Русские астрофизики. Российские астрономы «состарили» планеты. Русская астрономия

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.

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.

Мёссба уэра эффе кт, резонансное поглощение g -квантов , наблюдаемое, когда источник и поглотитель g -излучения - твёрдые тела, а энергия g -квантов невелика (~ 150 кэв). Иногда Мёссбауэра эффект называется резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР).

В 1958 Р. Мёссбауэр обнаружил, что для ядер, входящих в состав твёрдых тел, при малых энергиях g -переходов может происходить испускание и поглощение g -квантов без потери энергии на отдачу. В спектрах испускания и поглощения наблюдаются несмещенные линии с энергией, в точности равной энергии g -перехода, причём ширины этих линий равны (или весьма близки) естественной ширине G . В этом случае линии испускания и поглощения перекрываются, что позволяет наблюдать резонансное поглощение g -квантов.

Это явление, получившее наименование Мёссбауэра эффекта, обусловлено коллективным характером движения в твёрдом теле. Благодаря сильному взаимодействию в твёрдых телах энергия отдачи передаётся не отдельному ядру, а превращается в энергию колебаний кристаллической решётки, иными словами, отдача приводит к рождению фононов. Но если энергия отдачи (рассчитанная на одно ядро) меньше средней энергии фонона, характерной для данного , то отдача не каждый раз будет приводить к рождению фонона. В таких «бесфононных» случаях отдача не изменяет . Кинетическая же энергия, которую приобретает в целом, воспринимая импульс отдачи g -кванта, пренебрежимо мала. Передача импульса в этом случае не будет сопровождаться передачей энергии, а поэтому положение линий испускания и поглощения будет точно соответствовать энергии E перехода.

Вероятность такого процесса достигает нескольких десятков %, если энергия g -перехода достаточно мала; практически Мёссбауэра эффект наблюдается только при D E » 150 кэв (с увеличением E вероятность рождения фононов при отдаче растет). Вероятность Мёссбауэра эффекта сильно зависит также от . Часто для наблюдения Мёссбауэра эффекта необходимо охлаждать источник g -квантов и поглотитель до жидкого или жидкого , однако для g -переходов очень низких энергий (например, E = 14,4 кэв для g -перехода ядра 57 Fe или 23,8 кэв для g -перехода ядра 119 Sn) Мёссбауэра эффект можно наблюдать вплоть до , превышающих 1000 °С. При прочих равных условиях вероятность Мёссбауэра эффекта тем больше, чем сильнее взаимодействие в твёрдом теле, т. е. чем больше энергия фононов. Поэтому вероятность Мёссбауэра эффекта тем выше, чем больше .

Существенным свойством резонансного поглощения без отдачи, превратившим Мёссбауэра эффект из лабораторного эксперимента в важный метод исследования, является чрезвычайно малая ширина линии. Отношение ширины линии к энергии g -кванта при Мёссбауэра эффекта составляет, например, для ядер 57 Fe величину » 3´ 10 -13 , а для ядер 67 Zn » 5,2´ 10 -16 . Такие ширины линий не достигнуты даже в газовом , являющемся источником самых узких линий в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитных волн. С помощью Мёссбауэра эффекта оказалось возможным наблюдать процессы, в которых энергия g -кванта на чрезвычайно малую величину (»G или даже небольших долей G ) отличается от энергии перехода ядер поглотителя. Такие изменения энергии приводят к смещению линий испускания и поглощения друг относительно друга, что влечёт за собой изменение величины резонансного поглощения, которое может быть измерено.

Возможности методов, основанных на использовании Мёссбауэра эффекта, хорошо иллюстрирует эксперимент, в котором удалось измерить в лабораторных условиях предсказанное относительности теорией изменение частоты кванта электромагнитного излучения в гравитационное поле Земли. В этом эксперименте (Р. Паунда и Г. Ребки, США, 1959) источник g -излучения был расположен на высоте 22,5 м над поглотителем. Соответствующее изменение гравитационного потенциала должно было привести к относительному изменению энергии g -кванта на величину 2,5´ 10 -15 . Сдвиг линий испускания и поглощения оказался в соответствии с теорией.

Под влиянием внутренних электрических и магнитных полей, действующих на ядра в твёрдых телах (см. ), а также под влиянием внешних факторов ( , внешние магнитные поля) могут происходить смещения и расщепления уровней энергии ядра, а следовательно, изменения энергия перехода. Т. к. величины этих изменений связаны с микроскопической структурой твёрдых тел, изучение смещения линий испускания и поглощения даёт возможность получить информацию о строении твёрдых тел. Эти сдвиги могут быть измерены с помощью мёссбауэровских спектрометров (рис. 3 ). Если g -кванты испускаются источником, движущимся со скоростью v относительно поглотителя, то в результате эффекта Доплера энергия g -квантов, падающих на поглотитель, изменяется на величину Ev/c (для ядер, обычно применяемых при наблюдении Мёссбауэра эффекта, изменение энергии E на величину G соответствует значениям скоростей v от 0,2 до 10 мм/сек). Измеряя зависимость величины резонансного поглощения от v (спектр мёссбауэровского резонансного поглощения), находят то значение скорости, при котором линии испускания и поглощения находятся в точном резонансе, т. е. когда поглощение максимально. По величине v определяют смещение D E между линиями испускания и поглощения для неподвижных источника и поглотителя.

На рис. 4 , а показан спектр поглощения, состоящий из одной линии: линии испускания и поглощения не смещены друг относительно друга, т. е. находятся в точном резонансе при v = 0. Форма наблюдаемой линии может быть с достаточной точностью описана лоренцовой кривой (или Брейта - Вигнера формулой) с шириной на половине высоты 2G . Такой спектр наблюдается только в том случае, когда источника и поглотителя химически тождественны и когда на ядра в этих не действуют ни магнитное, ни неоднородное электрическое поля. В большинстве же случаев в спектрах наблюдаются несколько линий (сверхтонкая структура), обусловленных взаимодействием с внеядерными электрическими и магнитными полями. Характеристики сверхтонкой структуры зависят как от свойств ядер в основном и возбуждённом состояниях, так и от особенностей структуры твёрдых тел, в состав которых входят излучающие и поглощающие ядра.

Важнейшими типами взаимодействий с внеядерными полями являются электрическое монопольное, электрическое квадрупольное и магнитное дипольное взаимодействия. Электрическое монопольное взаимодействие представляет собой взаимодействие ядра с электростатическим полем, создаваемым в области ядра окружающими его ; оно приводит к возникновению в спектре поглощения сдвига линии d (рис. 4 , б), если источник и поглотитель химически не тождественны или если распределение электрического заряда в ядре неодинаково в основном и возбуждённом состояниях (см. ). Этот т. н. изомерный или химический сдвиг пропорционален в области ядра, и его величина является важной характеристикой в твёрдых телах (см. ). По величине этого сдвига можно судить об ионном и ковалентном характере , об в , об , входящих в состав , и т.д. Исследование химических сдвигов позволяет также получать сведения о распределении заряда в .

Важной для физики твёрдого тела характеристикой Мёссбауэра эффекта является также его вероятность. Измерение вероятности Мёссбауэра эффекта и её зависимости от атомов изотопов 41 элемента; самым лёгким среди них является 40 K, самым тяжёлым - 243 At.

Лит.: Эффект Мессбауэра. Сб. ст., под ред. Ю. Кагана, М., 1962; Мёссбауэр Р., Эффект RK и его значение для точных измерений, в сборнике: Наука и человечество, М., 1962; Фрауэнфельдер Г., Эффект Мёссбауэра, пер. с англ., М., 1964; Вертхейм Г., Эффект Мёссбауэра, пер. с англ., М., 1966; В. С., Резонанс гамма-лучей в , М., 1969; Химические применения , пер. с англ., под ред. В. И. Гольданского [и др.], М., 1970; Эффект Мессбауэра. Сб. переводов статей, под ред. Н. А. Бургова и В. В. Скляревского, пер. с англ., нем., М., 1969.

Н. Н. Делягин.

Рис. 3. Упрощённая схема мёссбауэровского спектрометра; источник g -квантов с помощью механического или электродинамического устройства приводится в возвратно-поступательное движение со скоростью v относительно поглотителя. С помощью детектора g -излучения измеряется зависимость от скорости v интенсивности потока g -квантов, прошедших через поглотитель.

Рис. 4. Спектры мессбауэровского резонансного поглощения g -квантов: I - интенсивность потока g -квантов, прошедших через поглотитель, v - скорость движения источника g -квантов; а - одиночные линии испускания и поглощения, не смещенные друг относительно друга при v = 0; б - изомерный или химический сдвиг линии. Сдвиг d пропорционален в области ядра и меняется в зависимости от особенностей в твёрдом теле; в - квадрупольный дублет, наблюдаемый для 57 Fe, 119 Sn, 125 Te и др. Величина расщепления D пропорциональна градиенту электрического поля в области ядра: г - магнитная сверхтонкая структура, наблюдаемая в спектрах поглощения для магнитоупорядоченных материалов. Расстояние между компонентами структуры пропорционально напряжённости магнитного поля, действующего на ядра в твёрдом теле.

Рис. 1. Схематическое изображение процессов излучения и резонансного поглощения g -квантов; излучающее и поглощающее ядра одинаковы, поэтому энергии их возбуждённых состояний E" и E"" равны.

Рис. 2. Смещение линий испускания и поглощения относительно энергии E g -перехода; Г - ширины линий.