INDHOLD: Opdagelsens historie Nuklear resonansabsorption af gammastråling Teknik for Mössbauer-eksperimentet Hyperfine interaktioner og Mössbauer-parametre Praktiske anvendelser metode: - Faseanalyse i materialevidenskab og geokemi - Overfladeanalyse - Dynamiske effekter

Historien om opdagelsen af ​​nuklear gamma-resonans (Mossbauer-effekten) Atomresonansprocessen i det optiske bølgelængdeområde er velkendt. Han blev forudsagt af D. Rayleigh og fandt sin eksperimentel bekræftelse i 1904 i Robert Woods berømte eksperiment, hvor Wood brugte det gule lys, der udsendes af natriumatomer (kaldet natrium D-linjer), som kan fremstilles ved at placere en lille mængde bordsalt i en flamme. Hver D-linje svarer til den naturlige frekvens af vibrationer af natriumatomet, eller mere præcist, de ydre elektroner af dette atom. For at observere resonans er det nødvendigt at have andre natriumatomer, der ikke er i flammen. Træ brugte en evakueret glasflaske indeholdende en lille mængde natriummetal. Natriumdamptrykket er sådan, at når det opvarmes over stuetemperatur mængden af ​​natriumdamp i cylinderen var tilstrækkelig til at udføre eksperimentet. Hvis lyset fra natriumflammen fokuseres på ballonen, kan der observeres et svagt gult skær. Natriumatomerne i kolben virker på samme måde som en stemt stemmegaffel. De absorberer energien fra en indfaldende stråle af gult lys og blinker den derefter i forskellige retninger.

For 50 år siden, i 1958, den tyske fysiker fra 1958 Rudolf Ludwig Mössbauer, mens han arbejdede på sin ph.d.-afhandling ved Instituttet. M. Planck i Heidelberg, præsenteret for tyskeren fysik journal en artikel med titlen "Nuclear resonance fluorescence of gamma radiation in Ir 191", som udkom i midten af ​​samme år. Og allerede i efteråret 1958 udførte han de første forsøg, hvor han brugte Doppler-effekten til at scanne resonanslinjer. I slutningen af ​​1958 offentliggjorde han de opnåede forsøgsdata, som lagde grunden til et nyt eksperimentel metode– nuklear gamma-resonansspektroskopi, som ofte kaldes Mössbauer-spektroskopi (MS). I 1961 for opdagelsen og teoretisk grundlag Dette fænomen tildelte Rudolf Mössbauer Nobelprisen i fysik.

Rekyleffektens indflydelse på absorption og emission af gammastråling fra kerner Rekylenergi: 57 Fe Dopplerenergi: ET = 14,4 kOe. V, t 1/2 = 98 ns, G = 4,6 10 -9 oe. V, → ER~ 2· 10 -3 e. I

Energifordeling af udsendte og absorberede gammakvanter For kerner af frie atomer For atomkerner i et krystalgitter kl. lave temperaturer

Sammenligning af hovedparametrene mellem elektroniske og nukleare overgange Overgangsparametre Overgangsenergi, ET (e.V) Gennemsnitlig levetid for den exciterede tilstand, (sek) Naturlig resonanslinjebredde, Γ=ħ/τ (e.V) Energiopløsning, G/ET Energirekyl, ER (e.V) Ratio ER/G Elektronisk overgang for Na D-linjen Nuklear overgang 57 Fe Nuklear overgang 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 10 -3 2. 5× 10 -3 ~2. 3× 10 -3 4. 1× 105 1. 4× 105

Nukleare parametre for de vigtigste Mössbauer isotoper Isotop 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, ke. V Gr/(mmms-1) =2 Gest Ig Ie 14. 41 67. 40 23. 87 37. 15 35. 48 57. 60 27. 72 22. 5 21. 6 26. 65 73. 0 75 34. 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 23/51/1+ /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 Naturligt indhold % 2. 17 1. 25 8. 58 57. 25 6. 99 100 nul 13. 9 47. 8 18. 88 61. 5 100 nul Forfaldskerne af 5 (7) 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) EC-elektronfangst, ß-beta henfald, IT-isomer overgang, α-alfa henfald

Skemaer af radioaktivt henfald, der resulterer i befolkningen i Mössbauer-niveauet på 57 Fe og 119 m kernerne. Sn

Sandsynlighed for en resonansproces uden rekyl. Lamb-Mössbauer faktor f - sandsynligheden for processen med absorption eller emission af gammastråler uden rekyl f - afhænger af vibrationsegenskaberne krystalgitter, dvs. på sandsynligheden for excitation af baggrunde i et solidt - midterste firkant amplituder af oscillationer i retning af gammakvantestråling, gennemsnittet over kernens levetid i den exciterede tilstand λ - bølgelængde af gammakvanten

Indflydelse af fononprocesser på absorption eller spredning uden rekyl a b c Vibrationsspektre af gitter solid a – Einstein model, b-Debye model, c- Born-Karman model

Super-tonede interaktioner af Messbauer-parametrene for Messbauer-typens interaktionsparameter er det elektriske monopolskifte mellem kernerne og δ (mm/s) protoner. Den udtrukne information om atomets spintilstand (HS, LS, IS) Elektrisk oxidationsgrad af oxidation APPECTION DEVERUPLE PERFECTION ΔEQ (mm/m/s/m/s/m/s/s/s/m ) Elektrisk kvadrupol interaktion mellem kernens kvadrupolmoment og det inhomogene elektriske felt Molekylær symmetri Karakteristika for båndet struktur Spin tilstand af atomet (HS, LS, IS) Magnetisk spaltning ΔEM(mm/s) Magnetisk dipol vekselvirkning mellem kernens magnetiske moment og magnetfelt Arten og størrelsen af ​​magnetisk interaktion (ferromagnetisme, antiferromagnetisme osv.

Isomerisk skift i jernholdige forbindelser Hvornår eksperimentel måling isomere kemiske forskydninger, er det altid vigtigt, hvilken standard der anvendes, som disse forskydninger vil blive bestemt mod. Så for målinger på 57 Fe er den officielle standard forbindelsen af ​​denne isotop Na 2 eller metallisk jern. For 119 m. Sn er den almindeligt accepterede standard Sn. O2.

Elektrisk quadrupol interaktion Quadrupol splitting ΔEQ ΔEQ hvor: m. I=+I, +I-1, …, -I For 57 Fe Iв=3/2, Io=1/2 ved η=0

Kombineret magnetisk dipol og elektrisk quadrupol interaktion Typisk for 57 Fe og aksial symmetri (η=0):

Processen med udledning af 57 Fe-kernen efter resonant excitation. Type af udsendt stråling Eke. V Intensitet (relative enheder) Udgangsdybde Mössbauer-stråling 14, 4 0, 10 20 µm Røntgen K-skaller 6,4 0,28 20 µm K-konverteringselektroner 7,3 0,79 10 nm 400 nm L-konverteringselektroner 13,6 0,08 20 nm 1,3 µm M-konverteringselektroner …………… 14,3 2 0nm ,5 0,63 7 nm 400 nm L – MM – Auger elektroner 0,53 0,60 1 nm 2 nm

Dynamik af hyperfine interaktioner og afslapning Blandt metoderne til at studere jernholdigt magnetiske egenskaber nanopartikler, en af ​​de mest informative er Mössbauer-spektroskopi. I modsætning til magnetiske målinger, kan Mössbauer-spektroskopi afsløre den magnetiske dynamik af nanopartikler i frekvensområdet 107 – 1010 s-1, karakteristisk for Mössbauer-"vinduet". Formen af ​​de eksperimentelle Mössbauer-spektre af lavdimensionelle objekter bliver meget mere kompliceret sammenlignet med spektrene for massive objekter. Årsagerne til dette kan være: enten overlejring af et statisk sæt af hyperfine strukturer på grund af forskelle i det lokale miljø af resonante atomer eller påvirkningen af ​​forskellige slags dynamiske processer (f.eks. diffusion, paramagnetisk, spin-spin, spin-gitter afspænding mv.

Form af Mössbauer spektre af magnetisk ordnede materialer 1. Sag af velopløst ultrafin struktur: 2. Tilfældet med superposition af et stort sæt hyperfine strukturer: 3. Tilfældet med superparamagnetisk relaksation: her er p-sandsynligheden for reorientering af et atoms magnetiske moment i en vinkel /2 mellem akserne for let magnetisering, q-sandsynlighed for dets vending pr. tidsenhed

Selektiv excitation af underniveauer af den magnetiske hyperfine struktur a) - diagram over overgange mellem nukleare underniveauer af jorden og exciterede tilstande -Fe, b) eksperimentelt FEM-spektrum for tynd film-Fe, c) - energispektrum for spredt stråling ved excitation af -3/2-niveauet, d) energispektrum for spredt stråling ved excitation af +1/2-niveauet.

a) - absorptionsspektrum for aluminium-substitueret goethit (8 mol %) og selektive excitationsspektre (fra top til bund). c) - absorptionsspektrum for aluminium-substitueret goethit (2 mol %) og selektive excitationsspektre (fra top til bund). Pilen angiver energien af ​​den spændende stråling.

det samme som Mössbauer-effekten.

Se værdi Nuklear gammaresonans i andre ordbøger

Gamma- og. italiensk musikalfabet, stige, rock i musik, række, rækkefølge af lyde. | Notetabel, med fingersætningsbetydninger.
Dahls forklarende ordbog

Gamma- vægte. Det tredje bogstav i det græske alfabet. - stråler, gammastråler, enheder. nej (fysisk) - det samme som røntgen.
Ushakovs forklarende ordbog

Resonans- M. French lyd, brummen, paradis, ekko, forlade, nynne, vende tilbage, stemme; stemmens klang, efter placering, efter rummets størrelse; klang, klang af et musikinstrument, ved design........
Dahls forklarende ordbog

Atomisk- nuklear, nuklear (særlig). 1. Adj. til kernen med 1 og 5 cifre. Juice. vægt. 2. Adj. efter værdi. forbundet med atomkernen eller cellekernen (fysisk, biologisk). Kernefysik. Nuklear struktur af baciller.
Ushakovs forklarende ordbog

Gamma-- 1. Den første del af sammensatte ord, der introducerer betydning: forbundet med udsendt elektromagnetisk stråling radioaktive stoffer(gammastråler, gammaspektrometer, gammaterapi osv.).
Forklarende ordbog af Efremova

Gamma globulin M.— 1. Et af blodplasmaproteinerne, der indeholder antistoffer og anvendes som terapeutisk og profylaktisk lægemiddel mod visse infektionssygdomme.
Forklarende ordbog af Efremova

Gammastråling Gns.— 1. Kortbølget elektromagnetisk stråling udsendt af radioaktive stoffer.
Forklarende ordbog af Efremova

Gamma quantum M.— 1. Kvante af gammastråling.
Forklarende ordbog af Efremova

Gammastråler Mn.— 1. Samme som: gammastråling.
Forklarende ordbog af Efremova

Gamma installation J.— 1. Apparatur til at anvende en rettet, kontrolleret stråle af gammastråling.
Forklarende ordbog af Efremova

Resonans M.— 1. Excitation af vibrationer af et legeme ved vibrationer af et andet af samme frekvens, såvel som responslyden fra en af ​​to kroppe, der er stemt i harmoni. 2. Evne til at forbedre......
Forklarende ordbog af Efremova

Gamma-- Den første del af komplekse ord. Bidrager: forbundet med elektromagnetisk stråling (gammastråling) udsendt af radioaktive stoffer. Gammaanalyse, gammablitz,........
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gamma-stråle astronomi- ) -Og; og. En gren af ​​astronomi relateret til studiet af kosmiske legemer baseret på deres gammastråling.
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gammastråleudbrud-) -A; m. Kortvarig stigning i kosmisk gammastråling. Observer gammastråleudbrud.
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gamma globulin-) -A; m. Et af blodplasmaproteinerne, der indeholder antistoffer (anvendes som et terapeutisk og profylaktisk lægemiddel mod nogle infektionssygdomme).
Kuznetsovs forklarende ordbog

Detektion af gammafejl- ) -Og; og. En metode til at teste materialer og produkter baseret på måling af absorption af gammastråler udsendt af radioaktive isotoper af metaller (bruges til at opdage skjulte defekter).
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gammastråling- -Jeg; ons Phys. Kortbølget elektromagnetisk stråling udsendt af radioaktive stoffer. G. radium.
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gamma kvante- -A; m. Kvante af gammastråling. Flow af gammakvanta. Absorption af gammastråler af atomkerner.
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gamma laser- -A; m. Induktion gammastråling generator; gaser. Skab by
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gammastråler- ) -til hende; pl. Phys. = Gammastråling.
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gamma tæthedsmåler-) -A; m. En anordning til at måle tætheden af ​​stof ved hjælp af gammastråling.
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gamma felt- ) -I; ons
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gamma spektrometer-) -A; m. Apparat til måling af energi (energispektrum) af gammastråling.
Kuznetsovs forklarende ordbog

Gammaspektroskopi- ) -Og; og. Kapitel kernefysik, forbundet med studiet af gammastrålingsspektre og forskellige egenskaber af exciterede tilstande af atomkerner.
Kuznetsovs forklarende ordbog

MÖSSBAUER EFFEKT
og dets anvendelse i kemi

Et nyt fænomen opdaget i 1958 af den tyske fysiker Rudolf Ludwig Mössbauer er resonansabsorption af gammastråler af atomkerner af faste stoffer uden ændringer indre energi krop (eller uden at miste en del af kvanteenergien på grund af en kernes rekyl i et fast legeme) - blev kaldt Mössbauer-effekten og førte til skabelsen af ​​en helt ny forskningsretning inden for videnskab. De vigtigste anvendelsesområder for denne effekt var faststoffysik og kemi.

Baggrunden for problemstillingen

Det ideologiske grundlag for gammaresonansspektroskopi begyndte at tage form for længe siden, og dets udvikling var naturligvis påvirket af de grundlæggende begreber inden for optisk spektroskopi, især fremskridt inden for såkaldt resonansfluorescens.
Siden 1850'erne Det var kendt, at nogle gasser, væsker og faste stoffer (for eksempel fluorforbindelser) absorberer elektromagnetisk stråling (normalt synligt lys) og straks udsender det igen (et fænomen kaldet fluorescens). I et særligt tilfælde kendt som resonant fluorescens har den absorberede og udsendte stråling samme energi, bølgelængde og frekvens.
De første antagelser om eksistensen af ​​resonansspredning i atomer dukkede op i værkerne engelsk fysiker J.W. Rayleigh, og de første eksperimenter i denne retning blev udført af den berømte amerikanske eksperimentelle fysiker R.W. Wood i 1902-1904. Han brugte mekaniske analogier til at forklare resonansspredning.
Fænomenet resonant fluorescens blev godt forklaret af N. Bohrs teori, som erstattede de gamle ideer ( kvantemodel atom). Et atom, der skifter fra en ophidset tilstand I til grundtilstanden EN, udsender en foton med en strengt defineret frekvens. Når en sådan foton passerer gennem en gas, der består af de samme atomer som emitteren, kan den absorberes, hvilket får et af målatomerne til at gå over til tilstanden I. Efter en kort periode henfalder dette exciterede målatom igen og udsender en foton med samme frekvens. Den primære og sekundære stråling har således samme frekvens, men processerne med absorption og efterfølgende emission af en foton er uafhængige, og der er ikke noget specifikt faseforhold mellem de indfaldende og udsendte bølger.
Mange aspekter af fænomenet resonansstråling blev korrekt beskrevet på basis af Bohrs teori og den daværende begyndende udvikling kvantemekanik. En fuldstændig beskrivelse af processerne for emission, absorption og resonansfluorescens blev udført noget senere, i slutningen af ​​1920'erne og begyndelsen af ​​1930'erne. tyske fysikere V.F. Weiskopf og J.P. Wigner.
Ideen om, at kernernes energiniveauer ligner de elektroniske niveauer af atomer, og overgange mellem dem, ifølge Bohrs postulat, ledsages af stråling eller absorption, blev først udtrykt i den engelske fysiker C.D. Ellis' værker. I slutningen af ​​1920'erne. Søgningen efter den tilsvarende nukleare resonansfluorescens blev foretaget af den schweiziske fotokemiker Werner Kuhn, som havde arbejdet i Tyskland siden 1927. Han viste, at fænomenerne atom- og nuklear resonansfluorescens virker ekstremt ens, men der er betydelige forskelle mellem dem, der gør eksperimenter på kerner meget mere komplekse.
Som følge heraf var forskerne først i 1950 endelig i stand til at udføre et vellykket eksperiment på guld-198 kerner for første gang og forstå de forhindringer, der eksisterede langs denne vej. Dette problem blev endelig kun løst af Mössbauer.

Mössbauers opdagelse

Hvad problemet præcist var, og hvordan det blev løst af Mössbauer, vil være mere indlysende, hvis vi ser på kernens struktur.
Blandt de mange teoretiske konstruktioner vækker stereotypen af ​​Bohr-atommodellen opmærksomhed - "skal"-modellen af ​​atomkernen M. Goeppert-Mayer og H. Jensen, prismodtagere Nobel pris i fysik for 1963. Ifølge denne model er nukleoner i kernen placeret på bestemte energiniveauer, hovedsageligt i par med antiparallelle spins (Pauli-princippet), og overgange mellem niveauer er ledsaget af emission eller absorption af gammakvanter. I modsætning til de elektroniske niveauer af atomers eller molekylers tilstande, lever de exciterede tilstande af kerner ikke længe (i størrelsesordenen den karakteristiske "nuklear tid" ~ 10-23 s), og derfor usikkerheden i energien af niveauer bør være meget store i overensstemmelse med Heisenberg-usikkerhedsprincippet.
Alt dette ville kun være af betydning for kernefysik, men ikke for strukturel organisk kemi, og sandsynligvis ikke for kemi generelt, hvis ikke af en vigtig omstændighed. Nemlig: der er også langlivede exciterede kerner, hvis overskudsenergi ikke viser sig nær så hurtigt som ved normale overgange nukleoner fra en tilstand til en anden. Sådanne kerner kaldes isomerer, de har samme ladnings- og massetal, men forskellig energi og forskellig levetid. Nuklear isomeri blev opdaget af O. Gan (1921), mens han studerede beta-henfaldet af thorium-234 og I. V. Kurchatov sammen med sine kolleger L. V. Mysovsky og L. I. Rusinov, da de observerede kunstig radioaktivitet af bromkerner (1935-1936). Teori nuklear isomeri er udviklet af K.F. von Weizsäcker i 1936
Det er levetiden for metastabile tilstande af kerner (isomerer), der spiller nøglerolle i dannelsen af ​​spektrallinjer af gammaspektroskopi. Ifølge det samme Heisenberg-usikkerhedsprincip skulle usikkerheden i niveauernes energi, og derfor den naturlige bredde af spektrallinjen, være ekstremt lille. Især viser en simpel beregning ved hjælp af eksemplet med jern-57-isotopen en ubetydelig værdi i størrelsesordenen 5-10-9 eV. Det var denne hidtil usete snæverhed af spektrallinjerne, der forårsagede svigt af alt arbejde før Mössbauer.
Videnskabsmanden i sit berømte værk med titlen "Resonansabsorption af gammakvanter i faste stoffer uden rekyl" skrev om dette: "Gammakvanter, der udsendes under overgangen af ​​en kerne fra en exciteret tilstand til en grundtilstand, er normalt ikke egnede til at omdanne samme kernen fra grundtilstanden til den exciterede tilstand gennem den omvendte proces med resonansabsorption. Dette er en konsekvens af det rekylenergitab, som -kvanten oplever under emissions- eller absorptionsprocessen, på grund af det faktum, at det overfører rekylmomentet til det udsendende eller absorberende atom. Disse energitab på grund af rekyl er så store, at emissions- og absorptionslinjerne forskydes væsentligt i forhold til hinanden." Som et resultat heraf observeres resonansabsorption (eller fluorescens), som han bemærkede, normalt ikke i røntgenstråler. For at gøre resonansabsorption af gammastråler observerbar er det indlysende, at betingelser skal skabes kunstigt, så emissions- og absorptionslinjerne overlapper hinanden.
Således foreslog P.B Moon fra University of Birmingham (England) allerede i 1951 at kompensere for kernernes rekyl under stråling ved mekanisk at flytte kilden, når den bevæger sig mod modtagerkernerne. I dette tilfælde føjes den kinetiske energi af kildebevægelsen til energien af ​​gammakvantet, og derfor er det muligt at vælge en hastighed, hvormed resonanstilstanden er fuldstændig genoprettet. Men et par år senere fandt Mössbauer uventet en enklere måde at løse dette problem på, hvor rekyltab blev forhindret helt fra begyndelsen. Forskeren opnåede fluorescensen af ​​gammastråler ved at bruge atomer som deres kilde radioaktiv isotop metal iridium-191.
Iridium er et krystallinsk fast stof, så de emitterende og absorberende atomer indtager en fast position i krystalgitteret. Afkøling af krystallerne flydende nitrogen, var Mössbauer overrasket over at opdage, at fluorescensen steg mærkbart. Ved at studere dette fænomen fandt han ud af, at individuelle kerner, der udsender eller absorberer gammastråler, transmitterer interaktionsimpulsen direkte til hele krystallen. Da krystallen er meget mere massiv i forhold til kernen, takket være stærk interaktion atomer i faste stoffer overføres rekylenergien ikke til en separat kerne, men omdannes til krystalgitterets vibrationsenergi som følge heraf observeres et frekvensskifte i udsendte og absorberede fotoner. I dette tilfælde overlapper emissions- og absorptionslinjerne hinanden, hvilket gør det muligt at observere resonansabsorptionen af ​​gammastråler.
Dette fænomen, som Mössbauer kaldte "elastisk nuklear resonansabsorption af gammastråling", kaldes nu Mössbauer-effekten. Som enhver effekt, der opstår i et fast stof, afhænger det af stoffets krystalstruktur, temperatur og endda tilstedeværelsen af ​​de mindste urenheder. Forskeren viste også, at undertrykkelse af nuklear rekyl ved hjælp af det fænomen, han opdagede, gør det muligt at generere gammastråler, hvis bølgelængde er konstant inden for en milliardtedel (= 10-9 cm). I fig. Figur 1 viser et diagram over dens eksperimentelle opsætning.
Faktisk Fuld beskrivelse Mössbauer-effekten kræver brug af viden fra forskellige grene af kvantemekanikken, så i denne artikel fokuserede vi kun på de mest generelle bestemmelser hans tilgang.

I efterfølgende forsøg (efter iridium blev andre genstande undersøgt: 187 Re, 177 Hf, 166 Er, 57 Fe og 67 Zn, hvor der også blev observeret resonansabsorption uden rekyl), bekræftede Mössbauer endelig rigtigheden af ​​forklaringen af ​​effekten af resonant gamma-fluorescens uden rekyl observeret af ham og gav samtidig grundlaget for den eksperimentelle metodologi for alle efterfølgende undersøgelser af dette fænomen.
Ved at studere skift af emissions- og absorptionslinjer kan man opnå ekstremt brugbar information om faste stoffers struktur. Forskydninger kan måles ved hjælp af Mössbauer-spektrometre (fig. 2).

Ris. 2. Forenklet diagram Mössbauer spektrometer

Kilden til gammakvanta, ved hjælp af en mekanisk eller elektrodynamisk enhed, sættes i frem- og tilbagegående bevægelse med en hastighed i forhold til absorberen. Ved hjælp af en gammastrålingsdetektor måles hastighedsafhængigheden af ​​intensiteten af ​​strømmen af ​​gammastråler, der passerer gennem absorberen.
Alle eksperimenter med at observere Mössbauer-spektre kommer ned til at observere afhængigheden af ​​absorption (mindre ofte, spredning) af gammastråler i prøven under undersøgelse på hastigheden af ​​denne prøves bevægelse i forhold til kilden. Uden at gå i detaljer med udformningen af ​​div forsøgsfaciliteter, skal det bemærkes, at det klassiske design af et Mössbauer-spektrometer omfatter følgende hovedelementer: en strålingskilde, en absorber, et system til at flytte kilden i forhold til absorberen og en detektor.

Generelle applikationer metode

Efter udgivelsen af ​​Mössbauers første papir, tog det omkring et år, før andre laboratorier begyndte at gentage og udvide hans eksperimenter. De første verifikationsforsøg blev udført i USA (Los Alamos videnskabeligt laboratorium og Argonne National Laboratory). Desuden, interessant nok, begyndte forskningen ved Los Alamos Laboratory med et væddemål mellem to fysikere, hvoraf den ene ikke troede på Mössbauers opdagelse, og den anden gentog sit eksperiment og vandt dermed væddemålet (de observerede en gammalinje ved 67 Zn). En betydelig stigning i publikationer om dette emne blev observeret efter opdagelsen af ​​Mössbauer-effekten i 57 Fe, udført uafhængigt også ved Harvard University, Argonne National Laboratory osv. Den lethed, hvormed effekten kan observeres i 57 Fe, dens enorme størrelse og dets tilstedeværelse op til temperaturer over 1000 °C, gjorde dette forskningsområde tilgængeligt selv for laboratorier med meget beskedent udstyr.
Fysikere opdagede hurtigt, at ved hjælp af Mössbauer-effekten var det muligt at bestemme levetiden af ​​exciterede tilstande af kerner og størrelsen af ​​kernerne selv, de nøjagtige værdier af magnetiske og elektriske felter nær emitter-kerner og fononspektre af faste stoffer . For kemikere viste de vigtigste to parametre sig at være den kemiske forskydning af resonanssignalet og den såkaldte quadrupol-spaltning.
Som følge heraf har forskning, der anvender Mössbauer-effekten af ​​den magnetiske struktur og magnetiske egenskaber af grundstoffer og forbindelser, især legeringer, fået den største udvikling inden for faststoffysik. Særligt mærkbare fremskridt i denne retning er opnået i arbejdet med sjældne jordarters elementer. Det næstvigtigste forskningsområde var studiet af krystalgitterdynamik.
Tingene var helt anderledes i kemien. Som det viste sig, ved hjælp af gamma-resonansspektroskopi-signaler, er det muligt at drage visse konklusioner om det elektriske felt i atomets centrum og løse problemer, der er typiske for kemi relateret til naturen kemisk binding. Mössbauer spektroskopi gjorde det muligt at løse mange strukturelle problemer kemiske forbindelser, det har fundet sin anvendelse i kemisk kinetik og strålingskemi. Denne metode har vist sig at være uundværlig til at bestemme strukturerne af biologiske makromolekyler med særligt store molekylvægte.
Det skal tilføjes, at gamma-resonansspektroskopi har vist sig at have utroligt høj følsomhed(5-6 størrelsesordener højere end i kernemagnetisk resonans), derfor kan man forstå kemikernes begejstring i begyndelsen af ​​1960'erne-1970'erne. Lidenskaberne aftog dog lidt, da kemikerne vænnede sig til situationen og fandt ud af begrænsningerne ved at bruge metoden. Især V.I. Goldansky skrev i sin bog om anvendelsen af ​​Mössbauer-effekten i kemi: "De vigtigste formål med anvendelsen af ​​Mössbauer-effekten i kemi er tilsyneladende organoelementforbindelser og komplekse forbindelser. Inden for organoelementforbindelser er en sammenligning af den generelle karakter af elementar-carbon-bindinger, som adskiller sig meget for overgangsmetaller og metaller fra hovedgrupperne, af væsentlig interesse." Men 30 år er gået siden da, og gamma-resonansspektroskopi har bekræftet dens lovende anvendelse til en lang række forskellige formål og kemiske genstande.

Kemiske anvendelser af metoden

Placeringen af ​​resonanssignalet afhænger af det elektroniske miljø, hvori kernen, der udsender kvantummet, er placeret. At opnå en ny type fysisk information om kernernes elektroniske miljø har utvivlsomt altid været af væsentlig interesse for kemi.
Løsning af spørgsmål om arten af ​​kemiske bindinger og strukturen af ​​kemiske forbindelser. Da hovedparametrene for Mössbauer-spektrene - såsom kemiske forskydninger og kvadrupolspaltning - i høj grad bestemmes af valensstrukturen elektroniske skaller atomer, så var den første naturlige mulighed for den kemiske anvendelse af denne effekt at studere arten af ​​disse atomers bindinger. I dette tilfælde var den enkleste tilgang til problemet at skelne mellem to typer bindinger - ioniske og kovalente - og evaluere bidraget fra hver af dem. Men det skal bemærkes, at dette er den enkleste tilgang, da vi ikke bør glemme, at selve skelnen mellem kemiske bindinger til ioniske og kovalente er en ret grov forenkling, da den ikke tager højde for uddannelsesmuligheder for eksempel donor-acceptor-bindinger, bindinger, der involverer multicenter-baner (i polymerer) og andre opdaget i de seneste årtier.
En parameter som et kemisk skift kan korreleres med graden af ​​oxidation af elementære atomer i molekylerne af de undersøgte stoffer. Korrelationsdiagrammer af isomere (kemiske) skift af 57 Fe for jernforbindelser er særligt veludviklede. Som det er kendt, er jern en integreret del af mange biosystemer, især hæmoproteiner og systemer af ikke-protein natur (for eksempel indeholdt i mikroorganismer). I kemien af ​​livsprocesser spiller redoxreaktionerne af porphyrinjernkomplekser en væsentlig rolle, hvor jern også findes i forskellige valenstilstande. Den biologiske funktion af disse forbindelser kan kun afsløres, når detaljerede oplysninger er tilgængelige om strukturen af ​​det aktive sted og elektroniske tilstande jern på forskellige stadier af biokemiske processer.
Som nævnt ovenfor, vigtige genstande Anvendelser af Mössbauer-effekten i kemi er organoelement og komplekse forbindelser. Inden for organoelementforbindelser var en sammenligning af den generelle karakter af elementære-carbon-bindinger, som er meget forskellige for overgangsmetaller og metaller fra hovedgrupperne (for eksempel arbejdet fra A.N. Nesmeyanov), af betydelig interesse.
Ved hjælp af Mössbauer-effekten blev der således foretaget sammenligninger af acetylenidkomplekser af en række overgangsmetaller. Særligt vellykkede undersøgelser er blevet udført for metalcyclopentadienylider M(C 5 H 4) 2, især ferrocen-lignende "sandwich" strukturer.
En vigtig anvendelse af denne effekt er belysningen af ​​strukturen af ​​jerndodecacarbonyl. Resultaterne af foreløbige røntgendiffraktionsundersøgelser viste, at jernatomer er lokaliseret i trekantens hjørner i disse molekyler. Det er derfor, det tog så lang tid at forene disse resultater med Mössbauer-spektrene for jerndodecacarbonyl, da sidstnævnte udelukkede enhver symmetrisk trekantet struktur. Gentagne eksperimenter samtidig med anvendelse af metoderne til røntgendiffraktionsanalyse og Mössbauer-spektroskopi viste, at valget bestemt kun kan træffes på lineære strukturer.
Vi bemærker især brugen af ​​Mössbauer-effekten til at bestemme strukturerne af biomolekyler. I øjeblikket bestemmes strukturen af ​​proteiner næsten udelukkende af røntgendiffraktion på enkeltkrystaller af disse proteiner (se herom: Direkte metoder i røntgenkrystallografi. Chemistry, 2003, nr. 4).
Denne metode har dog begrænsninger pga molekylær vægt systemer, der undersøges. For eksempel er molekylvægten på 150.000 g/mol, som gamma-immunoglobulin har, Øverste grænse at bestemme strukturen ved metoden med successive isomorfe substitutioner. For proteiner med en højere molekylvægt (for eksempel katalase, hæmocyanin, tobaksmosaikvirus osv.), er det nødvendigt at bruge andre metoder. Det er her, metoden til resonansspredning af gammastråling uden rekyl på 57 Fe-kerner har bevist sig selv. Denne metode bruger interferens mellem gammastråling spredt på elektronskallerne af alle atomer i krystallen og på nogle 57Fe-kerner indlejret i krystallen på specifikke positioner i enhedscellen (Mössbauer-spredning).
Kemisk kinetik og strålingskemi. Sammen med spørgsmål om strukturen af ​​kemiske forbindelser bruges Mössbauer-effekten aktivt i kemisk kinetik og strålingskemi. Ud over muligheden for direkte at opnå kinetiske kurver helt i ét eksperiment (baseret på frekvensen af ​​prøver ved en bestemt karakteristisk bevægelseshastighed), er observationer af ustabile mellemprodukter særligt interessante her. Når man udfører reaktioner i væskefasen, bliver det nødvendigt at stoppe processen ved at fryse blandingen for hver observation af Mössbauer-spektret. I tilfælde af topokemiske processer (især for stråling-topokemiske processer) er kontinuerlig observation af ændringer i Mössbauer-spektret under reaktionen mulig.
Der bør utvivlsomt også nævnes andre ret lovende anvendelser af Mössbauer-spektroskopimetoden. Først og fremmest er denne effekt blevet et nyttigt værktøj til at løse en række problemer i den fysiske kemi af polymerer, især problemet med polymerstabilisering. Det bruges også som en analysator i den taggede atom-metode. Især blev der udført eksperimenter for at studere metabolismen af ​​jern, der indgår i de røde blodlegemer hos pattedyr og i bakteriers mitokondrier.

Efterord

Metoden til Mössbauer-spektroskopi er naturligvis ikke så udbredt i kemisk forskning som for eksempel de velkendte metoder til NMR, infrarød og massespektroskopi. Dette skyldes både udstyrets lave tilgængelighed og kompleksitet og det begrænsede udvalg af objekter og opgaver, der skal løses. Trods alt observeres selve effekten på kernerne af ikke alle elementer og isotoper9. Dets anvendelse er dog meget relevant i kombination med andre forskningsmetoder, især radiospektroskopi.
I de sidste år Der er udviklet undersøgelser af Mössbauer-spektre ved høje tryk. Selvom sidstnævnte har en relativt svag effekt på atomernes elektronskaller, bærer parametrene for Mössbauer-spektrene ikke desto mindre afhængigt af tryk. nye oplysninger om samspillet mellem kernen og det elektroniske miljø. Sammenlignet med andre metoder er Mössbauer-spektroskopi i højtryksundersøgelser endnu mere følsom over for energiændringer.

LITTERATUR

R.L. Rckstossfreie Kernresonanzabsorption von Gammastrahlung. Nobelvortrag 11. december 1961. Le Prix Nobel en 1961. Stockholm: Impremerie Royale P.A.Norstedt & Sner, 1962,
S. 136-155;
Goldansky V.I.. Mossbauer effekt. M.: Forlag for USSR Academy of Sciences, 1963;
Mössbauer R.L. Resonant nuklear absorption af -kvanter i faste stoffer uden rekyl. Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1960, v. 72, no. 4, s. 658-671.

MÖSSBAUER Rudolf Ludwig(f. 31.I.1929) blev født i München (Tyskland) i familien af ​​fotografen Ludwig Mössbauer og hans kone Erna, født Ernst. Efter at have modtaget sin første sekundære uddannelse i en af ​​Münchens forstadsskoler (Pasing-distriktet), gik han derefter ind i gymnastiksalen, som han dimitterede fra i 1948.
Derefter arbejdede Mössbauer for et optisk firma i et år, og efter at have indsendt dokumenter til fysikafdelingen på den højere tekniske skole i München (nu det tekniske universitet), blev han i 1949 indskrevet som studerende. I 1952 fik han en bachelorgrad, i 1955 afsluttede han en kandidatgrad, og i 1958 fik han, efter at have forsvaret sin afhandling, en filosofidoktorgrad.
Mens han færdiggjorde sit speciale i 1953-1954. den unge mand arbejdede som matematiklærer på Matematisk Institut i Alma Mater. Efter eksamen var han fra 1955 til 1957 assistent ved Institut for Fysik for Medicinsk Forskning opkaldt efter. M. Planck i Heidelberg, og i 1959 blev han assistent ved det tekniske universitet i München.
Ph.d.-afhandlingen, hvor virkningen af ​​hans navn blev opdaget, blev udført af videnskabsmanden under vejledning af den berømte München-fysiker H. Mayer-Leibniz.
I første omgang blev resultaterne opnået af Mössbauer ikke støttet af de fleste videnskabsmænd og blev stillet spørgsmålstegn ved. Men et år senere, efter at have erkendt den potentielle betydning af denne effekt, bekræftede nogle af dens modstandere fuldt ud deres gyldighed med deres eksperimentelle undersøgelser. Snart blev vigtigheden af ​​opdagelsen anerkendt af alle fysikere, "Mossbauer-effekten" blev en sensation, og snesevis af videnskabsmænd fra forskellige laboratorier rundt om i verden begyndte at arbejde i dette område.
I 1961 modtog Mössbauer Nobelprisen i fysik "for sin undersøgelse af resonansabsorptionen af ​​gammastråling og opdagelsen i denne forbindelse af den effekt, der bærer hans navn."
Det var meningen, at Mössbauer skulle blive professor ved det tekniske universitet i München, men desillusioneret over de bureaukratiske og autoritære principper i de tyske universiteters organisatoriske strukturer, tog han et sabbatår i Heidelberg i 1960 og tog til USA til California Institute of Teknologi på en videnskabelig bevilling. Det næste år fik han titel af professor der.
I 1964 vendte videnskabsmanden tilbage til sit hjemland og satte kursen Det Fysiske Fakultet Tekniske Universitet i München, transformerer det efter type organisatoriske strukturer amerikanske universiteter. Nogle forskere kaldte i spøg denne ændring i tyskernes struktur akademisk uddannelse"anden Mössbauer-effekt". Han arbejdede på universitetet indtil 1971.
I 1972-1977 Mössbauer stod i spidsen for Max Laue-Paul Langevin Instituttet i Grenoble (Frankrig). I 1977 vendte han tilbage til Alma Mater, hvor han fortsatte med at arbejde som professor i fysik og samtidig videnskabelig direktør for et institut specielt oprettet til at udvikle problemer inden for Mössbauer-spektroskopi og Mössbauerografi. I 1980'erne-1990'erne. stod i spidsen for Mössbauer-Parak-Hoppe-projektet for at studere diffraktionen af ​​Mössbauer gamma quanta vha. biologiske objekter(mossbauerografi af protein).
I 1957 giftede videnskabsmanden sig med Elisabeth Pritz, en designer. Parret har en søn og to døtre.
Mössbauer er medlem af American, European og German Physical Societies, Indian Academy of Sciences og American Academy of Arts and Sciences. Videnskabsmanden blev tildelt æresdoktorgrader fra universiteterne i Oxford, Leicester og Grenoble.
Ud over Nobelprisen modtog Mössbauer en pris for videnskabelige resultater fra American Research Corporation (1960) og E. Gresson-medaljen fra Franklin Institute (1961). Han er også modtager af Røntgenprisen ved universitetet i Giessen (1961).

Gammastråling er kortbølget elektromagnetisk stråling med en bølgelængde mindre end eller lig med 10-8 cm; har udtalte korpuskulære egenskaber, dvs. den opfører sig som en strøm af partikler - gammakvanter eller fotoner.
En af måderne at beskrive kvantemekaniske fænomener på; angiver, hvor hurtigt visse parametre, der karakteriserer systemets tilstand, ændrer sig over tid (i forhold til dette tilfælde, f.eks. bredden af ​​spektrallinjen).
Det skal bemærkes, at den unge videnskabsmand havde svært ved at opnå denne isotop af iridium til forsøg fra engelske kollegaer. Det var en svær efterkrigstid i Tyskland; Mange stoffer manglede samt instrumenter, der var nødvendige til forskning.
De opnåede resultater var i modstrid med de dengang accepterede ideer om resonant nuklear fluorescens, selvom de ikke rejste tvivl om deres rigtighed. Det eneste der manglede var teoretisk fortolkning effekt. Derefter læste Mössbauer efter råd fra sin vejleder artiklen af ​​W. Lamb (1939) om teorien om interaktion langsomme neutroner med krystaller. Som det viste sig, kunne hans teori med succes anvendes på det fænomen, som Mössbauer observerede. Det paradoksale var, at forskerne, der arbejdede med neutroner, var meget fortrolige med dette arbejde af Lamb, men det faldt dem ikke ind at anvende dets resultater til studiet af gammafluorescens; på samme tid vendte de, der var engageret i resonansspredning og absorption af gammastråler, sig ikke til resultaterne af det nærliggende felt af kernefysik. Ved at anvende Lambs beregninger på gammastråler var Mössbauer i stand til at forklare sine resultater.
Phonon er et kvantum af vibrationsbevægelse af atomer i en krystal.
Ændringen i energien af ​​den nukleare overgang, dvs. energien af ​​gamma-kvanten absorberet af prøven sammenlignet med den udsendte, forbundet med forskellen i det elektroniske miljø af kernerne i prøven og kilden, kaldes en isomer, eller kemisk, skifte og måles som værdien af ​​kildens hastighed, ved hvilken der observeres en maksimal absorption af gammastråler.
Interaktionen mellem kernens kvadrupolmoment (hvilket forstås som en størrelse, der karakteriserer afvigelsen af ​​fordelingen elektrisk ladning i atomkernen fra en sfærisk symmetrisk) med et uensartet elektrisk felt fører til spaltning af nukleare niveauer, som et resultat af hvilket ikke en, men flere linjer observeres i absorptionsspektrene. Studiet af quadrupol-spaltning gør det muligt at få information om de elektroniske konfigurationer af atomer og ioner.
Fastfasereaktioner, der forekommer lokalt på samme sted, hvor produktets faste fase dannes.

Artiklen blev udarbejdet med støtte fra oversættelsesbureauet Amira-Dialect. Hvis du har brug for en notariseret oversættelse, ville den bedste løsning være at kontakte Amira-Dialect oversættelsesbureauet. Da en række konsulater kræver en notariseret oversættelse for at få et visum, bør du ikke spilde din tid. Oversættelsesbureauet Amira-Dialect beskæftiger kun højt kvalificerede specialister, som så hurtigt som muligt vil opfylde ordrer af enhver kompleksitet.

Side 1

Nuklear gamma-resonans (NGR) - emission eller absorption af gamma-kvanter af et fast legeme uden produktion af fononer i det - er ikke en af ​​de magnetiske resonanser.

Nuklear gamma-resonans (Mössbauer-effekt) gør det muligt at opnå værdifuld information om strukturen af ​​elektronskallene af atomer, der indeholder Mössbauer-kerner. En væsentlig ulempe ved metoden er det begrænsede antal elementer, der er praktisk tilgængelige for forskning. I dette arbejde Et forsøg blev gjort på at overvinde denne begrænsning ved at bruge resultaterne af Mössbauer-målinger på Sn119- og Sb121-kernerne af tin- og antimonatomer inkluderet i forbindelserne, såvel som på Fe57-kernerne af urenhedsjernatomer som et kriterium for anvendelighed forskellige tilgange i den teoretiske beregning af de effektive ladninger af atomer i forbindelser af den pågældende type.

Nuklear gamma-resonansspektroskopi (Mössbauer-spektroskopi) detekterer svage forstyrrelser energiniveauer jernkerner af omgivende elektroner. Denne effekt er fænomenet emission eller absorption af blød v-stråling uden nuklear rekyl. Den nukleare overgang af interesse for os med en energi på 14 36 keV sker mellem tilstandene / 3 / 2 og / 1 / 2 af Mössbauer-isotopen 57Fe, hvor / er kernespin kvantetal. For et protein med en molekylvægt på 50.000, der binder 1 jernatom pr. molekyle, og i fravær af isotopberigelse, svarer dette til en prøvevægt på 2 5 g. De her betragtede multinukleære proteiner indeholder meget mere jern og er ganske velegnede til undersøgelse ved nuklear gamma-resonansspektroskopi. Fire er blevet bredt undersøgt mulige typer interaktioner mellem 57Fe-kernen og dens elektroniske miljø: isomerskift, quadrupol-spaltning, kernemagnetiske hyperfine interaktioner, nukleare Zeeman-interaktioner.

Essensen af ​​nuklear gamma-resonans, eller den såkaldte Mössbauer-effekt, er, at kvanter, der udsendes under overgangen af ​​en exciteret kerne til grundtilstanden, kan absorberes i ligevægt af uexciterede kerner med overgangen af ​​sidstnævnte til en exciteret tilstand. Et lignende fænomen er velkendt i konventionel optik; det eneste væsentlige er, at med relativt stor impuls man ville forvente stærk rekyl fra y-kvanter, som den der udsender; og ved den absorberende kerne og dermed umuligheden af ​​resonansabsorption på grund af Doppler-effekten. Mössbauer viste, at i det mindste i en betydelig del af tilfældene absorberes rekylen af ​​krystallet (eller det tunge molekyle) som en stiv helhed, og rekylfænomenet kan naturligvis negligeres.

Fænomenet nuklear gamma-resonans på atomkerner består af en kraftig stigning i sandsynligheden for absorption eller spredning af gamma-kvanter med en energi svarende til excitationen af ​​nukleare overgange.

En nuklear gamma-resonansundersøgelse viste, at de undersøgte jernpartikler ikke var oxiderede.

Ved hjælp af røntgendiffraktionsanalyse og nuklear gamma-resonans blev det fastslået, at denne ændring i krystalstrukturen ikke er forbundet med en ændring i kulstofkoncentrationen i den faste opløsning, men er forårsaget af reversible overgange af interstitielle atomer (kulstof) fra oktaedrisk mellemrum til strålingsfejl. Sådanne overgange kræver ikke diffusion af kulstof over betydelige afstande - det sker inden for enhedscellen. En øget koncentration af punktdefekter skabt af bestråling i martensitkrystalgitteret stimulerer overgange af interstitielle atomer fra en position til en anden, hvilket er energetisk mere gunstigt ved givne temperaturer.

Vi har udført observationer af nuklear gamma-resonans i prøver af forskellige massive multikomponent tinholdige glas og glasfibre af samme kemisk sammensætning. Glassammensætningerne er angivet i tabellen.

Vi udførte en undersøgelse af nuklear gamma-resonans i komplekse forbindelser af jern med 4-butyroyl- og 4-benzoyl-1 2 3-tri-azolanioner. Spektrene blev opnået på et mekanisk NGR-spektrometer under anvendelse af en Co57-kilde i chrom.

Behandling af eksperimentelle data om nuklear gamma-resonans er kun mulig, hvis NGR-spektrometeret er blevet kalibreret ved hastigheder, og positionerne af absorptionslinjerne for eventuelle stoffer valgt som standard er blevet bestemt. Typisk anvendes stoffer, der ret nemt kan fremstilles og reproduceres under identiske forhold, som standard. De skal være stabile, skal have en tilstrækkelig stor sandsynlighed for absorption - y-kvanta uden tab af energi på grund af rekyl, deres Mössbauer-spektre skal være en smal linje, karakteriseret ved en lille temperaturforskydning.

Selvom quadrupol-spaltning komplicerer udseendet af nuklear gamma-resonans (NGR) spektre (Fig. 111 6), hjælper det med at drage en række vigtige konklusioner om strukturen og symmetrien af ​​de forbindelser, der undersøges. Denne forbindelse (der tjente som et rensemiddel) blev syntetiseret ved hjælp af 1291-isotopen, et langlivet fissionsreaktionsprodukt. Kompleks udsigt spektrum skyldes både quadrupol-spaltning og det faktum, at jod er placeret i to forskellige positioner i denne forbindelse.

Vi har foretaget en systematisk undersøgelse ved nuklear gamma resonans (NGR) metoden af ​​tinforbindelser med elementer fra den femte og sjette gruppe samt chalcogenid-halvlederglas i arsen - selen - tin-systemet for at få information om den kemiske binding og indre krystalfelter i disse forbindelser.

Studiet af smalle linjer udføres ved hjælp af metoden til nuklear gamma-resonans, som almindeligvis kaldes Mössbauer-spektroskopi. I fig. Figur 8.14 viser en typisk forsøgsopstilling.

Metoden til Mössbauer-spektroskopi, nogle gange kaldet nuklear gamma-resonansspektroskopi (NGR), er baseret på undersøgelsen af ​​absorptionen af ​​y-stråling fra en kildekerne af en kerne af den samme isotop placeret i prøven under undersøgelse. Resonansbetingelser opfyldes kun, når kernernes rekyleffekt under emissionen og absorptionen af ​​y-kvanter også elimineres, og Doppler-effekten også kompenseres på en eller anden måde. Metoden blev udviklet netop fra det øjeblik, hvor man forstår, og endnu tidligere har den eksperimentelt vist sig at være enkel og næsten unik mulig måde eliminering af afkasttab.

Kernernes energi kvantiseres. Når en kerne går fra en exciteret tilstand til en grundtilstand, udsendes et -kvante med energi. Mere mulig betydning det her øh energi til en uendelig sløv fri kerne er lig med forskellen mellem energierne i dens jord og exciterede tilstande: . Den omvendte proces svarer til absorptionen af ​​et g-kvante med en energi tæt på .

Når et sæt af lignende kerner exciteres til samme niveau, vil energien af ​​de udsendte kvanter være karakteriseret ved en vis spredning omkring gennemsnitsværdien.

Fig. 1.13 Diagram, der illustrerer kvanteovergange med emission og absorption af elektriske kvanter (a) og udseendet af emissions- og absorptionslinjer i de optiske (b) og nukleare (c) tilfælde.

Konturen af ​​absorptionsbåndet er beskrevet af samme forhold som konturen af ​​emissionsbåndet (fig. 1.13). Det er klart, at effekten af ​​resonansabsorption af elektrisk stråling af det optiske spektrum, når optisk kvanter udsendt under overgangen af ​​elektroner fra exciterede atomer til underliggende e elektriske niveauer absorberes resonant af et stof, der indeholder atomer af samme type. Fænomenet statisk resonansabsorption er tydeligt observeret, for eksempel i natriumdamp.

Desværre observeres fænomenet resonant nuklear absorption på frie kerner ikke. Årsagen er, at modellen af ​​sløve kerner (atomer), når energitabene for rekyl er små i forhold til, er gyldige for optisk resonans og er fuldstændig uanvendelig for nuklear resonans. Gammastråler udsendt i nukleare overgange har væsentligt flere højere energi– 10s og hundredvis af keV(sammenlignet med flere tiere af eV for kvanta synligt område). Med sammenlignelige levetidsværdier og dermed tætte værdier for den naturlige bredde af elektriske og nukleare niveauer i nuklear begivenhed Rekylenergi spiller en endnu mere væsentlig rolle i emission og absorption:

hvor er kernens rekylmomentum lig med impulsmomentet af det udsendte kvante, m er massen af ​​kernen (atomet).

I det optiske tilfælde observeres derfor ikke resonans på frie kerner (se fig. 1.13 b og c). Rudolf Mössbauer, der studerer absorptionen af ​​-kvanter udsendt af Ir-isotopen, fundet i Ir-krystallen, i modsætning til profetierne, at strålingsteori, øget spredning-kvanta ved lave temperaturer (T≈77K). Han viste, at den observerede effekt er forbundet med resonansabsorptionen af ​​-quanta af kernerne af Ir-atomer og forklarede dens natur.

I forsøg med Mössbauer-effekten er det ikke selve emissions- (eller absorptions-) båndene, der måles, men resonansabsorptionskurverne (Mössbauer-intervaller). Den unikke implementering af den nukleare gamma-resonansmetode i kemi og faststoffysik er begrundet i det faktum, at bredden af ​​komponenterne i Mössbauer-området l fysiske resonanslinjer er mindre end magnetens energier og elektroniske vekselvirkninger af kernen med elektronerne omkring den. Mössbauer-effekten er en effektiv måde at studere en bred vifte af fænomener, der påvirker disse interaktioner.

Et simpelt skema til at observere Mössbauer-effekten i g transmissionsgeometri omfatter en kilde, en absorber (en snæver standard for det undersøgte materiale) og en g-ray-sensor (fig. 1.14).

Ris. 1.14 Skema for Mössbauer-eksperimentet: 1 – elektrodynamisk vibrator, indstilling forskellige betydninger kildehastighed; 2 – Mössbauer-kilde; 3 – absorber indeholdende kerner af Mössbauer-isotopen; 4 – sensor af g-kvanta passeret gennem absorberen (normalt en proportional tæller eller fotomultiplikator).

Kilden til stråler skal have visse kvaliteter: have lang periode halveringstid af en kerne, i tilfælde af dens henfald, fødes en kerne af en resonansisotop i en exciteret tilstand. Energien i Mössbauer-overgangen bør være relativt lav ( således at rekylenergien ikke overstiger den energi, der er nødvendig for at fortrænge et atom og en knude i krystalgitteret), emissionslinjen er smal (dette giver den højeste opløsning) og muligheden for baggrundsfri stråling er stor. Kilden til g-kvanta opnås i de fleste tilfælde ved at indføre en Mössbauer-isotop i en jernmatrix ved hjælp af diffusionsglødning. Matrixmaterialet skal være dia- eller paramagnetisk (magnetisk spaltning af nukleare niveauer er udelukket).

Tynde standarder i form af folie eller pulvere anvendes som absorbere. Ved bestemmelse af den nødvendige tykkelse af standarden er det nødvendigt at tage højde for muligheden for Mössbauer-effekten (for ufarvet jern er den bedste tykkelse ~20 µm). Bedste tykkelse I er resultatet af et kompromis mellem behovet for at arbejde med en smal absorber og har den højeste absorptionseffekt. For at registrere fotoner, der har passeret gennem standarden, bruges scintillations- og proportionaltællere mere udbredt.

At opnå et resonansabsorptionsområde (eller Mössbauer-område) indebærer ændring af resonanskriteriet, hvorfor det er nødvendigt at modulere energien af ​​-kvanter. Aktuelt gældende tidsmodulationsmetode baseret baseret på Doppler-effekten (i de fleste tilfælde er g-strålekildens bevægelse i forhold til absorberen specificeret).

Energien i g-kvanten på grund af Doppler-effekten ændres med mængden

Hvor - absolut værdi hastigheden af ​​kildens bevægelse i forhold til absorberen; с – lysets hastighed i vakuum; – vinklen mellem kildens bevægelsesretning og retningen for emission af g-kvanter.

Da vinklen erfaringsmæssigt kun opfatter to værdier = 0 og , så ∆E = (det positive symbol svarer til tilgang, og negativ– fjernelse af kilden fra absorberen).

I fravær af resonans, for eksempel, når der ikke er nogen kerne af en resonansisotop i absorberen, eller når Doppler-hastigheden er meget høj (hvilket svarer til ødelæggelsen af ​​resonansen på grund af en meget stor konfiguration af kvanteenergien), den største del stråling, der udsendes i retning af absorberen, kommer ind i sensoren, der er placeret bagved.

Signalet fra sensoren forstærkes, og pulser fra individuelle -kvanter optages af analysatoren. Normalt er det registrerede nummer - kvanta for ensartede tidsperioder på forskellige . I tilfælde af resonans absorberes g-kvanter og genudsendes af absorberen i tilfældige retninger (fig. 1.14). Samtidig miniaturiseres mængden af ​​stråling, der kommer ind i sensoren.

I Mössbauer-eksperimentet var afhængigheden af ​​intensiteten af ​​stråling transmitteret gennem absorberen (antallet af impulser registreret af sensoren) på relativ hastighed kilde. Absorptionseffekt bestemt af forholdet

hvor er antallet af g-kvanter registreret af sensoren i en bestemt tid ved værdien af ​​Doppler-hastigheden (i eksperimentet brug diskret hurtigopkald th); – det samme for , når der ikke er resonansabsorption. Afhængigheder og indstille formen af ​​resonansabsorptionskurven for jernlegeringer og forbindelser og ligger inden for grænserne på ±10 mm/s.

Muligheden for Mössbauer-effekten er bestemt af krystallernes fononområde. I området med lave temperaturer () når muligheden værdier tæt på enhed, og i området med høje () er den meget lille. Alt andet lige kriterier muligheden for baggrundsløs absorption og der er mere stråling i krystaller med højeste temperatur Debye (bestemmer hårdheden af ​​den interatomiske binding).

Muligheden for effekten bestemmes af rækken af ​​elastiske vibrationer af atomer i krystalgitteret. Mössbauer-linjen er intens, hvis amplituden af ​​atomare vibrationer er lille sammenlignet med bølgelængden af ​​r-kvantaen, dvs. ved lave temperaturer. I I dette tilfælde emissions- og absorptionsområdet består af smalt resonansbånd (baggrundsfrie processer) og brede komponenter, på grund af konfigurationen af ​​gitterets vibrationstilstande under emission og absorption af g-kvanter (bredden af ​​sidstnævnte er 6 størrelsesordener større end bredden af ​​resonansbåndet).

Anisotropien af ​​den interatomiske binding i gitteret bestemmer anisotropien af ​​amplituden af ​​atomare vibrationer og, som følger, en anden mulighed for baggrundsløs absorption i forskellige krystallografiske retninger. For enkeltkrystaller kan der på denne måde ikke kun måles gennemsnitlige, men også vinkelafhængigheder.

I den smalle absorberapproksimation er muligheden for baggrundsløse overgange proportional med arealet under resonansabsorptionskurven. Nuklear gamma-resonans kan bruges til at studere vibrationsparametrene for et fast gitter eller urenhedsatomer i dette gitter. Mere behagelig eksperimentel oplevelse Parameteren i dette tilfælde er området af området S, fordi det er en integreret egenskab og afhænger ikke af formen af ​​emissionsområdet for resonanskvanter og selvabsorption i kilden. Dette område bevares, når området er opdelt i flere komponenter som følge af hyperfine interaktioner.

Det enkle resonansabsorptionsområde for en smal absorber er en enkelt linje af Lorentziansk form. Fortidens intensitet gennem strålingsabsorberen er maksimalt lille absorption. Som et eksempel i fig. Figur 1.15 viser Mössbauer-serierne af ubesmittet jern.

Ris. 1,15 Mössbauer serier af rent jern.