Мёссбауэровская спектроскопия

Р. Мёссбауэром в 1957 году и названо эффектом

Мёссбауэра.
В 1961 году автор этого открытия получил Нобелевскую премию, а само явление нашло широкое применение при исследованиях электронной структуры твердых тел.

энергии (гамма-квантов) ядрами в твердом теле без потери энергии на

отдачу.

Поясним это определение. Дело в том, что атомное ядро, как и атом или ион, может находиться в основном состоянии, то есть состоянии с наименьшей энергией, и в возбужденных состояниях с более высокой энергией.

на рисунке, а по вертикали откладываются значения энергии.







Энергия основного

состояния при этом принимается равной нулю. Энергия первого возбужденного состояния различна у разных ядер и может составлять десятки килоэлектронвольт.

Энергетическая диаграмма и схема внутриядерных переходов изотопа 119 Sn. Слева указаны значения спина основного и возбужденного состояний этого изотопа, а также изомера 119mSn

гамма-кванта, энергия которого равна разности энергий между возбужденным и основным

состояниями ядра, либо в результате радиоактивного распада. В первом случае происходит поглощение гамма-кванта, во втором – при переходе ядра из возбужденного состояния в основное – происходит его испускание. Если ядра, испускающие или поглощающие гамма-кванты, находятся в состоянии теплового движения (жидкость, газ), то при этом в соответствии с законами сохранения энергии и импульса энергия гамма-квантовбудет определяться и состоянием движения ядер.

движения ядер в газе или жидкости могут быть различными, то

и энергии гамма-квантов будут составлять некоторый набор энергий, в результате чего линия поглощения (излучения) окажется широкой. При излучении же гамма-кванта ядра, сравнительно жестко закрепленные в узлах кристаллической решетки твердого тела, должны испускать (поглощать) кванты практически одной и той же энергии. При этом линия излучения (поглощения) становится очень узкой, ее ширина в отдельных измерениях при низких температурах становится практически равной естественной ширине линии. Именно поэтому эффект Мёссбауэра определяют как поглощение (излучение) гамма-квантов атомными ядрами без потери энергии на отдачу.

использована американскими физиками Паундом и Ребки в 1960 году для

экспериментального подтверждения одного из основных выводов общей теории относительности Эйнштейна – красного смещения частоты электромагнитного излучения в поле тяжести Земли. Наиболее широкое применение эффект Мёссбауэра нашел в физике и химии твердого тела.

на которых наблюдается эффект Мёссбауэра. Наиболее часто в физических экспериментах

используются два изотопа: 57Fe и 119Sn, что объясняется относительной простотой выполнения на них мёссбауэровских измерений.
Схема эксперимента для наблюдения эффекта была предложена и реализована Мёссбауэром в 1958 году и с тех пор лишь модернизируется.

определенных изотопов, например 57mFe и 119mSn для изотопов 57Fe и

119Sn с временами жизни 140 и 25,4 нс соответственно. В качестве материнских долгоживущих ядер, после распада которых образуются изомеры 57mFe и 119mSn, используются ядра 57Co (период полураспада 270 дней) и 119mSn (период полураспада 250 дней). Затем ставится поглотитель – вещество, содержащее тот же самый изотоп, что и излучатель, а за ним детектор гамма-квантов. Гамма-кванты, испускаемые излучателем, попадают на поглотитель. Те из них, энергия которых совпадает с разностью энергий возбужденного и основного состояний ядер изотопа в поглотителе, возбуждают ядро, поглощаясь при этом, и не попадают на детектор. Кванты же других частот проходят через поглотитель свободно и регистрируются детектором

гамма-квантов от энергии), необходимо изменять энергию гамма-квантов излучателя. Поскольку спектральные

линии в эффекте Мёссбауэра очень узкие, девиация (изменение) частоты гамма-квантов излучателя должна быть небольшой. Для этого используют эффект Доплера – зависимость частоты излучения электромагнитной энергии от скорости движения источника излучения.
Естественная ширина линии испускаемых излучателем гамма-квантов определяется соотношением
Г = h / τ
Где h – постоянная Планка, τ – время жизни короткоживущегоизотопа в возбужденном состоянии

поглотителе реализуется условие резонансного поглощения гамма-квантов, испускаемых излучателем.
Если же излучатель

движется со скоростью ±V, то энергия испускаемых излучателем гамма-квантов за счет эффекта Доплера будет меняться в пределах

∆Е = ± Е0 (V/c),
где Е0 – разность энергий между возбужденным и основным состояниями мёссбауэровского ядра (энергия изомерного перехода), с – скорость света

Следовательно, часть гамма-квантов, испускаемых излучателем, энергия которых отличается от Е0, будет свободно проходить через поглотитель.

и называется мёссбауэровским спектром

изотопы, но их электронные структуры различны, например, разное число внешних

(валентных) электронов, или различны типы химической связи в веществах излучателя и поглотителя, то энергии переходов для ядра источника гамма-квантов и ядра-поглотителя оказываются также различными. Это обусловлено тем, что энергии основного и возбужденного состояний атомного ядра кроме всего прочего определяются и электронно-ядерным (сверхтонким) взаимодействием. В результате любая перестройка внешней оболочки мёссбауэровского атома приводит к изменению энергии испускаемых (поглощаемых) гамма-квантов. Наличие разности в энергии перехода для излучателя и поглотителя приводит к тому, что при неподвижном излучателе не наблюдается резонансного поглощения гамма-квантов в поглотителе. Для того, чтобы зарегистрировать мёссбауэровский спектр в этом случае, необходимо изменить энергию гамма-квантов, испускаемых излучателем, что достигается движением излучателя со скоростью ±V, то есть использованием эффекта Доплера, о чем говорилось ранее.

окружении ближайших соседей. В бинарных и более сложных соединениях атом

металла, например, окружен и химически связан с несколькими атомами неметалла. Рассмотрим для простоты ионный кристалл, в котором будем предполагать химическую связь, имеющую чисто электростатическую природу, то есть атом металла отдает валентные электроны (или часть их) неметаллическому атому. В результате атом металла превращается в положительный ион (катион), а атом неметалла – в отрицательный ион (анион). Таким образом, ядро металлического атома оказывается в электрическом поле, создаваемом отрицательно заряжеными анионами. Это поле называется кристаллическим

ниже кубической, то электрическое поле на ядре не однородно. При

этом энергетический уровень ядра, имеющего собственный механический момент (спин) больше (1/2)ћ, расщепляется, то есть появляются несколько энергетических уровней, число которых определяется значением спина ядра. Причиной расщепления является взаимодействие электрического квадрупольного момента ядра с неоднородным кристаллическим полем. В частности, у изотопов 57Fe и 119Sn спин основного состояния равен ½ и возбужденного 3/2. В неоднородном электрическом поле энергетический уровень основного состояния остается нерасщепленным, а возбужденного – расщепляется на два. В результате мёссбауэровский спектр содержит две линии, расстояние между которыми определяется энергией квадрупольного взаимодействия

электрического взаимодействия, но и магнитного. Если в месте расположения ядра

действует магнитное поле В, а ядро имеет отличный от нуля магнитный момент μ, то энергия ядра в магнитном поле равна
Eμ = -μB
При классическом описании скалярное произведение векторов магнитного момента и магнитного поля может принимать любые значения от μB до –μB, то есть энергия ядра может изменяться непрерывно.
На самом деле это изменение энергии ядра в магнитном поле квантуется, то есть может принимать лишь значения , определяемые проекцией спина ядра I на направление магнитного поля . При этом число энергетических уровней равно 2I+1.

½ расщепляется на два, а возбужденное состояние (I = 3/2)

– на четыре подуровня

только с изменением проекции спина на ±1. Эти переходя на

рисунке обозначены стрелками. Соответственно в мёссбауэровском спектре наблюдаются шесть линий с отношением интенсивностей 3:2:1:1:2:3
Из структуры мёссбауэровского спектра можно получать значения магнитного поля на ядре. Природа этого поля может быть двоякой: внешнее магнитное поле или поле, обусловленное спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью вещества, как это имеет место в магнитоупорядоченных твердых телах (ферромагнетиках, антиферромагнетиках, ферримагнетиках, спиновых стеклах). В последнем случае мёссбауэровская спектроскопия применяется для исследования магнитных фазовых переходов, то есть переходов вещества при определенной температуре из парамагнитного состояния в магнитоупорядоченное

Магнитное сверхтонкое расщепление и разрешенные переходы для случая


Расположение

подуровней соответствует разным знакам g-факторов возбужденного и основного состояний .

в отдельных доменах (а) и для ферромагнетика, намагниченного параллельно (б)

или перпендикулярно (в) потоку γ-излучения. Положение компонент сверхтонкой структуры примерно соответствует структуре мессбауэровского спектра для 14,4 кэВ γ-перехода . Цифры в верхней части рисунка соответствуют нумерации γ-переходов на схеме, приведенной выше.

абсорбционная спектроскопия, когда исследуемый материал является поглотителем гамма-квантов. Абсорбционная мёссбауэровская

спектроскопия широко используется в физике и химии твердого тела для определения зарядового состояния атомов, симметрии их локального окружения и при исследовании процессов магнитного упорядочения. В настоящее время насчитывается около 90 мёссбауэровских изотопов. Основным недостатком абсорбционной мёссбауэровской спектроскопии является то, что для уверенной регистрации мёссбауэровских спектров необходимо, чтобы содержание мёссбауэровских атомов в исследуемом образце составляло несколько процентов от общего числа атомов, то есть она не может быть использована для изучения электронного состояния примесных атомов в твердых телах, содержание которых составляет тысячные доли процента

возбуждения подуровней сверхтонкой структуры мессбауэровских ядер с последующим анализом рассеянного

излучения.

Мессбауэровский спектрометр СM2201DR

Насрединов Ф.С., Серегин П.П. // Физика твердого тела. 1995. Т.37,№5.С.1265-1292.
Г.Н.Гончаров,

М.Л.Зорина, С.М.Сухаржевский, Спектроскопические методы в геохимии. – Л.: Изд-во ЛУ, 1982,гл.4.
Делягин Н.Н., Комиссарова Б.А., Крюкова Л.Н., Парфенова В.П., Сорокин А.А. Сверхтонкие взаимодействия и ядерные излучения. - М.: Изд-во МГУ, 1985, гл. 1, 3.
Вотяков С.Л., Миронов А.В., Суетин В.П., Галахова О.Л. Мессбауэровское исследование хромшпинелей из ультрамафитов Урала и кристаллохимическая интерпретация данных.
Интернет-ресурсы