 -3.13565 .9983252 .9995308 -3.04606 .9987425 .9995060 -2.95647 .9997257 .9994792 -2.86688 .9992072 .9994501 -2.77729 .9993445 .9994186 -2.68770 .9991230 .9993843 -2.59811 .9997220 .9993469 -2.50852 .9986457 .9993060 -2.41893 .9988660 .9992610 -2.32934 .9995837 .9992116 -2.23975 .9990318 .9991571 -2.15016 .9988631 .9990969 -2.06057 .9988154 .9990299 -1.97098 .9988857 .9989553 -1.88139 .9989429 .9988717 -1.79180 .9985858 .9987779

将上述数据导入origin 画图:

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此时可以清楚的看到,拟合曲线与原始数据基本相符,即可以对其进行讨论分析。

2.3讨论及结果

通过观察最终拟合的图形,发现实验样品所产生的穆斯堡尔谱是单线谱。谱线的同质异能移为:δ=0.3664mm/s

由图二知,所测样品的铁为低自旋的二价铁(Fe Ⅱ)或者低自旋的三价铁(Fe Ⅲ)。又因为样品是单线谱,所以样品没有电四极矩和磁性,样品的单峰来自于低自旋(S=0)的二价铁(Fe Ⅱ)离子,因为八面体Fe Ⅱ配合物处于强场配位环境下,使得Fe Ⅱ离子自旋成对排布,这样使得3d 价电子成球对称分布,所以3d 价电子对四级分裂没有贡献。

设计结果:在120℃下真空干燥的Mn 3[Fe(CN)6]2.XH 2O 中的铁原子为低

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自旋的二价铁(S=0),此样品在室温下不具有磁性。

3结论

3.1总结:

设计过程基于穆斯堡尔效应的原理,利用穆斯堡尔拟合软件的手段对实验数据处理,得到一系列参数,准确计算出同质异能位移,利用origin 画图工具进行匹配,得出结论。整个过程原理依据可靠,设计思路严密,操作步骤简单,能够精确的测得化合物中铁的自旋与氧化价态,足以证明穆斯堡尔谱应用的实用性。

3.2工作设想及建议

这种方法目前只有Fe 和Sn 等少量的穆斯堡尔核得到了充分的应用,随着科学技术的发展,可以尝试对其他核素进行应用分析。

4、参考文献

[1]、夏元复, 陈懿. 穆斯堡尔谱学基础和应用[M].北京:科学出版社,1984

[2]、马如璋, 徐英庭. 穆斯堡尔谱学[M]. 北京:科学出版社,1996

[3]、马如璋, 穆斯堡尔谱学[M]. 北京:北京钢铁学院,1984

[4]、U. 贡泽尔. 穆斯堡尔谱学[M]. 北京:科学出版社,1979

[5]、何云. 多氰根桥联的双金属配合物的磁性研究[D].南京:南京大

学,2004:

[6]、马如璋, 徐英庭. 穆斯堡尔谱学. 科学出版社.1998.

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