TREŚCI: Historia odkrycia Jądrowa rezonansowa absorpcja promieniowania gamma Technika doświadczenia Mössbauera Oddziaływania nadsubtelne i parametry Mössbauera Praktyczne zastosowania metoda: - Analiza fazowa w materiałoznawstwie i geochemii - Analiza powierzchni - Efekty dynamiczne
Historia odkrycia jądrowego rezonansu gamma (efekt Mossbauera) Proces rezonansu atomowego w optycznym zakresie długości fali jest dobrze znany. Został przepowiedziany przez D. Rayleigha i znalazł swój potwierdzenie eksperymentalne w 1904 roku w słynnym eksperymencie Roberta Wooda, w którym Wood wykorzystał żółte światło emitowane przez atomy sodu (zwane liniami D sodu), które można wytworzyć przez umieszczenie niewielkiej ilości soli kuchennej w płomieniu. Każda linia D odpowiada naturalnej częstotliwości drgań atomu sodu, a dokładniej zewnętrznych elektronów tego atomu. Aby zaobserwować rezonans, konieczne jest, aby w płomieniu nie znajdowały się inne atomy sodu. Wood użył próżniowej szklanej butelki zawierającej niewielką ilość metalicznego sodu. Prężność pary sodu jest taka, jak po podgrzaniu powyżej temperatura pokojowa ilość par sodu w cylindrze była wystarczająca do przeprowadzenia doświadczenia. Jeśli światło płomienia sodowego zostanie skupione na balonie, można zaobserwować słabą żółtą poświatę. Atomy sodu w kolbie działają podobnie do dostrojonego kamertonu. Pochłaniają energię padającej wiązki żółtego światła, a następnie błyskają nią w różnych kierunkach.
Pięćdziesiąt lat temu, w 1958 r., niemiecki fizyk Rudolf Ludwig Mössbauer, pracujący w Instytucie nad swoją rozprawą doktorską. M. Plancka w Heidelbergu, przedstawiony Niemcom dziennik fizyki artykuł zatytułowany „Fluorescencja rezonansu jądrowego promieniowania gamma w Ir 191”, który ukazał się w połowie tego samego roku. A już jesienią 1958 roku przeprowadził pierwsze eksperymenty, w których wykorzystał efekt Dopplera do skanowania linii rezonansowych. Pod koniec 1958 roku opublikował uzyskane dane doświadczalne, które położyły podwaliny pod nowe metoda eksperymentalna– spektroskopia jądrowego rezonansu gamma, zwana często spektroskopią Mössbauera (MS). W 1961 roku za odkrycie i podstawy teoretyczne Zjawisko to przyniosło Rudolfowi Mössbauerowi Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Wpływ efektu odrzutu na absorpcję i emisję promieniowania gamma przez jądra Energia odrzutu: 57 Fe Energia Dopplera: ET = 14,4 kOe. V, t 1/2 = 98 ns, G = 4,6 · 10 -9 oe. V, → ER~ 2· 10 -3 e. W
Rozkład energii emitowanych i pochłoniętych kwantów gamma Dla jąder wolnych atomów Dla jąder atomowych w sieci krystalicznej przy niskie temperatury
Porównanie głównych parametrów przejścia elektronowego i jądrowego Parametry przejścia Energia przejścia, ET (e.V) Średni czas życia stanu wzbudzonego, (s) Szerokość linii rezonansu naturalnego, Γ=ħ/τ (e.V) Rozdzielczość energii, G/ET Odrzut energii, ER (e.V) Stosunek ER/G Przejście elektronowe dla linii Na D Przejście jądrowe 57 Fe Przejście jądrowe 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
Parametry jądrowe głównych izotopów Mössbauera Izotop 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 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 Zawartość naturalna % 2. 17 1. 25 8. 58 57. 25 6. 99 100 zero 13. 9 47. 8 18. 88 61. 5 100 zero Rozpad jądra 57 ( 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-wychwyt elektronów, rozpad ß-beta, przejście IT-izomeryczne, rozpad α-alfa
Schematy rozpadu promieniotwórczego skutkującego zasiedleniem poziomu Mössbauera na jądrach 57 Fe i 119 m. sen
Prawdopodobieństwo procesu rezonansowego bez odrzutu. Współczynnik Lamba-Mössbauera f - prawdopodobieństwo zajścia procesu absorpcji lub emisji promieni gamma bez odrzutu f - zależy od właściwości wibracyjnych sieci krystalicznej, tj. o prawdopodobieństwie wzbudzenia tła w ciele stałym - środkowy kwadrat amplitudy oscylacji w kierunku promieniowania kwantowego gamma, uśrednione w czasie życia jądra w stanie wzbudzonym λ – długość fali kwantu gamma
Wpływ procesów fononowych na absorpcję lub rozpraszanie bez odrzutu a b c Widma drgań sieci solidny a – model Einsteina, b – model Debye’a, c – model Borna – Karmana
ODDZIAŁYWANIA HYPERFINE PARAMETRY MÖSSBAUERA Parametr typu interakcji Mössbauera Przesunięcie izomeryczne Monopol elektryczny (kulomb) pomiędzy jądrami a protonami δ(mm/s) Wyodrębnione informacje Stan wirowania atomu (HS, LS, IS) Elektroujemność ligandów Stan utlenienia Gęstość elektronów Rozszczepienie kwadrupolowe ΔEQ( mm/s ) Elektryczne oddziaływanie kwadrupolowe pomiędzy momentem kwadrupolowym jądra a niejednorodnym polem elektrycznym Symetria molekularna Charakterystyka struktury pasmowej Stan spinowy atomu (HS, LS, IS) Rozszczepienie magnetyczne ΔEM(mm/s) Magnetyczne oddziaływanie dipolowe pomiędzy moment magnetyczny jądra i pole magnetyczne Charakter i wielkość interakcji magnetycznych (ferromagnetyzm, antyferromagnetyzm itp.
Przesunięcie izomeryczne w związkach zawierających żelazo Kiedy pomiar eksperymentalny izomerycznych przesunięć chemicznych, zawsze ważne jest, który standard zostanie zastosowany, względem którego te przesunięcia zostaną określone. Zatem w przypadku pomiarów 57Fe oficjalnym wzorcem jest związek tego izotopu Na2 lub metaliczne żelazo. Na 119 m. Sn ogólnie przyjętym standardem jest Sn. O2.
Oddziaływanie elektryczne kwadrupolowe Rozszczepienie kwadrupolowe ΔEQ ΔEQ gdzie: m. I=+I, +I-1, …, -I Dla 57 Fe Iв=3/2, Io=1/2 przy η=0
Połączone oddziaływanie dipol magnetyczny i kwadrupol elektryczny. Typowo dla 57 Fe i symetrii osiowej (η=0):
Proces wyładowania jądra 57Fe po wzbudzeniu rezonansowym. Rodzaj emitowanego promieniowania E ke. V Natężenie (jednostki względne) Głębokość wyjścia Promieniowanie Mössbauera 14, 4 0, 10 20 µm Rentgen Powłoki K 6,4 0,28 20 µm Elektrony konwersji K 7,3 0,79 10 nm 400 nm Elektrony konwersji L 13,6 0,08 20 nm 1,3 µm Elektrony konwersji M……… 14,3 0,01 20 nm 1,5 µm K – LL – Elektrony Augera 5,5 0,63 7 nm 400 nm L – MM – Elektrony Augera 0,53 0,60 1 nm 2 nm
Dynamika oddziaływań nadsubtelnych i relaksacja Wśród metod badania związków zawierających żelazo właściwości magnetyczne nanocząstek, jedną z najbardziej pouczających jest spektroskopia Mössbauera. w odróżnieniu pomiary magnetyczne, Spektroskopia Mössbauera może ujawnić dynamikę magnetyczną nanocząstek w zakresie częstotliwości 107 – 1010 s-1, charakterystycznej dla „okna” Mössbauera. Kształt eksperymentalnych widm Mössbauera obiektów niskowymiarowych staje się znacznie bardziej skomplikowany w porównaniu z widmami obiektów masywnych. Przyczyną tego może być albo: superpozycja statycznego zbioru struktur nadsubtelnych, wynikająca z różnic w lokalnym otoczeniu atomów rezonansowych, albo wpływ różnego rodzaju procesów dynamicznych (np. dyfuzyjnych, paramagnetycznych, spinowo-spinowych, relaksacja spinowo-sieciowa itp.
Kształt widm Mössbauera materiałów uporządkowanych magnetycznie 1. Przypadek dobrze rozdzielony ultradrobna struktura: 2. Przypadek superpozycji dużego zbioru struktur nadsubtelnych: 3. Przypadek relaksacji superparamagnetycznej: tutaj jest p-prawdopodobieństwo reorientacji momentu magnetycznego atomu pod kątem /2 pomiędzy osiami łatwego namagnesowania, q – prawdopodobieństwo jego odwrócenia w jednostce czasu
Selektywne wzbudzenie podpoziomów magnetycznej struktury nadsubtelnej a) - schemat przejść pomiędzy podpoziomami jądrowymi stanu podstawowego a stanami wzbudzonymi -Fe, b) widmo doświadczalne MES dla cienki film-Fe, c) - widmo energetyczne promieniowania rozproszonego przy wzbudzeniu poziomu -3/2, d) widmo energetyczne promieniowania rozproszonego po wzbudzeniu poziomu +1/2.
a) - widmo absorpcji getytu podstawionego glinem (8 mol %) i widma selektywnego wzbudzenia (od góry do dołu). c) - widmo absorpcji getytu podstawionego glinem (2% mol) i widma selektywnego wzbudzenia (od góry do dołu). Strzałka wskazuje energię ekscytującego promieniowania.
taki sam jak efekt Mössbauera.
Zobacz wartość Jądrowy rezonans gamma w innych słownikach
Gamma- I. Włoski alfabet muzyczny, drabina, rock w muzyce, rząd, kolejność dźwięków. | Tabela notatek ze znaczeniami palcowania.
Słownik wyjaśniający Dahla
Gamma- waga. Trzecia litera alfabetu greckiego. - promienie, promienie gamma, jednostki. nie (fizyczne) - to samo co prześwietlenie.
Słownik wyjaśniający Uszakowa
Rezonans- M. Francuski dźwięk, szum, raj, echo, odejdź, szum, powrót, głos; dźwięczność głosu, według lokalizacji, według wielkości pomieszczenia; dźwięczność, dźwięczność instrumentu muzycznego, zgodnie z projektem.......
Słownik wyjaśniający Dahla
Jądrowy- nuklearny, nuklearny (specjalny). 1. Przym. do rdzenia w 1 i 5 cyfrach. sok. waga. 2. Dostosuj według wartości. związany z jądrem atomowym lub jądrem komórkowym (fizyczny, biologiczny). Fizyka nuklearna. Struktura jądrowa prątków.
Słownik wyjaśniający Uszakowa
Gamma-- 1. Pierwsza część wyrazów złożonych wprowadzająca znaczenie: związana z emitowanym promieniowaniem elektromagnetycznym substancje radioaktywne(promienie gamma, spektrometr gamma, terapia gamma itp.).
Słownik wyjaśniający autorstwa Efremowej
Gammaglobulina M.— 1. Jedno z białek osocza krwi, które zawiera przeciwciała i jest stosowane jako lek leczniczy i profilaktyczny w przypadku niektórych chorób zakaźnych.
Słownik wyjaśniający autorstwa Efremowej
Promieniowanie gamma Śr.— 1. Krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez substancje radioaktywne.
Słownik wyjaśniający autorstwa Efremowej
Kwant gamma M.— 1. Kwant promieniowania gamma.
Słownik wyjaśniający autorstwa Efremowej
Promienie gamma Mn.— 1. To samo co: promieniowanie gamma.
Słownik wyjaśniający autorstwa Efremowej
Instalacja Gammy J.— 1. Urządzenie do stosowania ukierunkowanej, kontrolowanej wiązki promieniowania gamma.
Słownik wyjaśniający autorstwa Efremowej
Rezonans M.— 1. Wzbudzenie drgań jednego ciała przez wibracje drugiego ciała o tej samej częstotliwości, a także dźwięk odpowiedzi jednego z dwóch ciał dostrojonych zgodnie. 2. Możliwość ulepszenia......
Słownik wyjaśniający autorstwa Efremowej
Gamma-- Pierwsza część złożonych słów. Przyczynia się: związany z promieniowaniem elektromagnetycznym (promieniowaniem gamma) emitowanym przez substancje radioaktywne. Analiza gamma, błysk gamma,......
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Astronomia promieniowania gamma- ) -I; I. Dział astronomii związany z badaniem ciał kosmicznych w oparciu o ich promieniowanie gamma.
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Rozbłysk gamma- ) -A; m. Krótkoterminowy wzrost kosmicznego promieniowania gamma. Obserwuj rozbłyski gamma.
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Gammaglobulina- ) -A; m. Jedno z białek osocza krwi zawierające przeciwciała (stosowane jako lek leczniczy i profilaktyczny w przypadku niektórych chorób zakaźnych).
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Wykrywanie wad gamma- ) -I; I. Metoda badania materiałów i wyrobów oparta na pomiarze absorpcji promieni gamma emitowanych przez radioaktywne izotopy metali (stosowana do wykrywania defektów ukrytych).
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Promieniowanie gamma- -I; Poślubić Fiz. Krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez substancje radioaktywne. G. rad.
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Kwant gamma- -A; m. Kwant promieniowania gamma. Przepływ kwantów gamma. Absorpcja promieni gamma przez jądra atomowe.
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Laser gamma- -A; m. Indukcyjny generator promieniowania gamma; gazownik. Utwórz miasto
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Promienie gamma- ) -do niej; pl. Fiz. = Promieniowanie gamma.
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Miernik gęstości gamma- ) -A; m. Urządzenie do pomiaru gęstości materii za pomocą promieniowania gamma.
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Pole gamma- ) -I; Poślubić
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Spektrometr gamma- ) -A; m. Urządzenie do pomiaru energii (widma energii) promieniowania gamma.
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
Spektroskopia gamma- ) -I; I. Rozdział Fizyka nuklearna, związany z badaniem widm promieniowania gamma i różnych właściwości stanów wzbudzonych jąder atomowych.
Słownik wyjaśniający Kuzniecowa
EFEKT MÖSSBAUERA
i jego zastosowanie w chemii
Nowym zjawiskiem odkrytym w 1958 roku przez niemieckiego fizyka Rudolfa Ludwiga Mössbauera jest rezonansowa absorpcja promieni gamma przez jądra atomowe ciał stałych bez zmian energia wewnętrzna ciała stałego (lub bez utraty części energii kwantowej na skutek odrzutu jądra w ciele stałym) – nazwano efektem Mössbauera i doprowadziło do powstania zupełnie nowego kierunku badań w nauce. Głównymi obszarami zastosowań tego efektu była fizyka ciała stałego i chemia.
Tło problemu
Ideologiczne podstawy spektroskopii rezonansu gamma zaczęły kształtować się już dawno temu, a na jej rozwój miały oczywiście wpływ podstawowe pojęcia spektroskopii optycznej, zwłaszcza postęp w dziedzinie tzw. fluorescencji rezonansowej.
Od lat pięćdziesiątych XIX wieku Wiadomo było, że niektóre gazy, ciecze i ciała stałe (np. związki fluoru) pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne (zwykle światło widzialne) i natychmiast je ponownie emitują (zjawisko zwane fluorescencją). W szczególnym przypadku, znanym jako fluorescencja rezonansowa, promieniowanie pochłonięte i wyemitowane ma tę samą energię, długość fali i częstotliwość.
W pracach pojawiły się pierwsze założenia o istnieniu rozpraszania rezonansowego w atomach Fizyk angielski J.W. Rayleigha, a pierwsze eksperymenty w tym kierunku przeprowadził w latach 1902–1904 słynny amerykański fizyk eksperymentalny R.W. Wood. Użył analogii mechanicznych do wyjaśnienia rozpraszania rezonansowego.
Zjawisko fluorescencji rezonansowej dobrze wyjaśniła teoria N. Bohra, która zastąpiła stare idee ( model kwantowy atom). Atom przechodzący ze stanu wzbudzonego W do stanu podstawowego A, emituje foton o ściśle określonej częstotliwości. Kiedy taki foton przechodzi przez gaz składający się z tych samych atomów co emiter, może zostać zaabsorbowany, powodując przejście jednego z atomów docelowych do stanu W. Po krótkim czasie ten wzbudzony atom docelowy z kolei rozpada się, emitując foton o tej samej częstotliwości. Zatem promieniowanie pierwotne i wtórne mają tę samą częstotliwość, ale procesy absorpcji i późniejszej emisji fotonu są niezależne i nie ma określonej zależności fazowej pomiędzy falą padającą i emitowaną.
Wiele aspektów zjawiska promieniowania rezonansowego zostało poprawnie opisanych na podstawie teorii Bohra i rozwijającej się wówczas teorii mechanika kwantowa. Pełny opis procesów emisji, absorpcji i fluorescencji rezonansowej przeprowadzono nieco później, na przełomie lat dwudziestych i trzydziestych XX wieku. niemieccy fizycy V.F. Weiskopf i J.P. Wigner.
Idea, że poziomy energetyczne jąder są podobne do poziomów elektronowych atomów, a przejściom między nimi, zgodnie z postulatem Bohra, towarzyszy promieniowanie lub absorpcja, została po raz pierwszy wyrażona w pracach angielskiego fizyka C.D. Ellisa na początku lat dwudziestych XX wieku. Pod koniec lat 20. XX w. Poszukiwań odpowiadającej fluorescencji rezonansu jądrowego podjął szwajcarski fotochemik Werner Kuhn, pracujący w Niemczech od 1927 roku. Pokazał, że zjawiska fluorescencji rezonansu atomowego i jądrowego wydają się niezwykle podobne, jednak istnieją między nimi istotne różnice, które znacznie komplikują eksperymenty na jądrach.
W rezultacie dopiero w 1950 r. naukowcom udało się w końcu po raz pierwszy przeprowadzić udany eksperyment na jądrach złota-198 i zrozumieć przeszkody stojące na tej drodze. Problem ten ostatecznie rozwiązał dopiero Mössbauer.
Odkrycie Mössbauera
Na czym dokładnie polegał problem i jak go rozwiązał Mössbauer, stanie się bardziej oczywiste, jeśli przyjrzymy się strukturze jądra.
Wśród wielu konstrukcji teoretycznych uwagę zwraca stereotyp modelu atomu Bohra – „powłokowy” model jądra atomowego M. Goeppert-Mayer i H. Jensen, laureaci nagroda Nobla uzyskał tytuł doktora fizyki w 1963 r. Zgodnie z tym modelem nukleony w jądrze rozmieszczone są na określonych poziomach energetycznych, głównie w parach o spinach antyrównoległych (prawo Pauliego), a przejściom pomiędzy poziomami towarzyszy emisja lub absorpcja kwantów gamma. W przeciwieństwie do poziomów elektronowych stanów atomów lub cząsteczek, stany wzbudzone jąder nie żyją długo (rzędu charakterystycznego „czasu jądrowego” ~ 10–23 s), a zatem niepewność energii poziomy powinny być bardzo duże, zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga.
Wszystko to miałoby znaczenie tylko dla fizyki jądrowej, ale nie dla strukturalnej chemii organicznej i prawdopodobnie nie dla chemii w ogóle, gdyby nie jedna ważna okoliczność. Mianowicie: istnieją też jądra wzbudzone długożyciowe, których nadmiar energii nie objawia się tak szybko jak przy normalne przejścia nukleony z jednego stanu do drugiego. Takie jądra nazywane są izomery, mają ten sam ładunek i liczbę mas, ale inną energię i różny czas życia. Izomeria jądrowa została odkryta przez O. Gana (1921) podczas badania rozpadu beta toru-234 oraz I. V. Kurczatowa wraz ze swoimi kolegami L. V. Mysowskim i L. I. Rusinovem podczas obserwacji sztucznej radioaktywności jąder bromu (1935–1936). Teoria izomeria jądrowa został opracowany przez K.F. von Weizsäckera w 1936 r
Istotny jest czas życia metastabilnych stanów jąder (izomerów). kluczowa rola w tworzeniu linii widmowych spektroskopii gamma. Zgodnie z tą samą zasadą nieoznaczoności Heisenberga niepewność energii poziomów, a co za tym idzie naturalnej szerokości linii widmowej, powinna być niezwykle mała. W szczególności proste obliczenia na przykładzie izotopu żelaza-57 wykazują wartość znikomą, rzędu 5–10–9 eV. To właśnie ta bezprecedensowa wąskość linii widmowych spowodowała niepowodzenie wszystkich prac przed Mössbauerem.
Naukowiec w swojej słynnej pracy pt. „Rezonansowa absorpcja kwantów g w ciałach stałych bez odrzutu” pisał o tym: „Kwanty gamma emitowane podczas przejścia jądra ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego zwykle nie nadają się do konwersji samo jądro ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego poprzez odwrotny proces absorpcji rezonansowej. Jest to konsekwencja utraty energii odrzutu, jakiej doświadcza kwant - podczas procesu emisji lub absorpcji, w związku z tym, że przenosi pęd odrzutu na atom emitujący lub absorbujący. Te straty energii spowodowane odrzutem są tak duże, że linie emisji i absorpcji są znacznie przesunięte względem siebie. W rezultacie, jak zauważył, absorpcja rezonansowa (lub fluorescencja) zwykle nie jest obserwowana w promieniach rentgenowskich. Aby można było zaobserwować rezonansową absorpcję promieni gamma, oczywiste jest, że należy sztucznie stworzyć warunki, aby linie emisji i absorpcji nakładały się.
I tak już w 1951 roku P.B. Moon z Uniwersytetu w Birmingham (Anglia) zaproponował kompensację odrzutu jąder podczas promieniowania poprzez mechaniczne przemieszczanie źródła w miarę jego przemieszczania się w kierunku jąder odbiornika. W tym przypadku energia kinetyczna ruchu źródła jest dodawana do energii kwantu gamma, dzięki czemu można wybrać prędkość, przy której stan rezonansu zostanie całkowicie przywrócony. Jednak kilka lat później Mössbauer nieoczekiwanie znalazł prostszy sposób rozwiązania tego problemu, w którym od samego początku zapobiegnięto utracie odrzutu. Naukowiec uzyskał fluorescencję promieni gamma, wykorzystując atomy jako źródło izotop radioaktywny metaliczny iryd-191.
Iryd jest krystalicznym ciałem stałym, zatem atomy emitujące i absorbujące zajmują stałe pozycje w sieci krystalicznej. Chłodzenie kryształów ciekły azot, Mössbauer ze zdziwieniem stwierdził, że fluorescencja zauważalnie wzrosła. Badając to zjawisko, odkrył, że poszczególne jądra emitujące lub pochłaniające promienie gamma przekazują impuls interakcji bezpośrednio do całego kryształu. Ponieważ kryształ jest znacznie masywniejszy w porównaniu do rdzenia, dzięki silna interakcja atomów w ciałach stałych, energia odrzutu nie jest przekazywana do oddzielnego jądra, lecz zamieniana na energię drgań sieci krystalicznej, dzięki czemu nie obserwuje się przesunięcia częstotliwości w emitowanych i absorbowanych fotonach. W tym przypadku linie emisji i absorpcji nakładają się, co umożliwia obserwację rezonansowej absorpcji promieni gamma.
Zjawisko to, które Mössbauer nazwał „elastyczną, jądrową absorpcją rezonansową promieniowania gamma”, obecnie nazywa się efektem Mössbauera. Jak każdy efekt występujący w ciele stałym, zależy on od struktury krystalicznej substancji, temperatury, a nawet obecności najmniejszych zanieczyszczeń. Naukowiec pokazał także, że tłumienie odrzutu jądrowego za pomocą odkrytego przez niego zjawiska umożliwia generowanie promieni gamma, których długość fali jest stała z dokładnością do jednej miliardowej (= 10–9 cm). Na ryc. Rysunek 1 przedstawia schemat konfiguracji eksperymentalnej.
W rzeczywistości Pełny opis Efekt Mössbauera wymaga wykorzystania wiedzy z różnych dziedzin mechaniki kwantowej, dlatego w tym artykule skupiliśmy się tylko na najbardziej Postanowienia ogólne jego podejście.
W kolejnych eksperymentach (po irydzie badano inne obiekty: 187 Re, 177 Hf, 166 Er, 57 Fe i 67 Zn, w których zaobserwowano także absorpcję rezonansową bez odrzutu), Mössbauer ostatecznie potwierdził poprawność wyjaśnienia efektu zaobserwowaną przez niego rezonansową fluorescencję gamma bez odrzutu i jednocześnie dała podstawę metodologii eksperymentalnej dla wszystkich kolejnych badań tego zjawiska.
Badając przesunięcia linii emisyjnych i absorpcyjnych, można uzyskać niezwykle przydatna informacja o budowie ciał stałych. Przesunięcia można mierzyć za pomocą spektrometrów Mössbauera (ryc. 2).
Ryż. 2.
|
Źródło kwantów gamma za pomocą urządzenia mechanicznego lub elektrodynamicznego wprawia się w ruch posuwisto-zwrotny z prędkością względem absorbera. Za pomocą detektora promieniowania gamma mierzy się prędkość przepływu promieni gamma przechodzących przez absorber.
Wszelkie doświadczenia z obserwacją widm Mössbauera sprowadzają się do obserwacji zależności absorpcji (rzadziej rozpraszania) promieni gamma w badanej próbce od prędkości ruchu tej próbki względem źródła. Nie wchodząc w szczegóły konstrukcji różnych obiekty eksperymentalne należy zauważyć, że klasyczna konstrukcja spektrometru Mössbauera obejmuje następujące główne elementy: źródło promieniowania, absorber, układ przesuwania źródła względem absorbera oraz detektor.
Ogólne zastosowania metoda
Po opublikowaniu pierwszej pracy Mössbauera minął około rok, zanim inne laboratoria zaczęły powtarzać i rozszerzać jego eksperymenty. Pierwsze eksperymenty weryfikacyjne przeprowadzono w USA (Los Alamos laboratorium naukowe i Krajowe Laboratorium Argonne). Co więcej, co ciekawe, badania w Laboratorium Los Alamos rozpoczęły się od zakładu pomiędzy dwoma fizykami, z których jeden nie uwierzył w odkrycie Mössbauera, a drugi powtórzył jego eksperyment i tym samym wygrał zakład (zaobserwowali linię gamma przy 67 Zn). Znaczący wzrost publikacji na ten temat zaobserwowano po odkryciu efektu Mössbauera w 57 Fe, przeprowadzonym niezależnie także na Uniwersytecie Harvarda, w Argonne National Laboratory itp. Łatwość z jaką efekt można zaobserwować w 57 Fe, jego olbrzymia wielkość i jego obecność do temperatur przekraczających 1000°C, sprawiły, że ten obszar badań stał się dostępny nawet dla laboratoriów dysponujących bardzo skromnym wyposażeniem.
Fizycy wkrótce odkryli, że wykorzystując efekt Mössbauera, możliwe było określenie czasu życia jąder w stanach wzbudzonych i rozmiarów samych jąder, dokładnych wartości pól magnetycznych i elektrycznych w pobliżu jąder emiterowych oraz widm fononowych ciał stałych . Dla chemików najważniejszymi dwoma parametrami okazały się przesunięcie chemiczne sygnału rezonansowego oraz tzw. rozszczepienie kwadrupolowe.
W rezultacie w fizyce ciała stałego największy rozwój osiągnęły badania wykorzystujące efekt Mössbauera struktury magnetycznej i właściwości magnetycznych pierwiastków i związków, zwłaszcza stopów. Szczególnie zauważalny postęp w tym kierunku osiągnięto w pracach nad pierwiastkami ziem rzadkich. Drugim najważniejszym obszarem badań było badanie dynamiki sieci krystalicznej.
W chemii było zupełnie inaczej. Jak się okazało, wykorzystując sygnały spektroskopii rezonansu gamma, można wyciągnąć pewne wnioski na temat pola elektrycznego w środku atomu i rozwiązać typowe dla chemii problemy związane z naturą wiązanie chemiczne. Spektroskopia Mössbauera umożliwiła rozwiązanie wielu problemów strukturalnych związki chemiczne znalazł zastosowanie w kinetyce chemicznej i chemii radiacyjnej. Metoda ta okazała się niezastąpiona przy określaniu struktury makrocząsteczek biologicznych o szczególnie dużych masach cząsteczkowych.
Warto dodać, że spektroskopia rezonansu gamma okazała się niewiarygodna wysoka czułość(5–6 rzędów wielkości więcej niż w przypadku jądrowego rezonansu magnetycznego), dlatego można zrozumieć zaniepokojenie chemików na początku lat 60. – 70. XX wieku. Namiętności jednak nieco opadły, gdy chemicy oswoili się z sytuacją i odkryli ograniczenia w stosowaniu tej metody. W szczególności V.I. Goldansky w swojej książce poświęconej zastosowaniom efektu Mössbauera w chemii napisał: „Najwyraźniej głównymi przedmiotami zastosowania efektu Mössbauera w chemii są związki pierwiastków organicznych i związki złożone. W dziedzinie związków pierwiastków organicznych duże zainteresowanie budzi porównanie ogólnej natury wiązań pierwiastek-węgiel, która różni się znacznie w przypadku metali przejściowych i metali z głównych grup. Jednak od tego czasu minęło 30 lat, a spektroskopia rezonansu gamma potwierdziła jej obiecujące zastosowanie w różnorodnych celach i przedmiotach chemii.
Chemiczne zastosowania metody
Położenie sygnału rezonansowego zależy od środowiska elektronicznego, w którym znajduje się jądro emitujące kwant. Uzyskanie nowego rodzaju informacji fizycznej o środowisku elektronowym jąder niewątpliwie zawsze cieszyło się dużym zainteresowaniem chemii.
Rozwiązywanie zagadnień natury wiązań chemicznych i budowy związków chemicznych. Ponieważ główne parametry widm Mössbauera – takie jak przesunięcia chemiczne i rozszczepienia kwadrupolowe – są w dużej mierze zdeterminowane przez strukturę wartościowości powłoki elektroniczne atomów, wówczas pierwszą naturalną możliwością chemicznego zastosowania tego efektu było zbadanie natury wiązań tych atomów. W tym przypadku najprostsze podejście do problemu polegało na rozróżnieniu dwóch typów wiązań – jonowych i kowalencyjnych – i ocenie wkładu każdego z nich. Należy jednak zauważyć, że jest to najprostsze podejście, ponieważ nie powinniśmy zapominać, że samo rozróżnienie wiązań chemicznych na jonowe i kowalencyjne jest dość rażącym uproszczeniem, ponieważ nie uwzględnia możliwości edukacyjne, na przykład wiązania donor-akceptor, wiązania obejmujące orbity wielocentrowe (w polimerach) i inne odkryte w ostatnich dziesięcioleciach.
Parametr taki jak przesunięcie chemiczne można powiązać ze stopniem utlenienia atomów pierwiastków w cząsteczkach badanych substancji. Szczególnie dobrze rozwinięte są diagramy korelacji przesunięć izomerycznych (chemicznych) 57 Fe dla związków żelaza. Jak wiadomo, żelazo jest integralną częścią wielu biosystemów, w szczególności hemoprotein i układów o charakterze niebiałkowym (na przykład zawartych w mikroorganizmach). W chemii procesów życiowych znaczącą rolę odgrywają reakcje redoks kompleksów porfirynowo-żelazowych, w których żelazo występuje także w różnych stanach wartościowości. Biologiczną funkcję tych związków można odkryć dopiero wtedy, gdy dostępne będą szczegółowe informacje na temat struktury miejsca aktywnego stany elektroniczneżelazo na różnych etapach procesów biochemicznych.
Jak wspomniano powyżej, ważne obiekty Zastosowania efektu Mössbauera w chemii to pierwiastki organiczne i związki złożone. W dziedzinie związków pierwiastków organicznych duże zainteresowanie wzbudziło porównanie ogólnego charakteru wiązań pierwiastkowy-węgiel, które są bardzo różne dla metali przejściowych i metali głównych grup (na przykład praca A.N. Nesmeyanova).
Zatem, wykorzystując efekt Mössbauera, dokonano porównań kompleksów acetylenkowych szeregu metali przejściowych. Szczególnie udane badania przeprowadzono dla cyklopentadienylidów metali M(C 5 H 4) 2, w szczególności ferrocenopodobnych struktur „kanapkowych”.
Ważnym zastosowaniem tego efektu jest wyjaśnienie struktury dodekakarbonylu żelaza. Wyniki wstępnych badań dyfrakcji promieni rentgenowskich wykazały, że w tych cząsteczkach atomy żelaza są zlokalizowane w rogach trójkąta. Dlatego tak długo trwało uzgodnienie tych wyników z widmami Mössbauera dodekakarbonylu żelaza, ponieważ te ostatnie wykluczyły jakąkolwiek symetryczną strukturę trójkątną. Powtarzane jednocześnie eksperymenty z wykorzystaniem metod analizy dyfrakcji rentgenowskiej i spektroskopii Mössbauera wykazały, że wyboru z całą pewnością można dokonać jedynie w przypadku struktur liniowych.
Szczególnie zwracamy uwagę na wykorzystanie efektu Mössbauera w określaniu struktury biomolekuł. Obecnie strukturę białek określa się niemal wyłącznie metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich na monokryształach tych białek (patrz: Metody bezpośrednie w krystalografii rentgenowskiej. Chemia, 2003, nr 4).
Metoda ta ma jednak ograniczenia ze względu na waga molekularna badane systemy. Na przykład masa cząsteczkowa 150 000 g/mol, jaką ma immunoglobulina gamma, wynosi Górna granica określić strukturę metodą kolejnych podstawień izomorficznych. W przypadku białek o wyższej masie cząsteczkowej (na przykład katalazy, hemocyjaniny, wirusa mozaiki tytoniowej itp.) Konieczne jest zastosowanie innych metod. To właśnie tutaj z sukcesem sprawdziła się metoda rezonansowego rozpraszania promieniowania gamma bez odrzutu na jądrach 57Fe. Metoda ta wykorzystuje interferencję pomiędzy promieniowaniem gamma rozproszonym na powłokach elektronowych wszystkich atomów w krysztale oraz na niektórych jądrach 57Fe osadzonych w krysztale w określonych miejscach komórki elementarnej (rozpraszanie Mössbauera).
Kinetyka chemiczna i chemia radiacyjna. Oprócz zagadnień budowy związków chemicznych efekt Mössbauera jest aktywnie wykorzystywany w kinetyce chemicznej i chemii radiacyjnej. Oprócz możliwości bezpośredniego otrzymania krzywych kinetycznych w całości w jednym eksperymencie (w oparciu o częstotliwość próbek przy pewnej ustalonej charakterystycznej prędkości ruchu), szczególnie interesujące są tutaj obserwacje niestabilnych produktów pośrednich. W przypadku prowadzenia reakcji w fazie ciekłej konieczne staje się zatrzymanie procesu poprzez zamrożenie mieszaniny po każdej obserwacji widma Mössbauera. W przypadku procesów topochemicznych (zwłaszcza procesów radiacyjno-topochemicznych) możliwa jest ciągła obserwacja zmian widma Mössbauera w trakcie reakcji.
Bez wątpienia należy wspomnieć także o innych całkiem obiecujących zastosowaniach metody spektroskopii Mössbauera. Przede wszystkim efekt ten stał się użytecznym narzędziem do rozwiązywania szeregu problemów z zakresu fizykochemii polimerów, w szczególności problemu stabilizacji polimerów. Jest również stosowany jako analizator w metodzie znakowanego atomu. W szczególności przeprowadzono eksperymenty mające na celu zbadanie metabolizmu żelaza zawartego w czerwonych krwinkach ssaków i mitochondriach bakterii.
Posłowie
Oczywiście metoda spektroskopii Mössbauera nie jest tak szeroko stosowana w badaniach chemicznych, jak na przykład dobrze znane metody NMR, spektroskopii w podczerwieni i spektroskopii mas. Wynika to zarówno z małej dostępności i złożoności sprzętu, jak i z ograniczonego zakresu obiektów i zadań do rozwiązania. Przecież sam efekt obserwuje się na jądrach nie wszystkich pierwiastków i izotopów9. Jednak jego zastosowanie jest bardzo istotne w połączeniu z innymi metodami badawczymi, zwłaszcza spektroskopią radiową.
W ostatnie lata Opracowano badania widm Mössbauera przy wysokich ciśnieniach. Chociaż te ostatnie mają stosunkowo słaby wpływ na powłoki elektronowe atomów, to jednak parametry widm Mössbauera mierzone w zależności od ciśnienia przenoszą Nowa informacja na temat oddziaływania jądra ze środowiskiem elektronicznym. W porównaniu do innych metod spektroskopia Mössbauera w badaniach wysokociśnieniowych jest jeszcze bardziej wrażliwa na zmiany energii.
LITERATURA
R.L. Rckstossfreie Kernresonanzabsorption von Gammastrahlung. Nobelvortrag 11 grudnia 1961. Le Prix Nobel en 1961. Sztokholm: Impremerie Royale P.A.Norstedt & Sner, 1962,
S. 136–155;
Goldansky V.I.. Efekt Mossbauera. M.: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1963;
Mössbauer R.L. Rezonansowa absorpcja jądrowa kwantów -w ciałach stałych bez odrzutu. Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1960, t. 72, nr. 4, s. 658–671.
MÖSSBAUER Rudolf Ludwig(ur. 31.I.1929) urodził się w Monachium (Niemcy) w rodzinie technika fotograficznego Ludwiga Mössbauera i jego żony Erny z domu Ernst. Po ukończeniu szkoły średniej w jednej z podmiejskich szkół monachijskich (dzielnica Pasing) rozpoczął naukę w gimnazjum, które ukończył w 1948 roku.
Następnie Mössbauer przez rok pracował w firmie optycznej, a następnie po złożeniu dokumentów na wydziale fizyki Wyższej Szkoły Technicznej w Monachium (obecnie Politechnika) w 1949 roku został przyjęty na studia. W 1952 uzyskał stopień licencjata, w 1955 uzyskał tytuł magistra, a w 1958 po obronie rozprawy doktorskiej uzyskał stopień doktora filozofii.
Podczas realizacji pracy dyplomowej w latach 1953–1954. Młody człowiek pracował jako nauczyciel matematyki w Instytucie Matematycznym w Alma Mater. Po ukończeniu studiów, od 1955 do 1957 był asystentem w Instytucie Fizyki Badań Medycznych im. M. Plancka w Heidelbergu, a w 1959 został asystentem na Politechnice w Monachium.
Rozprawę doktorską, w której odkryto efekt noszący jego imię, naukowiec przeprowadził pod kierunkiem słynnego monachijskiego fizyka H. Mayera-Leibniza.
Początkowo wyniki uzyskane przez Mössbauera nie spotkały się z poparciem większości naukowców i były kwestionowane. Jednak rok później, uznając potencjalne znaczenie tego efektu, niektórzy z jego przeciwników w pełni potwierdzili jego zasadność w swoich badaniach eksperymentalnych. Wkrótce wszyscy fizycy docenili wagę odkrycia, „efekt Mossbauera” stał się sensacją i kilkudziesięciu naukowców z różnych laboratoriów na całym świecie zaczęło pracować w tym obszarze.
W 1961 roku Mössbauer otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za badania rezonansowej absorpcji promieniowania gamma i odkrycie w związku z tym efektu, który nosi jego imię”.
Mössbauer miał zostać profesorem na Politechnice w Monachium, jednak rozczarowany biurokratycznymi i autorytarnymi zasadami struktur organizacyjnych niemieckich uniwersytetów, biorąc urlop naukowy w Heidelbergu w 1960 r., wyjechał do USA, do Kalifornijskiego Instytutu Technologia na grant naukowy. W następnym roku otrzymał tam tytuł profesora.
W 1964 roku naukowiec wrócił do ojczyzny i wyjechał Wydział Fizyki Politechniki w Monachium, przekształcając ją według typu struktury organizacyjne uniwersytety amerykańskie. Niektórzy uczeni żartobliwie nazywali tę zmianę w strukturze języka niemieckiego Edukacja akademicka„drugi efekt Mössbauera”. Na uczelni pracował do 1971 r.
W latach 1972–1977 Mössbauer stał na czele Instytutu Maxa Laue-Paula Langevina w Grenoble (Francja). W 1977 powrócił do Alma Mater, gdzie kontynuował pracę jako profesor fizyki i jednocześnie dyrektor naukowy instytutu specjalnie utworzonego w celu rozwijania zagadnień z zakresu spektroskopii mössbauerowskiej i mössbauerografii. W latach 80. – 90. XX w. kierował projektem Mössbauer – Parak – Hoppe mającym na celu zbadanie dyfrakcji kwantów gamma Mössbauera za pomocą obiekty biologiczne(mossbauerografia białka).
W 1957 roku naukowiec poślubił projektantkę Elisabeth Pritz. Para ma jednego syna i dwie córki.
Mössbauer jest członkiem Amerykańskiego, Europejskiego i Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego, Indyjskiej Akademii Nauk oraz Amerykańskiej Akademii Sztuki i Nauki. Naukowiec otrzymał doktoraty honoris causa uniwersytetów w Oksfordzie, Leicester i Grenoble.
Oprócz Nagrody Nobla Mössbauer otrzymał nagrodę za osiągnięcia naukowe Amerykańskiej Korporacji Badawczej (1960) oraz Medal E. Gressona Instytutu Franklina (1961). Jest także laureatem Nagrody Roentgena Uniwersytetu w Giessen (1961).
Promieniowanie gamma to krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali mniejszej lub równej 10–8 cm; ma wyraźne właściwości korpuskularne, tj. zachowuje się jak strumień cząstek - kwanty gamma lub fotony.
Jeden ze sposobów opisu zjawisk mechaniki kwantowej; wskazuje, jak szybko zmieniają się w czasie określone parametry charakteryzujące stan układu (w odniesieniu do tego przypadku np. szerokość linii widmowej).
Należy zaznaczyć, że młody naukowiec miał trudności z pozyskaniem tego izotopu irydu do eksperymentów angielscy koledzy. To był trudny okres powojenny w Niemczech; Brakowało wielu substancji i instrumentów niezbędnych do badań.
Uzyskane wyniki zaprzeczały przyjętym wówczas poglądom na temat rezonansowej fluorescencji jądrowej, choć nie budziły wątpliwości co do ich poprawności. Brakowało tylko tego interpretacja teoretyczna efekt. Następnie za radą swojego przełożonego Mössbauer przeczytał artykuł W. Lamba (1939) na temat teorii interakcji powolne neutrony z kryształami. Jak się okazało, jego teorię można z powodzeniem zastosować do zjawiska obserwowanego przez Mössbauera. Paradoks polegał na tym, że badacze pracujący z neutronami byli bardzo zaznajomieni z pracą Lamba, ale nie przyszło im do głowy, aby zastosować jej wyniki do badania fluorescencji gamma; jednocześnie ci, którzy zajmowali się rozpraszaniem rezonansowym i absorpcją promieni gamma, nie sięgali po osiągnięcia sąsiedniej dziedziny fizyki jądrowej. Stosując obliczenia Lamba do promieni gamma, Mössbauer był w stanie wyjaśnić swoje wyniki.
Phonon to kwant ruchu wibracyjnego atomów kryształu.
Zmiana energii przejścia jądrowego, czyli energii kwantu gamma pochłoniętego przez próbkę w porównaniu do wyemitowanej, związana z różnicą w środowisku elektronowym jąder w próbce i źródle, nazywana jest izomeryczną, lub chemiczne, przesunięcie i jest mierzone jako wartość prędkości źródła, przy której obserwuje się maksimum absorpcji promieni gamma.
Oddziaływanie momentu kwadrupolowego jądra (rozumianego jako wielkość charakteryzująca odchylenie rozkładu). ładunek elektryczny w jądrze atomowym od sferycznie symetrycznego) przy nierównomiernym polu elektrycznym prowadzi do rozszczepienia poziomów jądrowych, w wyniku czego w widmach absorpcyjnych obserwuje się nie jedną, ale kilka linii. Badanie rozszczepienia kwadrupolowego pozwala uzyskać informacje o konfiguracjach elektronowych atomów i jonów.
Reakcje w fazie stałej zachodzą lokalnie w tym samym miejscu, w którym tworzy się faza stała produktu.
Artykuł powstał przy wsparciu biura tłumaczeń Amira-Dialect. Jeśli potrzebujesz tłumaczenia poświadczonego notarialnie, najlepszym rozwiązaniem będzie skontaktowanie się z biurem tłumaczeń Amira-Dialect. Ponieważ wiele konsulatów wymaga notarialnego tłumaczenia w celu uzyskania wizy, nie należy tracić czasu. Biuro tłumaczeń Amira-Dialect zatrudnia wyłącznie wysoko wykwalifikowanych specjalistów, którzy tak szybko, jak to możliwe zrealizujemy zamówienia o dowolnej złożoności.
Strona 1
Jądrowy rezonans gamma (NGR) - emisja lub absorpcja promieni gamma przez ciało stałe bez wytwarzania w nim fononów - nie jest jednym z rezonansów magnetycznych.
Jądrowy rezonans gamma (efekt Mössbauera) pozwala uzyskać cenne informacje na temat budowy powłok elektronowych atomów zawierających jądra Mössbauera. Istotną wadą tej metody jest ograniczona liczba elementów praktycznie dostępnych do badań. W ta praca Podjęto próbę ominięcia tego ograniczenia wykorzystując jako kryterium stosowalności wyniki pomiarów Mössbauera na jądrach Sn119 i Sb121 atomów cyny i antymonu wchodzących w skład związków oraz na jądrach Fe57 domieszkowych atomów żelaza różne podejścia w teoretycznych obliczeniach efektywnych ładunków atomów w związkach rozważanego typu.
Spektroskopia jądrowego rezonansu gamma (spektroskopia Mössbauera) wykrywa słabe zakłócenia poziomy energii jądra żelaza przez otaczające je elektrony. Efekt ten jest zjawiskiem emisji lub absorpcji miękkiego promieniowania V bez odrzutu jądrowego. Interesujące nas przejście jądrowe o energii 14,36 keV zachodzi pomiędzy stanami /3/2 i /1/2 izotopu Mössbauera 57Fe, gdzie / jest spinem jądrowym Liczba kwantowa. W przypadku białka o masie cząsteczkowej 50 000, które wiąże 1 atom żelaza w cząsteczce i przy braku wzbogacenia izotopowego, odpowiada to masie próbki 2,5 g. Rozważane tutaj białka wielojądrowe zawierają znacznie więcej żelaza i są całkiem odpowiednie do badanie za pomocą spektroskopii jądrowego rezonansu gamma. Cztery zostały szeroko zbadane możliwe typy oddziaływania pomiędzy jądrem 57Fe i jego środowiskiem elektronowym: przesunięcie izomeru, rozszczepienie kwadrupola, nadsubtelne oddziaływania magnetyczno-jądrowe, oddziaływania jądrowe Zeemana.
Istota jądrowego rezonansu gamma, czyli tak zwanego efektu Mössbauera, polega na tym, że kwanty emitowane podczas przejścia wzbudzonego jądra do stanu podstawowego mogą być absorbowane w równowadze przez niewzbudzone jądra wraz z przejściem tego ostatniego do stanu wzbudzonego. Podobne zjawisko jest dobrze znane w optyce konwencjonalnej; jedyną znaczącą rzeczą jest to, że w porównaniu duży impuls można by się spodziewać silnego odrzutu od kwantów y, takich jak ten emitujący; i na rdzeniu pochłaniającym, a tym samym niemożność absorpcji rezonansowej z powodu efektu Dopplera. Mössbauer wykazał, że przynajmniej w znacznej części przypadków odrzut jest pochłaniany przez kryształ (lub ciężką cząsteczkę) jako sztywną całość, a zjawisko odrzutu można w naturalny sposób pominąć.
Zjawisko jądrowego rezonansu gamma na jądrach atomowych polega na gwałtownym wzroście prawdopodobieństwa absorpcji lub rozproszenia kwantów gamma o energii odpowiadającej wzbudzeniu przejść jądrowych.
Badanie jądrowego rezonansu gamma wykazało, że badane cząstki żelaza nie zostały utlenione.
Korzystając z analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich i jądrowego rezonansu gamma ustalono, że ta zmiana w strukturze kryształu nie jest związana ze zmianą stężenia węgla w roztworze stałym, ale jest spowodowana odwracalnym przejściem atomów śródmiąższowych (węgla) z oktaedrycznego szczeliny do defektów radiacyjnych. Takie przejścia nie wymagają dyfuzji węgla na znaczne odległości - zachodzą w obrębie komórki elementarnej. Zwiększona koncentracja defektów punktowych powstałych w wyniku napromieniania w sieci krystalicznej martenzytu stymuluje przejścia atomów śródmiąższowych z jednego położenia do drugiego, co jest energetycznie korzystniejsze w danych temperaturach.
Przeprowadziliśmy obserwacje jądrowego rezonansu gamma w próbkach różnych masywnych wieloskładnikowych szkieł zawierających cynę i ich włókien szklanych skład chemiczny. Skład szkła podano w tabeli.
Przeprowadziliśmy badania jądrowego rezonansu gamma w złożonych związkach żelaza z anionami 4-butyroilo- i 4-benzoilo-1 2 3-triazolowymi. Widma uzyskano na mechanicznym spektrometrze NGR przy użyciu źródła Co57 w chromie.
Przetwarzanie danych eksperymentalnych dotyczących jądrowego rezonansu gamma jest możliwe tylko po skalibrowaniu spektrometru NGR na podstawie prędkości i określeniu położenia linii absorpcyjnych dowolnych substancji wybranych jako wzorce. Zwykle jako standard stosuje się substancje, które można dość łatwo wyprodukować i odtworzyć w identycznych warunkach. Muszą być stabilne, muszą mieć odpowiednio duże prawdopodobieństwo absorpcji - kwanty y bez utraty energii na skutek odrzutu, ich widma Mössbauera muszą być wąską linią, charakteryzującą się niewielkim przesunięciem temperatury.
Choć rozszczepienie kwadrupolowe komplikuje wygląd widm jądrowego rezonansu gamma (NGR) (ryc. 111-6), pozwala na wyciągnięcie szeregu ważnych wniosków na temat struktury i symetrii badanych związków. Związek ten (który służył jako zmiatacz) zsyntetyzowano przy użyciu izotopu 1291, długożyciowego produktu reakcji rozszczepienia. Złożony widok widmo wynika zarówno z rozszczepienia kwadrupolowego, jak i z faktu, że jod występuje w tym związku w dwóch różnych pozycjach.
Podjęliśmy systematyczne badania metodą jądrowego rezonansu gamma (NGR) związków cyny z pierwiastkami piątej i szóstej grupy oraz chalkogenkowych szkieł półprzewodnikowych w układzie arsen – selen – cyna w celu uzyskania informacji o wiązaniu chemicznym i wewnętrzne pola krystaliczne w tych związkach.
Badanie wąskich linii przeprowadza się metodą jądrowego rezonansu gamma, którą powszechnie nazywa się spektroskopią Mössbauera. Na ryc. Rysunek 8.14 przedstawia typowy układ eksperymentalny.
Metoda spektroskopii Mössbauera, czasami nazywana spektroskopią jądrowego rezonansu gamma (NGR), opiera się na badaniu absorpcji promieniowania y z jądra źródłowego przez jądro tego samego izotopu znajdujące się w badanej próbce. Warunki rezonansowe są spełnione tylko wtedy, gdy wyeliminowany zostanie również efekt odrzutu jąder podczas emisji i absorpcji kwantów y, a także w jakiś sposób skompensowany zostanie efekt Dopplera. Metoda była rozwijana dokładnie od chwili, kiedy to zrozumieno, a jeszcze wcześniej eksperymentalnie stwierdzono, że jest prosta i niemal wyjątkowa możliwy sposób eliminacja strat w zwrotach.
Energia jąder jest kwantowana. Kiedy jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, emitowany jest kwant z energią. Więcej możliwe znaczenie to uch energia dla nieskończenie ospałego, wolnego jądra jest równa różnica energii stanu podstawowego i wzbudzonego: 
. Proces odwrotny odpowiada absorpcji kwantu g o energii bliskiej .
Gdy zbiór podobnych jąder zostanie wzbudzony do tego samego poziomu, energia wyemitowanych kwantów będzie charakteryzowała się pewnym rozrzutem wokół wartości średniej.
Rys. 1.13 Schemat ilustrujący przejścia kwantowe z emisją i absorpcją kwantów elektrycznych (a) oraz pojawieniem się linii emisji i absorpcji w przypadku optycznym (b) i jądrowym (c).
Zarys pasma absorpcji opisany jest tą samą zależnością, co kontur pasma emisji (rys. 1.13). Oczywiste jest, że efekt rezonansowej absorpcji promieniowania elektrycznego w widmie optycznym jest optyczny kwanty emitowane podczas przejścia elektronów wzbudzonych atomów do leżących poniżej Poziomy elektryczne są pochłaniane rezonansowo przez substancję zawierającą atomy tego samego typu. Zjawisko statycznej absorpcji rezonansowej jest wyraźnie widoczne np. w parach sodu.
Niestety nie obserwuje się zjawiska rezonansowej absorpcji jądrowej na wolnych jądrach. Powodem jest to, że model leniwych jąder (atomów), przy małych stratach energii na odrzut, sprawdza się w przypadku rezonansu optycznego i jest całkowicie niemożliwy do zastosowania w przypadku rezonansu jądrowego. Promienie gamma emitowane podczas przejść jądrowych mają znacznie więcej wyższa energia– 10 s i setki keV(w porównaniu do kilkudziesięciu eV dla kwantów widoczny obszar). Przy porównywalnych wartościach żywotności i odpowiednio bliskich wartościach naturalnej szerokości poziomów elektrycznych i jądrowych w wydarzenie nuklearne Energia odrzutu odgrywa jeszcze bardziej znaczącą rolę w emisji i absorpcji:
gdzie jest pędem odrzutu jądra równym wielkości pędu wyemitowanego kwantu, m jest masą jądra (atomu).
Dlatego w przypadku optycznym nie obserwuje się rezonansu na wolnych jądrach (patrz rys. 1.13 b i c). Rudolfa Mössbauera, badającego absorpcję kwantów -emitowanych przez izotop Ir, stwierdzonych w krysztale Ir, wbrew przepowiedniom, że teoria promieniowania, zwiększone rozpraszanie-kwanty w niskich temperaturach (T≈77K). Pokazał, że obserwowany efekt jest związany z rezonansową absorpcją kwantów - przez jądra atomów Ir i wyjaśnił jego naturę.
W eksperymentach nad efektem Mössbauera mierzone są nie same pasma emisji (lub absorpcji), ale rezonansowe krzywe absorpcji (zakresy Mössbauera). Unikalne zastosowanie metody jądrowego rezonansu gamma w chemii i fizyce ciała stałego uzasadnia fakt, że szerokość składowych zakresu Mössbauera l linie rezonansu fizycznego są mniejsze niż energie pola magnetycznego oraz oddziaływania elektronowe jądra z otaczającymi je elektronami. Efekt Mössbauera to skuteczna metoda badania szerokiego zakresu zjawisk wpływających na te interakcje.
Prosty schemat obserwacji efektu Mössbauera w g geometria przekładni obejmuje źródło, absorber (wąski standard badanego materiału) i czujnik promieniowania G (ryc. 1.14).
Ryż. 1.14 Schemat doświadczenia Mössbauera: 1 – wibrator elektrodynamiczny, ustawienie różne znaczenia prędkość źródła; 2 – źródło Mössbauera; 3 – absorber zawierający jądra izotopu Mössbauera; 4 – czujnik kwantów g przechodzących przez absorber (zwykle licznik proporcjonalny lub fotopowielacz).
Źródło promieni musi mieć pewne cechy: mieć długi okres okres półtrwania jądra, w przypadku jego rozpadu jądro rezonansowego izotopu rodzi się w stanie wzbudzonym. Energia przejścia Mössbauera powinna być stosunkowo niska ( tak, aby energia odrzutu nie przekraczała energii potrzebnej do przemieszczenia atomu i węzła sieci krystalicznej), linia emisyjna jest wąska (zapewnia to najwyższą rozdzielczość), a możliwość promieniowania bez tła duża. Źródło kwantów g uzyskuje się w większości przypadków przez wprowadzenie izotopu Mössbauera do matrycy żelaza za pomocą wyżarzania dyfuzyjnego. Materiał matrycy musi być dia- lub paramagnetyczny (wyklucza się rozszczepienie magnetyczne poziomów jądrowych).
Jako absorbery stosuje się cienkie wzorce w postaci folii lub proszków. Przy określaniu wymaganej grubości wzorca należy uwzględnić możliwość wystąpienia efektu Mössbauera (dla żelaza niezabarwionego najlepsza grubość wynosi ~20 µm). Najlepsza grubość I jest wynikiem kompromisu pomiędzy koniecznością pracy z wąskim absorberem i mają najwyższy efekt absorpcji. Do rejestracji fotonów, które przeszły przez standard, szerzej stosuje się liczniki scyntylacyjne i proporcjonalne.
Uzyskanie zakresu absorpcji rezonansowej (lub zakresu Mössbauera) wiąże się ze zmianą kryterium rezonansu, dlatego konieczne jest modulowanie energii kwantów. Obecnie obowiązujące oparta na metodzie modulacji czasu w oparciu o efekt Dopplera (w większości przypadków określa się ruch źródła promieniowania G względem absorbera).
Energia kwantu g w wyniku efektu Dopplera zmienia się o wartość
Gdzie - całkowita wartość prędkość ruchu źródła względem absorbera; с – prędkość światła w próżni; – kąt pomiędzy kierunkiem ruchu źródła a kierunkiem emisji kwantów g.
Ponieważ w doświadczeniu kąt postrzega tylko dwie wartości =0 i , wówczas ∆E = (symbol dodatni odpowiada podejściu, i negatywne– usunięcie źródła z absorbera).
W przypadku braku rezonansu, np. gdy w absorberze nie ma jądra izotopu rezonansowego lub gdy prędkość Dopplera jest bardzo duża (co odpowiada zniszczeniu rezonansu na skutek bardzo dużej konfiguracji energii kwantowej), największa część promieniowanie emitowane w kierunku absorbera trafia do czujnika znajdującego się za nim.
Sygnał z czujnika jest wzmacniany, a impulsy poszczególnych fotonów rejestrowane są przez analizator. Zwykle rejestrowana liczba to - kwanty dla jednakowych okresów czasu w różnych. W przypadku rezonansu kwanty g są pochłaniane i ponownie emitowane przez absorber w przypadkowych kierunkach (rys. 1.14). Jednocześnie ilość promieniowania docierającego do czujnika jest miniaturyzowana.
W doświadczeniu Mössbauera zbadano zależność natężenia promieniowania przechodzącego przez absorber (liczby impulsów zarejestrowanych przez czujnik) od prędkość względnaźródło. Efekt absorpcji określona przez relację
gdzie jest liczbą kwantów g zarejestrowanych przez czujnik w określonym czasie przy wartości prędkości Dopplera (w doświadczeniu użyj dyskretnego szybkiego wybierania t); – to samo dla , gdy nie ma absorpcji rezonansowej. Zależności i wyznaczają kształt krzywej absorpcji rezonansowej stopów i związków żelaza i mieszczą się w granicach ±10 mm/s.
Możliwość wystąpienia efektu Mössbauera zależy od zasięgu fononów kryształów. W obszarze niskich temperatur () możliwość osiąga wartości bliskie jedności, a w obszarze wysokich () jest bardzo mała. Wszystkie inne rzeczy są równe kryteria możliwość absorpcji bez tła i w kryształach jest więcej promieniowania najwyższa temperatura Debye'a (określa twardość wiązania międzyatomowego).
O możliwości wystąpienia efektu decyduje zakres drgań sprężystych atomów w sieci krystalicznej. Linia Mössbauera jest intensywna, jeśli amplituda drgań atomów jest mała w porównaniu z długością fali kwantów r, tj. w niskich temperaturach. W w tym przypadku obejmuje zakres emisji i absorpcji wąskie pasmo rezonansowe (procesy bez tła) i szerokie składowe, ze względu na konfigurację stanów wibracyjnych sieci podczas emisji i absorpcji kwantów g (szerokość tego ostatniego jest o 6 rzędów wielkości większa niż szerokość pasma rezonansowego).
Anizotropia wiązania międzyatomowego w sieci determinuje anizotropię amplitudy drgań atomowych, a co za tym idzie, różną możliwość absorpcji bez tła w różnych kierunkach krystalograficznych. W przypadku monokryształów można w ten sposób zmierzyć nie tylko zależności średnie, ale także zależności kątowe.
W przybliżeniu wąskiego absorbera możliwość przejść bez tła jest proporcjonalna do obszaru pod krzywą absorpcji rezonansowej. Jądrowy rezonans gamma można wykorzystać do badania parametrów wibracyjnych stałej sieci lub atomów zanieczyszczeń w tej sieci. Bardziej komfortowe doświadczenie eksperymentalne Parametrem w tym przypadku jest obszar zakresu S, ponieważ jest to cecha integralna i niezależna od kształtu zakresu emisji kwantów rezonansowych i samoabsorpcji w źródle. Obszar ten zostaje zachowany, gdy zakres jest podzielony na kilka składowych w wyniku oddziaływań nadsubtelnych.
Prosty zakres absorpcji rezonansowej wąskiego absorbera to pojedyncza linia o kształcie Lorentza. Intensywność przeszłości przez pochłaniacz promieniowania jest maksymalnie mała wchłanianie. Jako przykład na ryc. Rysunek 1.15 przedstawia zakresy Mössbauera dla czystego żelaza.
Ryż. 1,15 asortymentów Mössbauera z czystego żelaza.