Эффект мёссбауэра и его применение в химии. Эффект Мессбауэра

Энергия ядер квантована. При переходе ядра из возбужденного состояния в основное излучается -квант с энергией . Более возможное значение этой энергии для нескончаемо томного свободного ядра равно разности энергий его основного и возбужденного состояний: . Оборотный процесс соответствует поглощению г-кванта с энергией, близкой к .

При возбуждении совокупность схожих ядер на один и тот же уровень энергия испущенных квантов будет характеризоваться неким разбросом около среднего значения .

Рис 1.13 Схема, иллюстрирующая квантовые переходы с излучением и поглощением электрических квантов (а) и вид линий излучения и поглощения в оптическом (б) и ядерном (в) случаях.

Контур полосы поглощения описывается этим же соотношением, что и контур полосы испускания (Рис. 1.13). Понятно, что эффект резонансного поглощения электрического излучения оптического спектра, когда оптические кванты, испускаемые при переходе электронов возбужденных атомов на нижележащи е электрические уровни, резонансно поглощаются веществом, содержащим атомы такого же самого сорта. Явление статического резонансного поглощения отлично наблюдается, к примеру на парах натрия.

К огорчению, явление резонансного ядерного поглощения на свободных ядрах не наблюдается. Причина состоит в том, что модель томных ядер (атомов), когда энергопотери на отдачу по отношению к невелики, справедлива для оптического резонанса и совсем неприменима для ядерного. Гамма-кванты, излучаемые в ядерных переходах, имеют существенно более высшую энергию – 10-ки и сотки кэВ (по сопоставлению с несколькими десятками эВ для квантов видимой области). При сравнимых значениях времени жизни и, соответственно, близких значениях естественной ширины электрических и ядерных уровней в ядерном случае еще более существенную роль при испускании и поглощении играет энергия отдачи:

где – импульс отдачи ядра равный по модулю импульсу излученного -кванта, m – масса ядра (атома).

Потому в оптическом случае и резонанс на свободных ядрах не наблюдается (см. рис. 1.13 б и в). Рудольф Мессбауэр, изучая поглощение -квантов, излученных изотопом Ir, в кристалле Ir нашел, в противоположность пророчествам традиционной теории, повышение рассеяния -квантов при низких температурах (T≈77K). Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением -квантов ядрами атомов Ir и отдал разъяснение его природы.

В опытах по эффекту Мессбауэра измеряются не сами по для себя полосы испускания (либо поглощения), а кривые резонансного поглощения (мессбауэровские диапазоны). Уникальные внедрения способа ядерного гамма-резонанса в химии и физике твердого тела обоснованы тем, что ширина составляющих мессбауэровский диапазон личных резонансных линий меньше энергий магнитного и электронного взаимодействий ядра с окружающими его электронами. Эффект Мессбауэра – действенный способ исследования широкого круга явлений, влияющих на эти взаимодействия.

Простая схема наблюдения эффекта Мессбауэра в геометрии пропускания включает источник, поглотитель (узкий эталон исследуемого материала) и сенсор г-лучей (рис. 1.14).

Рис. 1.14 Схема мессбауэровского опыта: 1– электродинамический вибратор, задающий разные значения скорости источника; 2 – мессбауэровский источник; 3 – поглотитель, содержащий ядра мессбауэровского изотопа; 4 – сенсор прошедших через поглотитель г-квантов (обычно пропорциональный счетчик либо фотоэлектронный умножитель).

Источник -лучей должен владеть определенными качествами: иметь большой период полураспада ядра, в случае распада которого рождается ядро резонансного изотопа в возбужденном состоянии. Энергия мессбауэровского перехода должна быть относительно малой (чтоб энергия отдачи не превысила энергию, нужную для смещения атома и узла кристаллической решетки ), линия излучения – узенькой (это обеспечивает высочайшее разрешение) и возможность бесфонного излучения – большой. Источник г-квантов в большинстве случаев получают введением мессбауэровского изотопа в железную матрицу средством диффузионного отжига. Материал матрицы должен быть диа- либо парамагнитным (исключается магнитное расщепление ядерных уровней).

В качестве поглотителей употребляют тонкие эталоны в виде фольги либо порошков. При определении нужной толщины эталона необходимо учесть возможность эффекта Мессбауэра (для незапятнанного железа лучшая толщина ~20 мкм). Лучшая толщина является результатом компромисса меж необходимостью работать с узким поглотителем и иметь высочайший эффект поглощения. Для регистрации -квантов, прошедших через эталон, более обширно используются сцинтилляционные и пропорциональные счетчики.

Получение диапазона резонансного поглощения (либо мессбауэровского диапазона) подразумевает изменение критерий резонанса, зачем нужно модулировать энергию -квантов. Применяющийся в текущее время способ модуляции основан на эффекте Доплера (в большинстве случаев задают движение источника г-квантов относительно поглотителя).

Энергия г-кванта за счет эффекта Доплера меняется на величину

где – абсолютное значение скорости движения источника относительно поглотителя; с – скорость света в вакууме; – угол меж направлением движения источника и направление испускания г-квантов.

Так как в опыте угол воспринимает только два значения =0 и , то ∆E = (положительный символ соответствует сближению, а отрицательный – удалению источника от поглотителя).

В отсутствие резонанса, к примеру, когда в поглотителе отсутствует ядро резонансного изотопа либо когда доплеровская скорость очень велика (, что соответствует разрушению резонанса из-за очень огромного конфигурации энергии -кванта), наибольшая часть излучения, испущенного в направлении поглотителя, попадает в расположенный за ним сенсор.

Сигнал от сенсора усиливается, и импульсы от отдельных -квантов регистрируются анализатором. Обычно регистрируют число —квантов за однообразные промежутки времени при разных . В случае резонанса г-кванты поглощаются и переизлучаются поглотителем в случайных направлениях (рис. 1.14). Толика излучения, попадающего в сенсор, при всем этом миниатюризируется.

В мессбауэровском опыте исследуется зависимость интенсивности прошедшего через поглотитель излучения (числа зарегистрированных сенсором импульсов) от относительной скорости источника . Эффект поглощения определяется отношением

где – число г-квантов, зарегистрированных сенсором за определенное время при значении доплеровской скорости (в опыте употребляют дискретный набор скоросте й ); – то же при , когда резонансное поглощение отсутствует. Зависимости и задают вид кривой резонансного поглощения сплавов и соединений железа, лежат в границах ±10 мм/с.

Возможность эффекта Мессбауэра определяется фононным диапазоном кристаллов. В области низких температур () возможность добивается значений, близких к единице, а в области больших () она очень мала. При иных равных критериях возможность бесфонного поглощения и излучения больше в кристаллах с высочайшей температурой Дебая (определяет твердость межатомной связи).

Возможность эффекта определяется диапазоном упругих колебаний атомов в решетке кристалла. Мессбауэровская линия интенсивна, если амплитуда колебаний атомов невелика по сопоставлению с длиной волны г-квантов, т.е. при низких температурах. В данном случае диапазон излучения и поглощения состоит из узенькой резонансной полосы (бесфонные процессы) и широкой составляющие, обусловленной конфигурацией колебательных состояний решетки при излучении и поглощении г-квантов (ширина последней на 6 порядков больше ширины резонансной полосы).

Анизотропия межатомной связи в решетке обусловливает анизотропию амплитуды колебаний атомов и, как следует, различную возможность бесфонного поглощения в разных кристаллографических направлениях. Для монокристаллов, таким макаром могут быть измерены не только лишь усредненные, да и угловые зависимости.

В приближении узкого поглотителя возможность бесфонных переходов пропорциональна площади под кривой резонансного поглощения. Ядерный гамма-резонанс может быть применен для исследования колебательных параметров решетки твердого тела либо примесных атомов в этой решетке. Более комфортным экспериментальным параметром в данном случае является площадь диапазона S, потому что она является интегральной чертой и не находится в зависимости от формы диапазона испускания резонансных квантов и самопоглощения в источнике. Эта площадь сохраняется при расщеплении диапазона на несколько компонент в итоге сверхтонких взаимодействий.

Простой диапазон резонансного поглощения узкого поглотителя представляет собой одиночную линию лоренцевской формы. Интенсивность прошедшего через поглотитель излучения мала в максимуме поглощения. В качестве примера на рис. 1.15 приведены мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.

Рис. 1.15 Мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс)
Рубрика (тематическая категория)	Технологии

Мёссбауэра эффект (ЯГР - ядерный гамма резонанс)-испускание или поглощение гамма- квантов атомными ядрами в твердом телœе, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ не сопровождается испусканием или поглощением фононов. Открыт в 1958 ᴦ. Рудольфом Мёссбауэром в ФРГ. Стоит сказать, что для наблюдения эффекта используются низколежащие долгоживущие ядерные уровни с энергией не более 200 кэв и временами жизни . -естественная ширина уровня. Для ядра желœеза энергия -гамма квантов .

Эффект наблюдается для 73 изотопов 41 элемента. Стоит сказать, что для наблюдения резонансного поглощения и получения спектров необходима одинаковость состояний мёссбауэровских атомов в излучателœе и поглотителœе. Настройка в резонанс происходит движением источника или поглотителя со скоростью V . Изменение энергии за счёт эффекта Доплера . Для ядра ширина уровня и рабочие скорости .

В адсорбционном варианте ЯГР источником излучения являются ядра , которые при захвате собственного электрона с К-оболочки превращаются в ядра желœеза в воздужденном состоянии с энергией 136,4 Кэв. Это состояние образует метастабильное состояние с энергией 14,4 кэв, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ используется в мёссбауэровской спектроскопии желœеза. Мёссбауэровские спектры позволяют определить размеры нанокластеров в области 1-10 нм при известной константе анизотропии вещества. На рис показаны суперпарамагнитные мёссбауэровские спектры нанокластеров оксида желœеза при разных температурах измерения. Нанокластеры были получены твердотельной химической реакцией разложения оксалата желœеза при температуре разложения .

Мёссбауэровская спектроскопия – совокупность методов исследования микроскопических объектов ядер, ионов. химических и биологических комплексов в твердых телах.

Наиболее важные применения это сдвиги и сверхтонкие расщепления мёссбауэровских линий связанные с взаимодействием электрических и магнитных моментов ядра с внутрикристаллическими полями вызывающими расщепление ядерных уровней.

Химический (изомерный) сдвиг мёссбауэровской линии наблюдается, когда источник и поглотитель химически не тождественны.

Сдвиг линии испускания и поглощения ,к примеру, при изменении заряда иона и составляет 32 мм/с при точности измерения 0,1 мм/сек. Это позволяет установить корреляцию между величинами и электроотрицательностью ближайших ионов.

Рис Химический изомерный сдвиг мёссбауэровской линии для двух ионов нептуния.

Квадрупольное расщепление ядерных уровней , приводящее к расщеплению линий мёссбауэроского спектра возникает из-за взаимодействия электрического квадрупольного момента ядра с градиентом электрического поля кристалла (при некубической симметрии окружения). Расстояние между расщепленными линиями составляет для ядра со спином 3/2.

где - z -компонета тензора градиента электрического поля (ГЭП) на ядре. -параметр асиметрии тензора ГЭП.

За счёт поляризации собственной электронной оболочки иона содержащего резонансное ядро градиент ГЭП может изменится раз, и даже изменит знак. .

Фактор Штерхаймера –антиэкранирующий фактор зависит от химического состояния резонансного иона.

Измерение спектров квадрупольного расщепления дает сведения о структуре и электронных свойствах матрицы твердого тела. К примеру, в спектре поглощения ядер высокотемпературного сверхпроводника (температура сверхпроводящего перехода 72 К ) наблюдается 3 квадрупольных дублета соответствующих ионам Fe замещающим ионы Cu в структурных позициях с различным кислородным окружением. Химические сдвиги для трех позиций Fe одинаковы и близки к сдвигу в металлическом желœезе, ᴛ.ᴇ. плотность s -электронов приблизительно одинакова во всœех узлах решетки. Это означает, что валентные электроны для данного сверхпроводника делокализованы по кристаллу.

Магнитное сверхтонкое расщепление ядерных уровней и мёссбауэровских линий вызывается взаимодействием магнитного момента ядра и магнитного поля в месте расположения ядра. Энергия магнитного сверхтонкого взаимодействия пропорциональна произведению ядерного магнитного момента на локальное магнитное, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ принято называть сверхтонким магнитным полем. Это взаимодействие расщепляет ядерное состояние на 2I+1 зеемановские подуровни расстояние между которыми равно (I -спин ядра). Число компонент сверхтонкой структуры в мёссбауэровском спектре равно числу -переходов между зеемановскими подуровнями возбужденного и основного состояний ядра, разрешенных правилом отбора по магнитному квантовому числу. Для магнитного дипольного -перехода между состояниями () в мёссбауэровском спектре наблюдаются 6 компонент магнитной сверхтонкой структуры.

Сверхтонкая структура линий мёссбауэровского спектра в парамагнениках

Приведен спектр примесных ионов желœеза в нитрате алюминия состоящий из спектров трех крамерсовых дублетов, на которые расщепляется основное состояние иона желœеза Fe 3+

Заключение. Мёссбауэровская спектроскопия позволяет в одном эксперименте определить вероятности эффекта Мёссбауэра, величину температурного смещения,химического сдвига. Квадрупольного и магнитного расщеплений,формы линий отдельных компонент. Это сочетается с возможностью влиять на мёссбауэровские спектры температурой, давлением, магнитным и электрическим полями, ультразвуком и радиочастотным излучением. Возможность исследовать объекты размером от одного тмоносоя до массивного образца делает мёссбауэровскую спектроскопию уникальным методом анализа физических и химических свойств твердых тел.

Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс) - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс)" 2017, 2018.

СОДЕРЖАНИЕ: История открытия Ядерное резонансное поглощение гамма излучения Техника месбауэровского эксперимента Сверхтонкие взаимодействия и мессбауэровские параметры Практические применения метода: - Фазовый анализ в материаловедении и геохимии - Анализ поверхности - Динамические эффекты

История открытия ядерного гамма резонанса (эффекта Мессбауэра) Атомный резонансный процесс в оптическом диапазоне длин волн хорошо известен. Он был предсказан Д. Релеем и нашел свое экспериментальное подтверждение в 1904 г. в известном опыте Роберта Вуда, в котором Вуд использовал желтый свет, испускаемый атомами натрия (так называемые D-линии натрия), который можно получить, поместив в пламя небольшое количество поваренной соли. Каждой D – линии соответствует собственная частота колебаний атома натрия, или, более точно, внешних электронов этого атома. Чтобы наблюдать резонанс, необходимо иметь другие атомы натрия, не находящиеся в пламени. Вуд использовал откачанный стеклянный баллон, содержащий небольшое количество металлического натрия. Давление паров натрия таково, что при нагревании выше комнатной температуры количество паров натрия в баллоне было достаточным для проведения опыта. Если свет от натриевого пламени сфокусировать на баллон, то можно наблюдать появление слабого желтого свечения. Атомы натрия в колбе действуют аналогично настроенному камертону. Они поглощают энергию падающего пучка желтого света, а затем высвечивают ее в разные стороны.

Пятьдесят лет назад, в 1958 году, немецкий физик 1958 года Рудольф Людвиг Мёссбауэр, работая над диссертацией доктора философии в Институте им. М. Планка в Гейдельберге, представил в немецкий физический журнал статью с названием «Ядерная резонансная флуоресценция гамма излучения в Ir 191» , которая была опубликована в середине того же года. А уже осенью 1958 года, выполнил первые эксперименты, в которых для сканирования резонансных линий использовал эффект Доплера. В конце 1958 года, он опубликовал полученные экспериментальные данные, заложившие основу нового экспериментального метода – ядерной гамма-резонансной спектроскопии, которая часто называется Мёссбауэровской спектроскопией (МС). В 1961 году за открытие и теоретическое обоснование этого явления Рудольфу Мессбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике.

Влияние эффекта отдачи при поглощении и испускании гамма излучения ядрами Энергия отдачи: 57 Fe Энергия Допплера: : ET = 14. 4 кэ. В, t 1/2 = 98 нс, Г = 4. 6· 10 -9 э. В, → ER~ 2· 10 -3 э. В

Распределение испускаемых поглощаемых гамма квантов по энергиям Для ядер свободных атомов Для ядер атомов в кристаллической решетке при низких температурах

Сравнение основных параметров между электронными и ядерными переходами Параметры переходов Энергия перехода, ЕТ (э. В) Среднее время жизни возбужденного состояния, (сек) Естественная ширина резонансной линии, Γ=ħ/τ (э. В) Энергетическое разрешение, Г/ЕТ Энергия отдачи, ЕR (э. В) Отношение ЕR/Г Электронный переход для D-линии Na Ядерный переход 57 Fe Ядерный переход 119 Sn 2. 1 14 413 23 800 1. 5× 10 -8 1. 4× 10 -7 2. 8× 10 -8 4. 4× 10 -8 4. 6× 10 -9 2. 4× 10 -8 2. 1× 10 -8 3. 1× 10 -13 1× 10 -12 ~10 -10 1. 9× 10 -3 2. 5× 10 -3 ~2. 3× 10 -3 4. 1× 105 1. 4× 105

Ядерные параметры основных Мессбауэровских изотопов Изотоп 57 Fe 61 Ni 119 Sn 121 Sb 125 Te 127 I 129 I 149 Sm 151 Eu 161 Dy 193 Ir 197 Au 237 Np Eγ, кэ. В Гr/(ммс-1) =2 Гест Ig Ie 14. 41 67. 40 23. 87 37. 15 35. 48 57. 60 27. 72 22. 5 21. 6 26. 65 73. 0 77. 34 59. 54 0. 192 0. 78 0. 626 2. 1 5. 02 2. 54 0. 59 1. 60 1. 44 0. 37 0. 60 1. 87 0. 0067 1/23/21/2+ 5/2+ 7/2+ 7/25/2+ 3/2+ 5/2+ 3/25/23/2+ 7/2+ 5/2+ 5/27/2+ 5/21/2+ 5/2 - α 8. 17 0. 12 5. 12 ~10 12. 7 3. 70 5. 3 ~12 29 ~2. 5 ~6 4. 0 1. 06 Природное содержание % 2. 17 1. 25 8. 58 57. 25 6. 99 100 nil 13. 9 47. 8 18. 88 61. 5 100 nil Распад ядра 57 Co (EC 270 d) 61 Co (ß-99 m) 119 m. Sn (IT 50 d) 121 m. Sn (ß-76 y) 125 I (EC 60 d) 127 m. Te (ß-109 d) 129 m. Te (ß-33 d) 149 Eu (EC 106 d) 151 Gd (EC 120 d) 161 Tb (ß-6. 9 d) 193 Os (ß-31 h) 197 Pt (ß-18 h) 237 Am (α 458 y) ЕС-электронный захват, ß –бета распад, IT- изомерный переход, α- альфа распад

Схемы радиоактивного распада, в результате которых возникает заселенность мессбауэровского уровня на ядрах 57 Fe и 119 m. Sn

Вероятность резонансного процесса без отдачи. Фактор Лэмба-Мессбауэра f – вероятность процесса поглощения или испускания гамма квантов без отдачи f – зависит от колебательных свойств кристаллической решетки, т. е. от вероятности возбуждения фонов в твердом теле - средний квадрат амплитуды колебаний в направлении излучения гамма кванта, усредненный за время жизни ядра в возбужденном состоянии λ– длина волны гамма кванта

Влияние фононных процессы на поглощение или рассеяние без отдачи а б в Колебательные спектры решеток твердого тела а – модель Эйнштейна, б-модель Дебая, в- модель Борна-Кармана

СВЕРХТОНКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕССБАУЭРОВСКИЕ ПАРАМЕТРЫ Мессбауэровский Тип взаимодействия параметр Изомерный сдвиг Электрическое монопольное (кулоновское) между ядрами и δ(мм/с) протонами Извлекаемая информация Спиновое состояние атома (HS, LS, IS) Электроотрицательность лигандов Степень окисления Электронная плотность Квадрупольное расщепление ΔЕQ(мм/с) Электрическое квадрупольное взаимодействие между квадрупольным моментом ядра и неоднородным электрическим полем Молекулярная симметрия Характеристика зонной структуры Спиновое состояние атома (HS, LS, IS) Магнитное расщепление ΔЕМ(мм/с) Магнитное дипольное взаимодействие между магнитным моментом ядра и магнитным полем Характер и величина магнитного взаимодействия (ферромагнетизм, антиферромагнетизм и т. д.

Изомерный сдвиг в железосодержащих соединениях При экспериментальном измерении изомерных химических сдвигов всегда важно, какой используется стандарт, относительно которого будут определяться эти сдвиги. Так для измерений на 57 Fe официальным стандартом является соединение этого изотопа Na 2 или металлическое железо. Для 119 m. Sn общепринятым стандартом является Sn. O 2.

Электрическое квадрупольное взаимодействие Квадрупольное расщепление ΔЕQ ΔEQ где: m. I=+I, +I-1, …, -I Для 57 Fe Iв=3/2 , Io=1/2 при η=0

Комбинированное магнитное дипольное и электрическое квадрупольное взаимодействие Обычно Для 57 Fe и осевой симметрии (η=0) :

Процесс разрядки ядра 57 Fe после резонансного возбуждения. Тип испускаемого излучения E кэ. В Интенсивность (отн. един.) Глубина выхода Мессбауэровское излучение 14, 4 0, 10 20 мкм Рентгеновское Излучение К-оболочки 6, 4 0, 28 20 мкм К-конверсионные электроны 7, 3 0, 79 10 нм 400 нм L-конверсионные электроны 13, 6 0, 08 20 нм 1, 3 мкм М-конверсионные электроны …………… 14, 3 0, 01 20 нм 1, 5 мкм K – LL – Оже электроны 5, 5 0, 63 7 нм 400 нм L – MM – Оже электроны 0, 53 0, 60 1 нм 2 нм

Динамика сверхтонких взаимодействий и релаксация Среди методов исследования железосодержащих магнитных свойств наночастиц, одним из наиболее информативных является мессбауэровская спектроскопия. В отличие от магнитных измерений, мессбауэровская спектроскопия может выявить магнитную динамику наночастиц в частотном диапазоне 107 – 1010 с-1, характерных для мессбауэровского «окна» . Форма экспериментальных мессбауэровских спектров низкоразмерных объектов сильно усложняется по сравнению со спектрами для массивных объектов. Причинами этого могут быть: либо суперпозиция статического набора сверхтонких структур, обусловленная различием в локальном окружении резонансных атомов, либо влиянием различного рода динамических процессов (например, диффузия, парамагнитная, спин-спиновая, спин-решеточная релаксации и т. п.

Форма мессбауэровских спектров магнитоупорядоченных материалов 1. Случай хорошо разрешенной сверхтонкой структуры: 2. Случай суперпозиции большого набора сверхтонких структур: 3. Случай суперпарамагнитной релаксации: здесь- p-вероятность переориентации магнитного момента атома на угол /2 между осями легкого намагничивания, q-вероятность его переворота в единицу времени

Селективное возбуждение подуровней магнитной сверхтонкой структуры а) - схема переходов между ядерными подуровнями основного и возбужденного состояний -Fe, б) - экспериментальный КЭМ спектр для тонкой пленки -Fe, в) - энергетический спектр рассеянного излучения при возбуждении уровня -3/2, г) энергетический спектр рассеянного излучения при возбуждении уровня +1/2.

а) - спектр на поглощение алюмозамещенного гетита (8 мол. %) и спектры селективного возбуждения (сверху вниз). в) - с спектр на поглощение алюмозамещенного гетита (2 мол. %) и спектры селективного возбуждения (сверху вниз). Стрелкой показаны энергии возбуждающего излучения.

Cтраница 1

Ядерный гамма-резонанс (ЯГР) - излучение или поглощение гамма-квантов твердым телом без рождения в нем фононов - не относится к числу магнитных резонансов.  

Ядерный гамма-резонанс (эффект Мессбауэра) позволяет получать ценную информацию о строении электронных оболочек атомов, содержащих мессбауэровские ядра. Существенным недостатком метода является ограниченность числа элементов, практически доступных для исследования. В настоящей работе сделана попытка преодолеть это ограничение, используя результаты мессбауэровских измерений на ядрах Sn119 и Sb121 атомов олова и сурьмы, входящих в состав соединений, а также на ядрах Fe57 примесных атомов железа в качестве критерия применимости различных подходов при теоретическом расчете эффективных зарядов атомов в соединениях рассматриваемого типа.  

Спектроскопия ядерного гамма-резонанса (мессбауэровская спектроскопия) позволяет обнаружить слабые возмущения энергетических уровней ядер железа окружающими электронами. Этот эффект представляет собой явление испускания или поглощения мягкого v-излучения без отдачи ядер. Интересующий нас ядерный переход с энергией 14 36 кэВ - происходит между состояниями / 3 / 2 и / 1 / 2 мессбауэровского изотопа 57Fe, где / - ядерное спиновое квантовое число. Для белка с молекулярным весом 50 000, который связывает 1 атом железа на молекулу, и в отсутствие изотопного обогащения это соответствует весу образца 2 5 г. Рассматриваемые здесь многоядерные белки содержат гораздо больше железа и вполне подходят для исследования методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии. Широко исследуются четыре возможных типа взаимодействия между ядром 57Fe и его электронным окружением: изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление, ядерные магнитные сверхтонкие взаимодействия, ядерные зеемановские взаимодействия.  

Суть ядерного гамма-резонанса, или так называемого эффекта Мессбауэра, состоит в том, что у кванты испущенные при переходе возбужденного ядра в основное состояние, могут равновесно поглощаться невозбужденными ядрами с переходом последних в возбужденное состояние. Аналогичное явление хорошо известно в обычной оптике; существенно лишь то, что при сравнительно большом импульсе у-квантов следовало бы ожидать сильной отдачи как у испускающего; так и у поглощающего ядра и тем самым невозможности резонансного поглощения из-за эффекта Допплера. Мессбауэр показал, что по крайней мере в значительной доле случаев отдачу принимает на себя кристалл (или тяжелая молекула) как жесткое целое, и явлением отдачи при этом, естественно, можно пренебречь.  

Явление ядерного гамма-резонанса на атомных ядрах заключается в резком возрастании вероятности поглощения или рассеяния у-кван-тов с энергией, соответствующей возбуждению ядерных переходов.  

Исследование с помощью ядерного гамма-резонанса показало, что изучаемые частицы железа не окислены.  

Методом рентгеноструктурного анализа и ядерного гамма-резонанса было установлено, что данное изменение кристаллической структуры не связано с изменением концентрации углерода в твердом растворе, а обусловлено обратимыми переходами атомов внедрения (углерода) из октаэдрических междоузлий к радиационным дефектам. Для таких переходов не требуется диффузии углерода на значительные расстояния - она совершается в пределах элементарной ячейки. Повышенная концентрация точечных дефектов, созданных облучением в кристаллической решетке мартенсита, стимулирует переходы атомов внедрения с одних позиций на другие, энергетически более выгодные при данных температурах.  

Нами были проведены наблюдения ядерного гамма-резонанса в образцах различных массивных многокомпонентных оловосодержащих стекол и стекловолокнах того же химического состава. Составы стекол приведены в таблице.  

Нами было проведено изучение ядерного гамма-резонанса в комплексных соединениях железа с анионами 4-бутироил - и 4-бензоил - 1 2 3-три-азола. Спектры получены на спектрометре ЯГР механического типа, источник Со57 в хроме.  

Обработка экспериментальных данных по ядерному гамма-резонансу возможна только в том случае, если проведена калибровка ЯГР спектрометра по скоростям и определены положения линий поглощения каких-либо веществ, выбранных в виде стандарта. Обычно в качестве стандарта используют вещества, которые могут быть достаточно легко изготовлены и воспроизведены в идентичных условиях. Они должны быть стабильны, должны иметь достаточно большую величину вероятности поглощения - у-квантов без потери энергии на отдачу, их мессбауэровские спектры должны представлять собой узкую линию, характеризующуюся малым температурным сдвигом.  

Хотя квадруполыюе расщепление усложняет вид спектров ядерного гамма-резонанса (ЯГР) (рис. 111 6), но оно помогает вывести ряд важных заключений о структуре и симметрии исследуемых соединений. Это соединение (служившее поглотителем) было синтезировано с применением изотопа 1291 - долгоживущего продукта реакции деления. Сложный вид спектра обусловлен как квадрупольным расщеплением, так и тем, что иод находится в этом соединении в двух различных позициях.  

Нами было предпринято систематическое исследование методом ядерного гамма-резонанса (ЯГР) соединений олова с элементами пятой и шестой групп, а также халькогенидных полупроводниковых стекол в системе мышьяк - селен - олово с целью получения информации о химической связи и внутренних кристаллических полях в этих соединениях.  

Изучение узких линий проводят с помощью метода ядерного гамма-резонанса, который принято называть мессбауэровской спектроскопией. На рис. 8.14 показана типичная схема экспериментальной установки.  

Метод мессбауэровской спектроскопии, называемой иногда спектроскопией ядерного гамма-резонанса (ЯГР), основан на изучении поглощения у-излучения какого-то ядра-источника ядром того же изотопа, находящимся в исследуемом образце. Условия резонанса соблюдаются только тогда, когда устранен также эффект отдачи ядер при испускании и поглощении у-квантов, а также скомпенсирован каким-то образом эффект Допплера. Метод получил свое развитие именно с того момента, когда это было понято, а еще раньше экспериментально был найден простой и едва ли не единственно возможный путь ликвидации потерь на отдачу.  

План:

Введение

• 1 Природа эффекта
  • 1.1 Интерпретация эффекта
• 2 Мёссбауэровские изотопы
• 3 Открытие эффекта и его значение
  • 3.1 Предыстория
  • 3.2 Ожидание
  • 3.3 Обнаружение
  • 3.4 Обоснование
  • 3.5 Признание
• 4 Применения эффекта Мёссбауэра
  • 4.1 Эксперименты на основе эффекта Мёссбауэра

Введение

Эффект Мёссбауэра или ядерный гамма-резонанс , открытый в 1957 или 1958 году Рудольфом Мёссбауэром в Институте им. М. Планка в Гейдельберге (ФРГ), состоит в резонансном испускании или поглощении гамма-фотонов без изменения фононного спектра излучателя или поглотителя излучения соответственно. Иными словами, эффект Мёссбауэра - это резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи. Имеет существенно квантовую природу и наблюдается при изучении кристаллических, аморфных и порошковых образцов, содержащих один из 87 изотопов 46 элементов.

1. Природа эффекта

При испускании или поглощении гамма-кванта, согласно закону сохранения импульса, свободное ядро массы M получает импульс отдачи p = E 0 / c и соответствующую этому импульсу энергию отдачи . На эту же величину оказывается меньше по сравнению с разностью энергий между ядерными уровнями E 0 энергия испущенного гамма-кванта, а резонансное поглощение наблюдается для фотонов с энергией, равной E 0 + R . В итоге, для одинаковых ядер линии испускания и поглощения разнесены на величину 2R и условие резонанса может быть выполнено только в случае совмещения этих линий, либо их частичного перекрытия. В газах энергию отдачи получает одно излучающее ядро массы M , тогда как в твёрдых телах помимо процессов, когда за счёт энергии отдачи возбуждаются фононы, при определённых условиях смещение только одного атома или небольшой группы атомов становится невозможным, и отдачу может испытать лишь весь кристалл целиком. Масса кристалла на много порядков больше массы ядра, а значит и величина R становится пренебрежимо малой. В процессах испускания и поглощения гамма-квантов без отдачи энергии фотонов равны с точностью до естественной ширины спектральной линии.

1.1. Интерпретация эффекта

В 2000 в журнале Hyperfine Interactions Мёссбауэр дал наглядную интерпретацию эффекта:

Ситуация … напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо́льшую часть энергии согласно закону сохранения импульса получает лёгкий камень, но небольшая часть энергии броска переходит в кинетическую энергию получающей отдачу лодки. Летом лодка просто приобретёт некоторое количество движения, соответствующее отдаче, и отплывёт в направлении, противоположном направлению броска . Однако зимой, когда озеро замерзнет, лодку будет удерживать лёд, и практически вся энергия броска будет передана камню, лодке (вместе с замерзшим озером и его берегами ) достанется ничтожная доля энергии броска . Таким образом, отдача будет передаваться не одной только лодке, а целому озеру, и бросок будет производиться «без отдачи».

Если человек натренирован так, что всегда затрачивает на бросок одинаковую энергию, и в цель, расположенную на удалении, он сможет попасть, стоя на том же расстоянии от неё на твёрдом грунте, то при броске камня с лодки отдача будет приводить к «недобросу». Тепловое уширение в этом представлении соответствует волнению на озере, которое увеличивает разброс прицельно бросаемых камней, а неизбежные собственные невынужденные ошибки спортсмена характеризуются естественным разбросом или кучностью бросков, аналогичными естественной ширине спектральной линии излучения/поглощения и времени жизни соответствующего ей возбуждённого состояния ядра.

2. Мёссбауэровские изотопы

3. Открытие эффекта и его значение

3.1. Предыстория

Около 1852 Дж. Г. Стокс впервые наблюдал флуоресценцию - поглощение флюоритом падающего света с последующим испусканием света поглотителем. Впоследствии аналогичные исследования проводились с различными материалами.

В 1900 П. Виллард обнаружил гамма-лучи - испускаемое радием монохроматическое электромагнитное излучение с высокой энергией фотонов.

В 1904 Р. Вуд продемонстрировал резонансную оптическую флуоресценцию, которая характеризуется испусканием поглощённой световой энергии в виде излучения той же частоты. Особенно широко известна именно исследованная им резонансная флуоресценция жёлтого дублета натрия.

3.2. Ожидание

В 1929 В. Кун предположил возможность и осуществил попытку наблюдения резонансного поглощения гамма-лучей как аналога оптической флуоресценции в ядерной физике. Попытки обнаружения резонансного поглощения гамма-квантов в опытах с неподвижными источником и поглотителем излучения не увенчались успехом. Однако работа Куна ценна тем, что в ней этот швейцарский физико-химик постарался проанализировать причины своей неудачи, выделив три основных источника ослабления поглощения:

• тепловое уширение изначально узкой линии ядерного перехода;
• дополнительное уширение в связи с возможной отдачей при испускании β-частиц;
• существенное смещение линии из-за большой энергии отдачи при излучении гамма-фотонов с комментарием:

… Третий вклад, уменьшающий поглощение, возникает в связи с процессом испускания гамма-луча. Излучающий атом будет испытывать отдачу, обусловленную испусканием гамма-луча. Длина волны излучения, таким образом, испытывает красное смещение; линия испускания смещается относительно линии поглощения… Возможно, поэтому, что из-за значительного гамма-смещения вся линия испускания покидает область линии поглощения…

Кун здесь, правда, рассматривал только смещение и уширение линии испускания, не обращая внимания на эффект Доплера и отдачу ядра при поглощении гамма-фотона.

3.3. Обнаружение

В 1950-1951 британский физик Ф. Б. Мун опубликовал статью, в которой впервые описывал экспериментальное наблюдение эффекта. Идея эксперимента заключалась в том, чтобы разместить источник гамма-излучения 198 Au на ультрацентрифуге, тем самым обеспечивая компенсацию энергии отдачи доплеровским смещением спектральной линии. Считая наблюдаемый эффект резонансным ядерным рассеянием гамма-квантов, он описал резонансную ядерную флуоресценцию.

Примерно в это же время шведский учёный К. Мальмфурс исследовал поглощение гамма-квантов в той же комбинации 198 Au и 198 Hg, пытаясь добиться увеличения поглощения за счёт теплового уширения линий нагреванием золота в пламени паяльной лампы. Действительно, количество отсчётов немного возросло, и Мальмфурс сообщил в своей статье, что

…Условие резонансного эффекта выполняется в тех случаях, когда направленная в сторону поглотителя компонента тепловой скорости [источника], направленная в сторону рассеивающего вещества (ртути), компенсирует отдачу ядра…

3.4. Обоснование

В 1953 профессор Мюнхенского технического университета Г. Майер-Лейбниц назначил своему аспиранту Рудольфу Мёссбауэру тему магистерской диссертационной работы: продолжение исследований температурно зависимого поглощения гамма-излучения, начатых Мальмфурсом с использованием 191 Os и, в качестве дополнительной задачи, определение в то время не известной величины энергии бета-распада осмия-191. После защиты Мёссбауэром магистерской диссертации, Майер-Лейбниц предложил ему продолжить работу по этой теме, готовя диссертацию доктора философии (PhD ) в Гейдельбергском институте медицинских исследований им. Макса Планка. Несмотря на настойчивые указания научного руководителя следовать методу Мальмфурса и искать перекрытия линий испускания и поглощения в области высоких температур, Мёссбауэр проявил самостоятельность, рассчитав, что удобнее, напротив, сконструировать криостат для охлаждения образцов до температуры жидкого азота. При этом он ожидал наблюдать такую температурную зависимость поглощения, при которой перекрытие линий становится слабее, а частота отсчётов квантов прошедшего через поглотитель излучения должна возрастать. Получив обратный результат, то есть усиление резонансной ядерной гамма-флуоресценции, он преодолел чрезмерный скепсис и тщательно обдумал результат. В результате Мёссбауэр понял, что использовавшаяся полуклассическая концепция излучающих и поглощающих ядер как свободных частиц для твёрдых тел не подходит: в кристаллах атомы сильно связаны друг с другом и характеризуются существенно квантовым поведением.

3.5. Признание

В 1961 году за открытие и теоретическое обоснование явления ядерного гамма-резонанса Р. Л. Мёссбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике (совместно с Р. Хофштадтером, получившим премию за свои исследования рассеяния электронов на ядрах).

4. Применения эффекта Мёссбауэра

Метод ядерного гамма-резонанса используется в физическом материаловедении, химии, минералогии и биологии (например, при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках). Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца мёссбауэровскими изотопами, повышая, например, содержание 57 Fe в пище подопытных животных. В минералогии эффект Мёссбаура применяется главным образом для определения структурного положения ионов Fe и определения степени окисления железа.