火星探險的先鋒

量子足跡何處尋第八集：梅斯堡光譜儀

近20年來，美國國家航空暨太空總署(NASA)執行了好幾個任務來檢測火星是否曾經有水存在，這些任務總是引起大眾的好奇。這是因為自古以來人類就對看起來紅通通的火星感到好奇，甚至感到恐懼。在傳統的占星術中，火星總是與大火，災難甚至戰爭有關。其實這只是因為覆蓋火星表面的土壤富含鐵質所造成的現象。另一個廣為流傳的是火星人傳說。最有名的是1938年10月31日名演員奧森·威爾斯製作的萬聖節廣播劇「火星人入侵」，它造成大眾一陣恐慌，可見火星人的形象如何地深植人心了。

NASA最近推動的火星探測計劃叫做火星探測漫遊者（Mars Exploration Rover, MER），這項計劃的主要目的是將勇氣號（Spirit, MER-A）和機遇號（Opportunity, MER-B）兩輛火星車送到火星表面，對火星這顆紅色行星進行實地考察，其中當然也包含調查火星是否曾經有水。「勇氣號」於2004年1月4日04時35分，成功地降落在古瑟夫撞擊坑內，比「機遇號」火星車（MER-B）早三周登陸火星。勇氣號的主要地面任務計劃至少持續90個火星日，它的任務獲得數次延期，持續了大約2208個火星日。2007年7月的第四次擴充任務中，火星塵暴威脅到火星車太陽能電池接受日照的能力，工程師們認為2台火星車可能就此永久失效，但塵暴消散後火星車又恢復了功能。後來任務又多次延伸，勇氣號最後一次通訊是在2010年3月22日。機遇號最後一次通訊則是在2018年6月10日。2019年2月13日，NASA正式宣布任務結束。

2台火星車獲得了大量科學資訊，這些資訊都是由裝在火星車上機械臂上的多種儀器蒐集而來。機械臂甚至能將儀器直接放置在研究目標上。這些儀器包含了阿爾法粒子X射線譜儀（APXS），這是由德國馬克斯普朗克化學研究所研製。用於近距離分析構成岩石土壤的元素的豐度，還有顯微成像儀（MI），用於獲得岩石土壤的近距離高解析度圖像，這台是由美國地質勘探局天體地質學研究計劃的Ken Herkenhoff團隊研製。不過這一集的「量子足跡何處尋」要把重點放在由德國麥茲(Mainz)約翰內斯·古騰堡大學的Göstar Klingelhöfer博士研製，專用用來對含鐵岩石土壤進行近距離礦物學化驗的梅斯堡光譜儀，MIMOS II上，因為這台儀器，不折不扣又是量子物理的神奇應用。它所仰賴的梅斯堡效應本身就是極為一項極為巧妙的量子效應，第一個想到這個好點子的人，當時還只是個博士生呢。他就是魯道夫·梅斯堡(Rudolf Mössbauer，1929年1月31日－2011年9月14日）。

梅斯堡效應（Mössbauer effect）的基本原理，其實與先前介紹過的雷射很相像，只是雷射是電子在原子的能階之間躍遷，但是梅斯堡效應是原子核發生所謂伽馬衰變(γ decay)，也就是從原子核的高能階躍到低能階而放出光子。理論上，當這個光子遇到另一個處於低能階的原子核時，會發生所謂的「共振吸收」。但是實際情況中，處於自由狀態的原子核，很難產生「共振吸收」。因為原子核在放出一個光子的時候，因為動量守恆之故，原子核自身往光子的反方向擁有與放射出的光子大小相同的動量，躍遷前後的能量差必須是光子的能量與反彈的原子核的動能兩者之合，如此一來，光子的能量就不會是剛好是原子核的高低能階的能量差。同樣的道理，原子核吸收光子後，由於動量要守恆，原子核必須往原先光子的方向運動。所以原子核吸收的光子能量不會完全拿來產生躍遷，必須扣掉原子核的動能。這樣造成因為躍遷放出的光子能量不會剛好等於原子核的能階差，原子核也需要吸收比能階差更多的能量才能產生躍遷，所以自由的原子核很難實現共振吸收。事實上，迄今為止，人們還沒有在氣體和不太粘稠的液體中觀察到原子核的共振吸收效應。

但是梅斯堡在1957年底，靈光一現，他指出實現γ射線共振吸收的關鍵在於消除原子核反衝效應。雖然乍聽之下，應該是mission impossible，但是梅斯堡認為如果在實驗中把發射和吸收光子的原子核置於固體晶格中，那麼出現反衝效應的就不再是單一的原子核，而是整個晶體。由於晶體的質量遠遠大於單一的原子核的質量，反衝能量就減少到可以忽略不計的程度，這樣就可以實現無反衝的共振吸收。這就是梅斯堡效應。梅斯堡使用¹⁹¹Os（鋨）晶體作γ射線放射源，用¹⁹¹Ir（銥）晶體作吸收體，於1958年首次實現了原子核的無反衝共振吸收!為減少熱運動對結果的影響，放射源和吸收源都冷卻到88K。他把放射源安裝在一個轉盤上，可以相對吸收體作前後運動，產生的都卜勒效應用來調節γ射線的頻率，運用這個方法就可以掃描一個很窄的頻寬範圍掃描出吸收光譜的頻譜來。¹⁹¹Os經過β-衰變成為¹⁹¹Ir的激發態，¹⁹¹Ir的激發態可以發出能量為129 keV的γ射線，被吸收體吸收。實驗發現，當轉盤不動，即相對速度為0時共振吸收最強，並且吸收譜線的寬度很窄，每秒幾厘米的速度就足以破壞共振。除了¹⁹¹Ir外，梅斯堡還觀察到了¹⁸⁷Re、¹⁷⁷Hf、¹⁶⁶Er等原子核的無反衝共振吸收。

測量梅斯堡光譜的儀器稱為梅斯堡光譜儀，由三個主要部件組成。一個移動的γ射線光源，用來產生都卜勒效應；一個準直器得到平行光；以及一個檢測器。梅斯堡光譜學中最常用的是⁵⁷Fe擁有的能量為14.4 keV 的γ射線，能量解析度可以達到10^-13；¹¹⁹Sn也經常用到。由於梅斯堡光譜是一種非常精確的測量手段，其能量解析度可高達10^-13，並且抗干擾能力很強、實驗設備和技術相對簡單、而且對樣品無破壞。由於這些特點，梅斯堡效應一經發現，就被迅速被運用在物理學、化學、生物學、地質學、冶金學、礦物學、地質學等領域地研究上。舉例來說，在梅斯堡光譜在地質學的一項應用是用來識別包括流星和月球岩石在內的含鐵樣本的成分。在冶金學中它也是個寶貴的工具，譬如說它可以用於研究用於費托合成（Fischer–Tropsch process）的那些鐵催化劑。它們最初由赤鐵礦（Fe₂O₃）組成，但這些催化劑會轉變成磁鐵礦（Fe₃O₄）和幾種碳化三鐵的混合物。碳化物的形成似乎可以提高催化活性，但也會導致催化劑顆粒的機械破碎和磨損，這會導致催化劑最終從反應產物中分離出來。所以梅斯堡在實驗成功三年後就獲得1961年的諾貝爾物理學獎。

讓我們回來談談火星任務的梅斯堡光譜儀:MIMOS II。它在發射時使用約 300毫居禮( mCi )的 鈷-57 伽馬射線源，在火星的主要任務期間，在第159個火星日，勇氣號到達了哥倫比亞丘陵基地的第一個目標地—「西脊」（West Spur），並對漢克凹谷（Hank's Hollow）進行了23個火星日的研究。漢克凹谷內有一塊被稱為「金壺岩」的奇石。在使用阿爾法粒子X射線光譜儀和梅斯堡光譜儀進行詳細分析後，發現其中含有赤鐵礦(Hematite，是一種常見的氧化鐵化合物，分子式為Fe₂O₃，廣泛存在於岩石和土壤中。這種岩石可以通過水的作用形成)。

勇氣號接著沿山腳向北駛向在第192至199個火星日期間進行研究的羊毛地（Wooly Patch）。截止203個火星日，勇氣號向南駛上了山坡，到達名為「克洛維斯」（Clovis）的岩石旁，並在第210到225個火星日對克洛維斯進行了鑽磨和分析。

科學家們在哥倫比亞丘陵發現了多種岩石類型，並將它們分為六種不同的類別。通過阿爾法粒子X射線光譜儀測量，它們的化學成分彼此間明顯不同。這六類中，克洛維斯群特別有趣，因為梅斯堡光譜儀「MIMOS II」在其中檢測到針鐵礦。針鐵礦只在存在水的情況下才能形成，它是哥倫比亞山岩石中過去有水的第一個直接證據。哥倫比亞丘陵還有一種叫做帕索·羅布爾斯的土壤可能是蒸發沉積物，因為它含有大量硫、磷、鈣和鐵。梅斯堡光譜儀「MIMOS II」發現，帕索-羅伯斯土壤中的大部分鐵為氧化態，即Fe³⁺形式，如果存在水，就會發生這種情況。所以「MIMOS II」在尋找火星上的含鐵礦物，識別並量化含水或在水中形成的特定礦物類型的相對數量，如含鐵碳酸鹽，發揮了重大的功用呢。

除了在火星找水之外，近年來梅斯堡光譜學也在一些新興學科，比如材料科學和表面科學領域，開拓了廣泛的應用前景。梅斯堡光譜學也廣泛應用於生物無機化學，特別是用於含鐵蛋白質和酶的研究。所以梅斯堡光譜學上天下地，還能深入人體，運用的範圍真的是無遠弗屆呢。

量子真的無所不在，只要發揮巧思，就能變成各種厲害的工具，幫助我們做各式各樣的檢測分析工作，到目前為止我們已經介紹了X光螢光，拉曼光譜還有這一回的梅斯堡光譜。下一回我們回頭看，巨觀世界還有哪些有趣的量子現象，敬請期待下一回的量子足跡何處尋！