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穆斯堡爾譜是德國物理學家穆斯堡爾，在1957年發現并且驗證的一種γ射線的無反沖共振吸收現象。雖然題目是探索鐵的秘密，但是這種無反沖共振吸收現象并不只是在鐵元素中才有。事實上，到目前為止，在四十多中元素中發現了這種現象，然而最常用的是57Fe和119Sn。在這里，我們主要是來聊聊57Fe?？偟脕碚f，穆斯堡爾譜可以應用在核物理，凝聚態物理，材料和化學等等學科（見圖1）。
圖1. 穆斯堡爾譜在各個學科的應用。（摘自Gary J.Long和Jrernande Grandjean主編的M?ssbauer Spectroscopy Applied toInorganic Chemistry）
1. 什么是穆斯堡爾效應
穆斯堡爾效應是一種γ射線的無反沖共振吸收現象。在了解穆斯堡爾譜之前，我們來了解一下什么叫做γ射線的無反沖共振吸收現象。γ射線是什么我們就不用贅述了，主要是來談談無反沖共振吸收。我們知道，人之所以能聽到聲音，這里面就涉及一個共振的過程。人類可以聽見特定頻率的聲音，主要就是聲波的頻率可以和鼓膜產生共振。共振的產生需要兩物體固有頻率相同，這也是為什么人類聽不見超聲波和次聲波的原因。
共振吸收現象又怎么一回事呢？在這里，我們還是借用了Long的書籍的圖片，見圖2。一個核或者原子由激發態回到基態，放出γ射線，通過另外一個核時，核會吸收射線，由基態躍遷到激發態，然后由激發態回到基態，放出γ射線。這個過程就是共振吸收。共振指的是兩個射線頻率一樣，吸收指的是光強減弱了。但是現實并沒有那么理想，當一個核發出或者吸收射線時，會發生反沖現象，這會導致有一部分能量損失。為了更好地描述反沖現象，我們打個比方，當你在小船上往水里跳，人跳落水，根據動量守恒，小船肯定會往后退。當核發射射線時，γ射線的能量E(γ) = E – E(R)，E為態轉換的能量，E(R)是反沖的能量且跟質量成反比的。無反沖是怎么樣的呢，就好比你從地面往上跳，這時候，根據動量守恒，地球肯定要往后退，但是動量與質量有關，地球質量比你的質量大太多了，這時候可以認為地球是沒有動的。這就是無反沖現象。
圖2. 共振吸收過程。
在談及穆斯堡爾的實驗時，我們說一下多普勒熱增寬。啥是多普勒熱增寬，不懂也沒關系，你只要知道原子或者核由于熱運動，譜線會變寬。譜線變寬的話，那么和γ射線的共振吸收就變強。這里我們打個比方，加入你鼓膜可以發生共振的頻率變寬了，那你可以聽到的聲音范圍也就變多了，可能連超聲波和次聲波都可以聽到。共振吸收變強的話，那么當γ射線穿過一個核的時候，光強就會減弱。多普勒熱增寬是和溫度有關的，當溫度下降時，這種效應減弱，那么共振吸收也就會減弱。但是穆斯堡爾在做類似的實驗時，發現低溫下，共振吸收反而增強了，光強比常溫下減弱得更多。這是怎么一回事呢？
穆斯堡爾用了1939年Lamb發表的理論來解釋。如果原子核固定在晶格中，當發射γ射線時，有一定的概率原子核不單獨發生反沖，而是整個晶格反沖，那么反沖的質量就是整個晶體的。前面我們已經說過人和船以及人和地球的例子。在這里我們人就是γ射線，船就是原子核，地球就是整個晶體。在這種情況下，原子核發射γ射線時，原子核不再單獨發生反沖。無反沖吸收的概率是隨著溫度的下降而增加的，這就是為什么在低溫下共振吸收增強，光強減弱的原因。基于這個現像制成的儀器就是穆斯堡爾譜儀，最常見的為57Fe的。
2. Fe穆斯堡爾譜能得到什么信息
我們這里講的是鐵的穆斯堡爾譜，其他元素的因為應用不廣。根據馮如璋和徐英庭的書本《穆斯堡爾譜學》所說，譜圖可以給出磁偶極相互作用，電四極相互作用和電單極相互作用。就我平時所做的測試而言，擬合出來的穆斯堡爾譜會給出四極分裂和同質位能移，可以根據這些數據確定鐵的價態，自旋等等情況。由于不同的環境下，這些數據會有所差別，這時候可以查閱M?ssbauer EFFECT DATA INDEX進行比較。
3. 鐵穆斯堡爾譜的應用
在這里，我就只談及材料和化學中的應用，因為這是我比較了解的領域。
例一，電催化ORR，見圖三。通過對比穆斯堡爾譜圖，確定鐵的價態和Fe-N鍵。
圖3. Naturematerials, 14(9), 937.
例二，電子離域MOFs導電材料。見圖4。由于三價鐵MOFs被還原，里面的鐵原子除了三價外還有二價。三價鐵和二價鐵之間會發生電子轉移，轉移速度足夠快，就會發生所謂的離域，也就是沒辦法區分出二價鐵和三價鐵。三價鐵，二價鐵或者離域的鐵，由于自旋和價態不同，四極分裂和同質位能移會有所不同，可以通過穆斯堡爾譜來確定。這個MOFs的穆斯堡爾譜圖極為復雜，擬合解譜的是上面我們提到的穆斯堡爾譜的大牛Long，當然不是本文的Jeffrey R. Long，而是Gary J. Long。
圖4.Naturematerials, 17(7), 625.
例三，單鏈化合物的分子開關，圖5。通過測定不同溫度下的單鏈化合物的鐵穆斯堡爾譜，來確定鐵的價態變化和自旋轉換的情況。
圖5. Nature chemistry, 4(11), 921.
在有機方法學上，可以用來確定鐵催化劑中間態的價態。除此之外，還有很多其他領域的應用，在此我就不一一贅述。（鑒于水平有限，文中難免有錯，特別是原理那一部分，請批評指正。）
參考文獻：
1. Gary J. Long, Jrernande Grandjean, M?ssbauer Spectroscopy Applied to Inorganic Chemistry, Volume 3
2. 馮如璋，徐英庭,《穆斯堡爾譜學》
