穆斯堡尔效应（Mössbauer effect，缩写ME），又称无反冲核共振吸收、无反冲共振吸收、射线无反冲发射及共振吸收效应、射线零声子发射及共振吸收效应，是原子核射线的无反冲共振吸收和共振散射现象，是核物理学中的一种特殊现象。

早在19世纪，就已经有了共振吸收的概念。为了实现原子核的共振吸收，科学家们不断进行实验。直到1951年，物理学家默恩（P.B.Moon）利用多普勒效应，通过实验观察到了射线的共振效应。沿着前人的思路，1956年德国物理学家穆斯堡尔（Rudolf L.Mössbauer）发现了共振吸收的反常现象。之后，他提出实现射线共振吸收的关键在于消除反冲效应。1958年，穆斯堡尔首次在实验中实现了原子核的无反冲共振吸收，为了纪念他在物理学这一领域的贡献，将这一现象命名为穆斯堡尔效应。除了外，穆斯堡尔还观察到了、、等原子核的无反冲共振吸收。由于这些工作，1961年穆斯堡尔被授予诺贝尔物理学奖。

穆斯堡尔效应在物理学、生物医学、化学、地质矿物学、材料科学和考古学等领域得到了广泛的应用，并已发展成一门独立的学科——穆斯堡尔谱学。穆斯堡尔效应在物理学领域是进行基础研究的重要手段，可以测量核激发态的磁矩、电四极矩及确定核能级的寿命；在医学中可以用于进行疾病的诊断、治疗效果的评价以及癌症治疗方面的研究等。

共振吸收的概念由来已久，早在19世纪，瑞利勋爵就提出在原子系统中会发生共振散射。1904年，物理学家伍德（R.W.Wood）用钠的线实现了原子的共振荧光。与此类似，科学家们想到用射线应当也可以实现原子核的共振吸收或共振散射。为了实现原子核的共振吸收，科学家们不断进行实验。1929年，瑞士科学家托马斯·库恩（W.Kuhn）指出原子核也应有与原子共振荧光类似的射线共振吸收荧光，并首先试图通过实验来观察射线的共振散射现象，但一直没能观察到。在后来的20年间，不断有人尝试库恩的设想，但由于没有认识到发射和吸收射线时原子核的反冲产生的影响，都没有取得成功。

通过认识到库恩实验失败的根本原因，1951年，物理学家默恩（P.B.Moon）从理论上认识到反冲引起的能量变化的影响后，利用多普勒效应，把辐射源镀在钢制定子和转子边缘的一个位置上，用高速离心机使辐射源相对于散射体以的高速运动，增加发射谱线和吸收谱线的重叠程度，终于观察到了射线的共振效应。1953年，物理学家马姆福斯（千克Malmfors）通过升高放射源或吸收体的温度来产生克里斯蒂安·多普勒效应，同样也观察到了射线共振效应。

根据前人的研究，理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态时，就会发出一个射线光子，这个射线在其所通过的路程上会被同种原子核共振吸收，从而使原来的原子核从基态跃迁到激发态。原子核到达激发态后还会通过再发射射线，或发射内转换电子和X射线的方式消掉激发态。但是，对于自由原子的核（如处于气体状态），由于它在发射和吸收光子时受到反冲效应，而谱线自然宽度远小于反冲能量，观察不到共振现象。1956年，德国物理学家穆斯堡尔在测量的射线的共振透射强度时，意外地发现对于有反冲的共振吸收效应，降低温度，多普勒效应减弱，但共振吸收效应不但没有减弱反而增强了。于是，穆斯堡尔将实现射线共振吸收的关键归因于消除反冲效应。1957年底，他想到把发射和吸收光子的原子核置于固体晶格中，由于晶体的质量远远大于单一的原子核的质量，反冲能量就减少到可忽略不计的程度，这样就可以实现穆斯堡尔效应。

1958年，穆斯堡尔首次在实验中实现了原子核的无反冲共振吸收，为了纪念他在物理学这一领域上的贡献，将他所实现的原子核的无反冲共振吸收命名为穆斯堡尔效应。他在实验中使用（锇）晶体作射线放射源，用（铱）晶体作吸收体，并且为减少热运动对结果的影响，放射源和吸收源都冷却到开，将放射源安装在一个环岛上，可以相对吸收体作前后运动，用多普勒效应调节射线的能量。经过衰变成为的激发态，的激发态可以发出能量为的射线，被吸收体吸收。实验发现，当转盘不动，即相对速度为时共振吸收最强，并且吸收谱线的宽度很窄，每秒几厘米的速度就足以破坏共振。同年，德语《物理杂志》发表了穆斯堡尔关于共振效应的文章。除了外，穆斯堡尔还观察到了、、等原子核的无反冲共振吸收。穆斯堡尔因这一发现与研究原子核中电子散射的罗伯特·霍夫施塔特（Robert Hofstadter）一起获得1961年的诺贝尔物理学奖。

穆斯堡尔效应是一种重要的物理测量工具，它在发现之后，很快就被应用于核物理、固体物理和相对论物理等方面。1958年，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室和阿贡国家实验室的科学家们，成功地证实了穆斯堡尔效应的正确性，并用英文于1959年8月在美国《物理评论快报》上重新发表了穆斯堡尔的文章。1959年11月1日，《物理评论快报》发表了科学家庞德（R.V.Pound）和里布卡（G.A.Rebka Jr）的文章，文章中提出了两点建议：一是用穆斯堡尔效应验证引力红移，二是用和可以比获得更尖锐的谱线。12月15日，《物理评论快报》刊登来自哈威尔的希弗和马歇尔（W.Marshall）以及庞德和里布卡的文章，这两篇文章都讨论了用所做的实验，并且庞德和里布卡得出了表示线宽和超精细结构的曲线。1960年，庞德和里布卡用穆斯堡尔效应证实了阿尔伯特·爱因斯坦的等效原理和引力红移。

穆斯堡尔效应是一种原子核射线的无反冲共振吸收和共振散射现象。应用穆斯堡尔效应可以研究原子核与周围环境的超精细相互作用，是一种非常精确的测量手段，射线的共振发射或共振吸收谱线极其尖锐，共振现象对射线能量的变化极其敏感，可以探测出极微小射线能量的变化，其能量分辨率高达，并且抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、对样品无破坏。另外，穆斯堡尔效应只对某些特定的原子核（穆斯堡尔原子核，如等）敏感，因此能够得到特定原子核附近物理和化学方面的信息。截至2022年，已经观测到具有原子核穆斯堡尔效应的化学元素有近50个，跃迁有100多个。穆斯堡尔效应在物理学、生物医学、化学、地质矿物学、材料科学和考古学等领域得到了广泛的应用，并已发展成一门独立的学科——穆斯堡尔谱学。

穆斯堡尔效应的应用也有一定的局限性。观察到穆斯堡尔效应的元素有限，其中还缺少轻元素。除了，，等少数穆斯堡尔同位素外，一般还必须在低温环境下才能观察到明显的穆斯堡尔效应；应用限于在固体以及在少数黏稠或冷冻液体中，而在一般液体和气体中是根本观察不到的穆斯堡尔效应。

在适当频率的光辐射下，原子中的电子可由基态跃迁到激发态，产生原子吸收光谱；电子也可以由激发态跃迁到基态，产生原子发射光谱。同样，原子核也有能级结构，当它从激发态跃迁到基态时，发射出具有能量为的射线，这种射线在通过同种类的原子核时，也应能被同种类的原子核所吸收，吸收了射线的原子核便由基态跃迁到激发态，这就是原子核的共振吸收。

但实际上，由于处于自由状态的原子核在发射和吸收射线时，自身要产生反冲作用，其反冲能量大大超过了谱线的自然宽度，因此理想的共振吸收现象是很难观察到的。根据能量守恒和动量守恒原理，粒子（原子、原子核）发射的光子的动量为：

式中，为普朗克常数；为波长；为频率；为光速；为光子的能量。

粒子（原子、原子核）本身也受到一个数值相等但方向相反的反冲动量，反冲动量使粒子产生反冲运动，其反冲动能为：

式中，为粒子的质量。

根据能量守恒原理，因为反冲作用，则发射射线的能量为，吸收射线的能量为。而共振吸收效应的大小取决于这两个能量分布（谱线）重叠的多少。如果反冲能量大大超过谱线的自然线宽，谱线间不能有效重叠，将不能产生共振吸收。因此，若要产生穆斯堡尔效应，反冲能量最好趋向于零、发射线和吸收线应大部分重叠。

在核无反冲发射或吸收射线过程（即穆斯堡尔效应）中，处于固体中的放射性核，由于它受周围原子的束缚，不能自由地运动，即固体中原子的振动状态不因发射光子而改变。理论计算表明，此时核有一定的几率无反冲地发射光子，无反冲发射光子的几率为，为发射的光子的波矢，为发射核在观察方向上的均方振幅，也就是说，在固体中放射性核所发射的光子中，晶格本身没有从跃迁中获得能量，反冲能量为为，核发射或吸收的光子的能量均严格地等于核跃迁能。类似地，处于固体中的稳定核（处于能量最低的基态）有一定的几率无反冲吸收同种核所发射的光子，这样发射谱线与同种核的吸收谱线完全重叠，且发射谱线和吸收谱线与自然线宽在同一量级，有较大的几率产生共振吸收，这就是穆斯堡尔效应的基本原理。

物理学家约瑟夫沙皮罗（俄语：Иосиф Соломонович Шапиро，I. S. Shapiro，1918-1999）提出了穆斯堡尔效应的经典理论，他把原子核辐射γ射线看作射频率为的电磁波，其矢量势为

其中为阻尼系数，是核激发态自然宽度的一半，即。可以证明，不考虑热运动影响时振子给出的辐射强度为

设辐射源与观察处的距离为，则观察处电磁波的相位相对辐射源落后，只要观测位置不变，这个相位就不变，它对研究无反冲分数无影响，故在式未考虑它。

实际上，固体中的原子围绕平衡位置不停地作热振动。从经典观点来看，这种振动通过多普勒效应对电磁波进行相位调制。

令为核沿射线传播方向的速度分量，则辐射波的相位为

式中为辐射的约化波长，是辐射传播方向上核离开平衡位置的距离，它表示为

式中假定所有的穆斯堡尔热核振动的频率相同，即属于爱因斯坦模型。于是式的矢量势变为

将上式中最右边的指数部分按贝塞尔函数展开可得

于是可写成

辐射强度分布为

因此，辐射包含无频移的穆斯堡尔谱线及一系列频率为的伴线，各个谱线均为半宽度等于的洛伦兹线型，强度由相应的贝塞尔函数的平方值确定（下图）。因此，穆斯堡尔效应的是分数为

通常，故

或

式中是原子振动的均方位移。

一个静止的自由原子核发射光子时，将受到一个反冲，反冲能量为

式中为原子核的质量，为光子能量，为真空中的光速。这反冲能量必须由原子核的跃迁能量来提供，因此发射光子的能量为

使发射谱线的中心不再在处，而在处。原子核吸收射线过程，也获得反冲能量，这反冲能量必须由入射射线提供，则

结果使发射谱与吸收谱相距的距离。如对而言，第一激发态发射的射线，原子核的反冲能，发射谱与吸收谱间距。而发射谱与吸收谱的自然宽度，对于第一激发态，毫微秒，则。因此比大一百万倍，所以一个自由原子核所发射的的光子不能为另一个处于基态的自由原子核所吸收。一般来说，自由核反冲能量大于，而谱线自然宽度在范围，前者远大于后者，因此，观察不到自由原子核的射线的共振荧光现象。

若将辐射原子核置于晶体之中，由于晶格热振动，穆斯堡尔核发射射线时伴生的反冲能量，一部分以动量的形式传给整个晶体，因整个晶体质量很大，这部分能量很小，绝大部分反冲能量变为晶体点阵的振动能量，而晶格振动能量的变化只能为声子能量的整数倍。如果反冲能量小于声子能量，则不能引起晶格振动的变化，也就是说在发射或吸收光子时存在着一定几率，此时没有能量传给晶格，实现了无反冲能量发射。同样也可获得无反冲能量的吸收。这样发射谱和吸收谱重叠，则可观察到共振荧光现象。因没有能量传给晶格，即不激发声子，所以这个过程也叫零声子发射和吸收过程。

用固体的振动模型可以简单直观地解释穆斯堡尔效应。在固体物理中，有两种简化了的模型——爱因斯坦模型和德拜模型，这两种模型的共同点是把点阵运动当作线性振子。振子振动的能量是量子化的，其能级是，点阵振动的量子称之为声子，式中是声子量子数（整数），为零点能量，一般可忽略。由于共振原子是位于固体晶格上，因此它受到晶格的束缚。当激发态的共振原子核发射射线回到基态时，伴随的反冲能量可以分成两部分：

式中，是反冲能量传给整个晶体的线动量相联系的能量。但由于发射射线的原子核在晶格的结点上，受晶格的束缚，所以反冲体是整个晶体。是很小量，可以忽略；是反冲能量转换到点阵振动的动能平均值。以下分三种情况讨论：

（1）原子核在辐射中，射线的能量很高，反冲能量很大。当大于原子在固体点阵中的束缚能量时（原子的束缚能在），原子将脱离点阵束缚。

（2）反冲能量小于原子在点阵中的束缚能量而大于原子点阵振动的特征能量（声子能量），那么原子将保留在自己位置上，反冲能将使点阵振动加强，固体的温度升高。

（3）如果反冲能量小于点阵振动的特征能量即声子能量时，就会发生新的效应。按阿尔伯特·爱因斯坦的固体模型，当很小时，只有不太高的声子激发（），产生各级声子激发都取一定的几率。零级声子激发过程无能量转换给晶格振动。零级声子激发过程，就是无反冲发射（或吸收）过程。

穆斯堡尔效应测量常用的方法是透射法，所用的仪器为透射谱仪。仪器的测量原理如下图所示，图中1为放射源；2为试样；3为射线探测器。它由闪烁计数器、电子放大器、甄别器和自动多道分析器组成。闪烁计数器的前端有一片碘化钠荧光晶体，当射线照射到它上面时便会发生微弱的荧光，此荧光经光电倍增管转化为脉冲电压并进行放大，然后经过多道分析器，再进行自动记录（自动打印出数据）。由于脉冲电压值的大小与碘化钠晶体接收到的射线光子数成正比，因此，用这种方法可将样品吸收射线的情况记录下来。

为了将无反冲共振吸收的情况在图谱上清晰地显示出来，在测量时常利用多普勒效应对射线的能量进行调制。所测到的穆斯堡尔谱，其横坐标为放射源的运动速度，也称多普勒速度；纵坐标为吸收计数（见下图）。图中曲线称为多普勒速度谱。利用多普勒效应的措施是将射线源安放在一个做恒加速度运动的振子上，光子的能量可随着振动方向和速度大小在一定范围内进行调制。当速度为零时，光子的能量不变，核共振吸收达到最大值。当振子的速度增大时，核共振吸收减少，速度达到时，共振吸收遭到完全破坏，当速度为负时，也会有同样的结果。

放射源：穆斯堡尔效应的测量对放射源的主要要求是发出没有能级分裂的射线，有高的无反冲分数。常用的放射源是。通常是将扩散到无磁性薄膜中作放射源。从母核衰变为激发态的，退激时发射能量为的射线，无反冲分数可达。的半衰期为270天，适合用于实验工作，其次是。

吸收体：穆斯堡尔效应的测量对吸收体（即所要研究的样品）的制备工艺无严格要求。样品的厚度必须合适，一般对铁及铁合金样品厚度取为宜。太薄信号太弱。太厚时、线谱的形状将由饱和效应而失真，直径取即可。多晶粉末样品需要粘结和压制而成薄片状，为了避免射线的散射，要用低原子序数的物质作粘结剂。

环境：穆斯堡尔效应对环境的依赖性很高，细微的环境条件差异会对穆斯堡尔效应产生显著的影响。在实验中，为减少环境带来的影响，需要利用多普勒效应对射线光子的能量进行细微的调制。具体做法是令射线辐射源和吸收体之间具有一定的相对速度，通过调整的大小来微调整射线的能量，使其达到共振吸收，即吸收率达到最大，透射率达到最小。

（1）将放射性原子核束缚于固体晶格中制成穆斯堡尔源，穆斯堡尔源中的原子核发射射线，并由核激发态跃迁到基态；

（2）通过放射源和吸收体之间相对运动的多普勒效应，使射线的能量有一个微小的调制；

（3）经调制后的射线在吸收体中同种穆斯堡尔原子核上引起共振吸收；

（4）测量透过吸收体的射线计数与调制能量（即与多普勒速度）的关系，就是透射穆斯堡尔谱（穆斯堡尔吸收谱）；

（5）测量共振吸收后散射体再发射的射线或内转换电子或射线（一般从背面测量）与调制能量（即与多普勒速度）的关系，就是散射穆斯堡尔谱。

通过测量透过吸收体的光子计数，所得到的穆斯堡尔谱称为透射穆斯堡尔谱。如果测量由吸收体散射后的光子计数得到的穆斯堡尔谱，称为散射穆斯堡尔谱（或背散射穆斯堡尔谱），即吸收体共振吸收后处于激发状态，再向基态跃迁时发射出射线，又称二次光子。共振吸收时，发射出二次光子数目最多。在透射穆斯堡尔谱中，因吸收发生共振时透过计数率最小，所以形成倒立的吸收峰。在散射谱中，由于共振吸收时发射二次光子数目最多，所以穆斯堡尔谱是正立的峰。对于一些简单的谱，有时对谱图进行定性分析就可获得不少有价值的信息，但对于一些复杂物相的谱，必须将实验谱拟合为一系列理论谱线的叠加，才能由谱得出有价值的信息。

穆斯堡尔效应广泛地应用于物理学、生物医学、化学、地质矿物学、材料科学、考古学、冶金学等研究领域，成为了科学研究和分析检测的一种重要手段，它的各种应用统称为穆斯堡尔谱学。

在物理学领域，穆斯堡尔效应是进行基础研究的重要手段。穆斯堡尔效应在相对论研究中，用于验证相对论效应的一些重要结论；在核物理研究中，可以用来测量核激发态的磁矩、电四极矩及确定核能级的寿命，并以此来验证核模型的正确性；在固体物理研究中，研究原子的运动、固体相变特性、电子的状态、固体缺陷等；在凝聚态物理方面，可用于点阵动力学的研究，也可确定磁超精细相互作用，对铁磁、硫酸亚铁磁和反铁磁质的研究有重要作用，可以确定物质的磁结构。

自20世纪60年代初用穆斯堡尔效应研究氯化血红素以来，从生物大分子到人体组织或器官的许多生物系统已用穆斯堡尔效应进行了研究，穆斯堡尔效应已成为生命科学研究中的重要手段之一，但主要局限于核，用来研究含铁蛋白质、生物分子等。其中，利用穆斯堡尔效应对血红素蛋白、铁硫蛋白、铁传递蛋白、铁贮存蛋白及生物化学反应中的催化剂——酶等生物大分子结构与功能的研究已达到相当高的水平。

穆斯堡尔效应在医学研究领域中的应用主要表现在疾病的诊断、治疗效果的评价、临床医学以及癌症治疗方面的研究。穆斯堡尔效应作为一种灵敏的诊断手段，用于检测正常人及病人组织或器官中含穆斯堡尔核的各种不同化合物的种类和数量，为病理学研究提供直接证据，也可以比较治疗前后特征化合物的变化，以评价某种治疗方法的效果，也可以用来研究环境因素，如电磁辐射等对人体的影响；穆斯堡尔谱可以为某些与血液有关的疾病的诊断治疗提供有价值的信息，例如对地中海贫血病、镰刀状细胞贫血病、疟疾等的研究；对高原红细胞增多症患者红细胞的穆斯堡尔谱研究，可以发现与正常人谱的差别，从而查找出病因；对乙型肝炎血液的穆斯堡尔谱研究，可发现谱参数都有较大差别；用共振穆斯堡尔幅射治疗癌症的研究表明，该方法可能成为无副作用治疗癌症的有效方法。

穆斯堡尔效应涉及固体中核集团激发态和基态能级间的共振跃迁，因此核的能级结构决定着谱形状及诸参量，而共振核的能级结构又决定于核所处的化学环境，所以穆斯堡尔谱能极为灵敏地反映共振原子核周围化学环境的变化，由它可以获得共振原子核周围化学环境的变化，以及共振原子的氧化数、自旋态、化学键的性质等有关固体微观结构的信息。如，穆斯堡尔谱能方便地确定某种固体（含穆斯堡尔核）是否为非晶态，因为晶态固体的穆斯堡尔谱参量都有确定的值，共振谱线尖锐；而非晶态固体，由于穆斯堡尔谱参量是连续或准连续分布的，因而共振谱线较宽。

确定矿物中铁的信息

通过穆斯堡尔效应分析样品中铁的氧化态、电子组态和配位数，可测定矿物中阳离子位置分布及有序无序程度（与矿物成因有关）、测定和在各种矿物相中的含量比，以及它们在各种矿物晶体点阵位置上的占有数百分比，从而得出有用的信息。例如，由铁在岩石或土壤中的价态，提供有关矿物化学演变历史的信息；由三价铁与二价铁的含量可以揭示矿物结晶过程中有关氧分压的信息；而且从和在不同点阵位置上的占有数，可以获得某些矿物及其基质岩过去经受的热和压力的情况。

在火星和石陨石研究方面，通过研究火星黏土及火星样品结构类似物的穆斯堡尔效应，提供火星粘土的矿物相以及为火星早期是否存在生命提供证据；陨石对于研究太阳系的形成和演化、生命的起源、空间技术等都有科学价值，通过穆斯堡尔效应，可以准确地确定陨石中铁含量、铁在各物相中的分布、价态、配位，从而得到陨石质变历史的信息，并对陨石进行分类。

穆斯堡尔效应在磁性材料中的应用主要是物相分析、非晶材料的鉴定、相变研究、确定晶位分布、磁有序化温度的确定、磁织构和磁有序化类型研究、内磁场及符号的确定、磁弛豫过程的研究等。在纳米材料研究中主要用于研究纳米尺寸的微晶、薄膜和块材表面及界面磁性，对材料中原有结构的排列、超精细场分布、磁结构、超顺磁性、超铁磁性和动力学效应等提供重要信息。在新材料研究中的应用突出地表现在对非晶材料、液晶、准晶、高温超导、有机高分子化合物聚合物、巴基球分子、薄膜和多层薄膜等研究。

应用穆斯堡尔效应可以判断古代文物的地理出处、制造工艺、文物年龄及鉴定文物的真伪。不少国家用穆斯堡尔效应研究古陶瓷器、古钱、化石、古窑址、古建筑、古砖瓦、古谷物灰、青铜器、古铁器、深湖沉积物等出土文物。通过对考古学的研究表明，古陶碎片的穆斯堡尔参数与其产地、颜色和年代有一定联系。陶器主要原料是黏土，它含有层状和链状硅酸盐微晶和铁氧化物等土壤矿物，根据粘土中含铁相的热变化规律以及相应穆斯堡尔参量的改变可以得到考古的有关信息，如原料的物相、烧制工艺（气氛、温度和烧结时间）以及老化效应（风化、水化和自然辐照），由老化效应可以估计陶器的年代。