ЗМІСТ: Історія відкриття Ядерне резонансне поглинання гамма випромінювання Техніка месбауеровського експерименту Надтонкі взаємодії та мессбауерівські параметри Практичні застосуванняметоду: - Фазовий аналіз у матеріалознавстві та геохімії - Аналіз поверхні - Динамічні ефекти
Історія відкриття ядерного гамма резонансу (ефекту Мессбауера) Атомний резонансний процес в оптичному діапазоні довжин хвиль добре відомий. Він був передбачений Д. Релеєм і знайшов своє експериментальне підтвердженняв 1904 р. у відомому досвіді Роберта Вуда, в якому Вуд використовував жовте світло, що випускається атомами натрію (так звані D-лінії натрію), який можна отримати, помістивши в полум'я невелику кількість кухонної солі. Кожній D – лінії відповідає власна частота коливань атома натрію, чи, точніше, зовнішніх електронів цього атома. Щоб спостерігати резонанс, необхідно мати інші атоми натрію, що не перебувають у полум'ї. Вуд використовував скляний балон, що містить невелику кількість металевого натрію. Тиск парів натрію такий, що при нагріванні вище кімнатної температурикількість парів натрію в балоні була достатньою для проведення досвіду. Якщо світло від натрієвого полум'я сфокусувати на балон, можна спостерігати появу слабкого жовтого світіння. Атоми натрію в колбі діють аналогічно до налаштованого камертону. Вони поглинають енергію падаючого пучка жовтого світла, а потім висвічують її в різні боки.
П'ятдесят років тому, 1958 року, німецький фізик 1958 року Рудольф Людвіг Месбауер, працюючи над дисертацією доктора філософії в Інституті ім. М. Планка в Гейдельберзі, представив у німецьку фізичний журналстаттю з назвою «Ядерна резонансна флуоресценція гамма випромінювання в Ir 191», яка була опублікована в середині того ж року. А вже восени 1958 року виконав перші експерименти, в яких для сканування резонансних ліній використовував ефект Доплера. Наприкінці 1958 року він опублікував отримані експериментальні дані, що заклали основу нового експериментального методу– ядерної гамма-резонансної спектроскопії, яка часто називається Мессбауерівською спектроскопією (МС). У 1961 році за відкриття та теоретичне обґрунтуванняцього явища Рудольфу Мессбауеру було присуджено Нобелівську премію з фізики.
Вплив ефекту віддачі при поглинанні та випромінюванні гамма випромінювання ядрами Енергія віддачі: 57 Fe Енергія Допплера: : ET = 14. 4 ке. В, t 1/2 = 98 нс, Г = 4. 6 · 10 -9 е. В, → ER ~ 2 · 10 -3 е. У
Для ядер вільних атомів Для ядер атомів в кристалічній решітці при низьких температурах
Порівняння основних параметрів між електронними та ядерними переходами Параметри переходів Енергія переходу, ЕТ (е. В) Середній час життя збудженого стану, (сек) Природна ширина резонансної лінії, Γ=ħ/τ (е. В) Енергетична роздільна здатність, Г/ЕТ Енергія віддачі, ЕR (е. В) Відношення ЕR/Г Електронний перехід для D-лінії Na Ядерний перехід 57 Fe Ядерний перехід 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
Ядерні параметри основних Мессбауерівських ізотопів Ізотоп 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, ке. У Гr/(ммс-1) =2 Гест Ig Ie 14. 41 67. 40 23. 87 37. 15 35. 48 57. 60 27. 72 22. 5 21. 6 26. 65 73. 0 57 . 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+ /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 Природний вміст % 2. 17 1. 25 8. 58 57. 25 6. 99 100 nil 13. 9 47. 8 18. 88 61. 5 100 nil Розпад ядра 57 Co ( d) 61 Co (ß-99 m) 119 m. Sn (ІТ 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) ЄС-електронне захоплення, β-бета розпад, IT-ізомерний перехід, α-альфа розпад
Схеми радіоактивного розпаду, у яких виникає заселеність мессбауеровского рівня на ядрах 57 Fe і 119 m. Sn
Можливість резонансного процесу без віддачі. Фактор Лемба-Мессбауера f – ймовірність процесу поглинання або випромінювання гамма квантів без віддачі f – залежить від коливальних властивостей кристалічних ґрат, тобто від ймовірності збудження фонів у твердому тілі. середній квадратамплітуди коливань у напрямку випромінювання гама кванта, усереднений за час життя ядра в збудженому стані λ– довжина хвилі гама кванта
Вплив фононних процесів на поглинання або розсіювання без віддачі. твердого тілаа – модель Ейнштейна, б-модель Дебая, модель Борна-Кишень
ЗВЕРХТОНКІ ВЗАЄМОДІЇ МЕСБАУЕРІВСЬКІ ПАРАМЕТРИ Мессбауеровський Тип взаємодії параметр Ізомерний зсув Електричне монопольне (кулонівське) між ядрами і δ(мм/с) протонами Витягана інформація Спіновий стан атома (HS, LS, IS, IS, IS лення ΔЕQ(мм/с ) Електрична квадрупольна взаємодія між квадрупольним моментом ядра і неоднорідним електричним полем Молекулярна симетрія Характеристика зонної структури Спіновий стан атома (HS, LS, IS) Магнітне розщеплення ΔЕМ(мм/с) магнітним полемХарактер і величина магнітної взаємодії (феромагнетизм, антиферомагнетизм і т.д.
Ізомерний зсув у залізовмісних сполуках При експериментальному виміріізомерних хімічних зрушень завжди важливо, який використовується стандарт, щодо якого будуть визначатися ці зрушення. Так для вимірювань на Fe 57 офіційним стандартом є з'єднання цього ізотопу Na 2 або металеве залізо. За 119 m. Sn загальноприйнятим стандартом є Sn. O 2.
Електрична квадрупольна взаємодія Квадрупольне розщеплення ΔЕQ ΔEQ де: m. I=+I, +I-1, …, -I Для 57 Fe Iв=3/2 , Io=1/2 при η=0
Комбінована магнітна дипольна та електрична квадрупольна взаємодія Зазвичай Для 57 Fe та осьової симетрії (η=0) :
Процес розрядки ядра 57 Fe після резонансного збудження. Тип випромінювання, що випускається E ке. Інтенсивність (отн. един.) Глибина виходу Мессбауеровское випромінювання 14, 4 0, 10 20 мкм Рентгенівське випромінюванняК-оболонки 6, 4 0, 28 20 мкм К-конверсійні електрони 7, 3 0, 79 10 нм 400 нм L-конверсійні електрони 13, 6 0, 08 20 нм 1, 3 мкм М-конверсійні електрони …… 14, 3 0, 01 20 нм 1, 5 мкм K – LL – Оже електрони 5, 5 0, 63 7 нм 400 нм L – MM – Оже електрони 0, 53 0, 60 1 нм 2 нм
Динаміка надтонких взаємодій та релаксація Серед методів дослідження залізовмісних магнітних властивостейнаночастинок, однією з найбільш інформативних є мессбауеровская спектроскопія. На відміну від магнітних вимірів, мессбауерівська спектроскопія може виявити магнітну динаміку наночастинок у частотному діапазоні 107 - 1010 с-1, характерних для мессбауеровського «вікна». Форма експериментальних мессбауеровских спектрів низькорозмірних об'єктів сильно ускладнюється проти спектрами для масивних об'єктів. Причинами цього можуть бути: або суперпозиція статичного набору надтонких структур, обумовлена різницею в локальному оточенні резонансних атомів, або впливом різного роду динамічних процесів (наприклад, дифузія, парамагнітна, спін-спинова, спін-решіткова релаксації тощо).
Форма мессбауерівських спектрів магнітоупорядкованих матеріалів 1. Випадок добре дозволеної надтонкої структури: 2. Випадок суперпозиції великого набору надтонких структур: 3. Випадок суперпарамагнітної релаксації: тут- p-імовірність переорієнтації магнітного моменту атома на кут /2 між осями легкого намагнічування, q-імовірність його перевороту в одиницю часу
Селективне збудження підрівнів магнітної надтонкої структури а) - схема переходів між ядерними підрівнями основного та збудженого станів -Fe; б) - експериментальний КЕМ спектр для тонкої плівки-Fe, в) - енергетичний спектр розсіяного випромінювання при збудженні рівня -3/2; г) енергетичний спектр розсіяного випромінювання при збудженні рівня +1/2.
а) - спектр на поглинання алюмозаміщеного гетиту (8 мол. %) та спектри селективного збудження (згори донизу). в) - спектр на поглинання алюмозаміщеного гетиту (2 мол. %) і спектри селективного збудження (зверху вниз). Стрілка показує енергії збуджуючого випромінювання.
те, що Мессбауера ефект.
Дивитись значення Ядерний Гамма-резонансв інших словниках
Гамма- ж. італ. нотна абетка, сходи, скеля у музиці, ряд, порядок звуків. | Таблиця нот, з позначенням аплікатури.
Тлумачний словник Даля
Гамма- Гами. Третя літера грецького алфавіту. - промені, гамма-промені, од. ні (фіз.) - те саме, що рентгенівські.
Тлумачний словник Ушакова
Резонанс- М. франц. гук, гул, рай, відгомін, відгул, гул, віддача, наголосок; звучність голосу, місцевістю, за розмірами кімнати; звучність, дзвінкість музичної зброї, по устройству........
Тлумачний словник Даля
Ядерний- Ядерна, ядерна (спец.). 1. Дод. до ядро в 1 та 5 знач. сік. вага. 2. Дод., по знач. пов'язане з атомним ядром або з ядром клітини (фіз., біол.). Ядерна фізика. Ядерна структура бацил.
Тлумачний словник Ушакова
Гамма-- 1. Перша частина складних слів, що вносить значення: пов'язаний з електромагнітним випромінюванням, що випускається радіоактивними речовинами(гамма-промені, гамма-спектрометр, гамма-терапія тощо).
Тлумачний словник Єфремової
Гамма-глобулін М.— 1. Один із білків плазми крові, що містить антитіла та застосовується як лікувально-профілактичний препарат при деяких інфекційних захворюваннях.
Тлумачний словник Єфремової
Гамма-випромінювання Порівн.- 1. Короткохвильове електромагнітне випромінювання, що випромінюється радіоактивними речовинами.
Тлумачний словник Єфремової
Гамма-квант М.- 1. Квант гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Єфремової
Гамма-промені Мн.- 1. Те саме, що: гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Єфремової
Гамма-установка Ж.- 1. Апарат для застосування спрямованого, регульованого пучка гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Єфремової
Резонанс М.- 1. Порушення коливань одного тіла коливаннями іншого тієї ж частоти, а також звучання у відповідь одного з двох тіл, налаштованих в унісон. 2. Здатність посилювати........
Тлумачний словник Єфремової
Гамма-- Перша частина складних слів. Вносить зн.: пов'язаний з електромагнітним випромінюванням (гамма-випромінюванням), що випромінюється радіоактивними речовинами. Гамма-аналіз, гамма-спалах,........
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-астрономія-) -і; ж. Розділ астрономії, пов'язаний із дослідженнями космічних тіл щодо їх гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-сплеск-) -а; м. Короткочасне посилення космічного гамма-випромінювання. Спостерігати гамма-сплески.
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-глобулін-) -а; м. Один із білків плазми крові, що містить антитіла (застосовується як лікувально-профілактичний препарат при деяких інфекційних захворюваннях).
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-дефектоскопія-) -і; ж. Метод перевірки матеріалів та виробів, заснований на вимірюванні поглинання гамма-променів, що випускаються радіоактивними ізотопами металів (застосовується для виявлення прихованих дефектів).
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-випромінювання--я; пор. Фіз. Короткохвильове електромагнітне випромінювання, що випромінюється радіоактивними речовинами. Р. радію.
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-квант--а; м. Квант гамма-випромінювання. Потік гамма квантів. Поглинання гамма-квантів атомними ядрами.
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-лазер--а; м. Генератор індукційного гамма-випромінювання; газер. Створити
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-промені-) - Ей; мн. Фіз. = Гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-щільномір-) -а; м. Прилад для вимірювання густини речовини за допомогою гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-поле-) -я; пор.
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-спектрометр-) -а; м. Прилад для вимірювання енергії (енергетичного спектра) гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Кузнєцова
Гамма-спектроскопія-) -і; ж. Розділ ядерної фізикипов'язаний з вивченням спектрів гамма-випромінювання та різних властивостей збуджених станів атомних ядер
Тлумачний словник Кузнєцова
ЕФЕКТ МЕСБАУЕРА
та його застосування в хімії
Відкрите 1958 р. німецьким фізиком Рудольфом Людвігом Месбауером нове явище – резонансне поглинання гамма-квантів атомними ядрами твердих тіл без зміни внутрішньої енергіїтіла (або без втрати частини енергії кванта на віддачу ядра в твердому тілі) – одержало назву ефекту Мессбауера та призвело до створення абсолютно нового напряму досліджень у науці. Основними областями застосування цього ефекту стали фізика твердого тіла та хімія.
Передісторія питання
Ідейні основи гамма-резонансної спектроскопії почали складатися давно, і її розвиток, звісно, впливали фундаментальні уявлення оптичної спектроскопії, особливо успіхи у сфері так званої резонансної флуоресценції.
З 1850-х років. було відомо, що деякі гази, рідини та тверді тіла (наприклад, фтористі сполуки) поглинають електромагнітне випромінювання (зазвичай видиме світло) і негайно знову його випромінюють (явище отримало назву флуоресценції). У спеціальному випадку, відомому як резонансна флуоресценція, поглинається і випромінювання, що випускається, володіють однаковими енергією, довжиною хвилі і частотою.
Перші припущення про існування резонансного розсіювання в атомах з'явилися на роботах англійського фізикаДж.У.Релея, а перші експерименти у цьому напрямі здійснив відомий американський фізик-експериментатор Р.У.Вуд у 1902–1904 роках. Для пояснення резонансного розсіювання він застосував механічні аналогії.
Явище резонансної флуоресценції було добре пояснено старим уявленням, що прийшла на зміну, теорією Н.Бора ( квантова модельатома). Атом, що переходить із збудженого стану Ув основний стан А, Випускає фотон строго певної частоти. Коли такий фотон проходить через газ, що складається з тих самих атомів, що і випромінювач, він може поглинутися, викликавши перехід одного з атомів мішені в стан У. Через невеликий проміжок часу цей збуджений атом мішені, у свою чергу, розпадається, випускаючи фотон тієї ж частоти. Таким чином, первинне і вторинне випромінювання мають однакову частоту, проте процеси поглинання і подальшого випромінювання фотона незалежні, і між падаючою і хвилями, що випускається, не існує певного фазового співвідношення.
Багато сторін явища резонансного випромінювання були правильно описані на основі теорії Бору і почала розвиватися тоді квантової механіки. Повний опис процесів випромінювання, поглинання та резонансної флуоресценції було здійснено дещо пізніше, наприкінці 1920-х – на початку 1930-х років. німецькими фізикамиВ.Ф.Вайскопфом та Ю.П.Вігнером.
Думка про те, що енергетичні рівні ядер подібні до електронних рівнів атомів і переходи між ними по постулату Бора супроводжуються випромінюванням або поглинанням, вперше прозвучала в роботах англійського фізика Ч.Д.Елліса на початку 1920-х рр. Наприкінці 1920-х років. пошуками відповідної ядерної резонансної флуоресценції зайнявся швейцарський фотохімік Вернер Кун, який з 1927 р. працював у Німеччині. Він показав, що явища атомної та ядерної резонансної флуоресценції здаються надзвичайно подібними, проте між ними є суттєві відмінності, які роблять досліди на ядрах набагато складнішими.
В результаті лише в 1950 р. вченим вдалося нарешті вперше здійснити успішний експеримент на ядрах золота-198 і розібратися в перешкодах, які існували на цьому шляху. Остаточно цю проблему було вирішено лише Мессбауэром.
Відкриття Мессбауера
У чому саме полягала проблема і як вона була вирішена Мессбауером, буде очевидніше, якщо звернутися до структури ядра.
Серед безлічі теоретичних побудов привертає до себе увагу стереотип моделі атома Бора – «оболонкова» модель атомного ядра М.Гепперт-Майєр та Х.Єнсена, лауреатів Нобелівської преміїз фізики за 1963 р. Відповідно до цієї моделі нуклони в ядрі розташовуються на певних енергетичних рівнях, переважно парами з антипаралельними спинами (принцип Паулі), а переходи між рівнями супроводжуються випромінюванням або поглинанням гамма-квантів. На відміну від електронних рівнів станів атомів чи молекул збуджені стани ядер живуть недовго (порядку характерного «ядерного часу» ~10 –23 з), отже, невизначеність у енергії рівнів має бути дуже великий відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга .
Все це мало б значення лише для ядерної фізики, але ніяк не для структурної органічної хімії, та, мабуть, і не для хімії взагалі, якби не одна важлива обставина. А саме: існують і довгоживучі збуджені ядра, надлишок енергії яких проявляється далеко не так швидко, як при звичайних переходахнуклонів з одного стану до іншого. Такі ядра називають ізомерами, вони мають ті ж зарядові та масові числа, але іншу енергію та інший час життя. Відкрили ядерну ізомерію О.Ган (1921) щодо бета-розпаду торію-234 та І.В.Курчатов зі співробітниками Л.В.Мисовським та Л.І.Русіновим при спостереженні штучної радіоактивності ядер брому (1935–1936). Теорія ядерної ізомеріїбула розроблена К.Ф. фон Вейцзеккером у 1936 р.
Саме час життя метастабільних станів ядер (ізомерів) відіграє ключову рольу формуванні спектральних ліній гамма-спектроскопії Відповідно до того ж принципу невизначеності Гейзенберга невизначеність у енергії рівнів, отже, і природна ширина спектральної лінії мають бути виключно малими. Зокрема, простий підрахунок з прикладу ізотопу заліза-57 показує мізерно малу величину, порядку 5–10 –9 эВ. Саме ця безпрецедентна вузькість спектральних ліній спричинила невдачі всіх робіт до Мессбауера.
Вчений у своїй знаменитій роботі під назвою «Резонансне поглинання -квантів у твердих тілах без віддачі» так писав з цього приводу: «Гамма-кванти, що випускаються при переході ядра з збудженого стану в основний, зазвичай не підходять для того, щоб перекласти те саме ядро з основного стану збуджене шляхом зворотного процесу резонансного поглинання. Це є наслідком втрат енергії на віддачу, яку -квант відчуває в процесі випромінювання або поглинання через те, що він передає імпульс віддачі атому, що випромінює або поглинає. Ці втрати енергії на віддачу настільки великі, що лінії випромінювання та поглинання значно зрушені щодо один одного». В результаті резонансне поглинання (або флуоресценція), як він зазначав, у ікс-променів зазвичай не спостерігається. Для того щоб зробити резонансне поглинання гамма-квантів спостерігається, очевидно, треба штучно створити такі умови, щоб лінії випромінювання та поглинання перекрилися.
Так, вже в 1951 р. П.Б.Мун з Бірмінгемського університету (Англія) запропонував компенсувати віддачу ядер при випромінюванні шляхом механічного переміщення джерела за його руху назустріч ядрам приймача. У цьому кінетична енергія руху джерела складається з енергією гамма-кванта, отже, можна підібрати таку швидкість, коли він повністю відновлюється умова резонансу. Але декількома роками пізніше Месбауер для вирішення цієї проблеми несподівано знайшов простіший спосіб, у якому втрата на віддачу від самого початку запобігала. Вчений добився флуоресценції гамма-променів, використовуючи як їх джерело атоми радіоактивного ізотопуметалу іридію-191 .
Іридій - кристалічне тверде тіло, так що випромінюючі та поглинаючі атоми займають фіксоване положення в кристалічній решітці. Охолодивши кристали рідким азотом, Мессбауер із подивом виявив, що флуоресценція помітно збільшилася. Вивчаючи це явище, він встановив, що окремі ядра, що випромінюють або поглинають гамма-промені, передають імпульс взаємодії безпосередньо всьому кристалу. Оскільки кристал порівняно з ядром набагато масивніший, то завдяки сильній взаємодіїатомів у твердих тілах енергія віддачі передається не окремому ядру, а перетворюється на енергію коливань кристалічних ґрат, в результаті у випромінюваних і поглинаються фотонів частотний зсув не спостерігається. У цьому випадку лінії випромінювання та поглинання перекриваються, що дозволяє спостерігати резонансне поглинання гамма-квантів.
Це явище, яке Мессбауер назвав «пружним ядерним резонансним поглинанням гамма-випромінювання», нині називається ефектом Месбауера. Як і будь-який ефект, що виникає у твердому тілі, він залежить від кристалічної структури речовини, температури і навіть присутності найдрібніших домішок. Вчений також показав, що придушення ядерної віддачі за допомогою відкритого явища дозволяє генерувати гамма-промені, довжина хвилі яких постійна з точністю до однієї мільярдної ( = 10 -9 см). На рис. 1 представлена схема його експериментальної установки.
В дійсності повний описефект Мессбауера вимагає залучення знань з різних розділів квантової механіки, тому в цій статті ми зупинилися лише на самих загальних положенняхйого підходу.
У наступних експериментах (слід за іридієм були вивчені інші об'єкти: 187 Re, 177 Hf, 166 Er, 57 Fe і 67 Zn, в яких також спостерігалося резонансне поглинання без віддачі) Мессбауер остаточно підтвердив правильність пояснення спостереженого ним ефекту резонансної гамма й те водночас дав основу експериментальної методики всіх подальших досліджень цього явища.
Вивчаючи зміщення ліній випромінювання та поглинання, можна отримати вкрай корисну інформаціюпро будову твердих тіл. Зрушення можуть бути виміряні за допомогою мессбауерівських спектрометрів (рис. 2).
Мал. 2.
|
Джерело гамма-квантів за допомогою механічного або електродинамічного пристрою наводиться у зворотно-поступальний рух зі швидкістю щодо поглинача. За допомогою детектора гамма-випромінювання вимірюється залежність від швидкості інтенсивності потоку гамма-квантів, що пройшли через поглинач.
Усі експерименти зі спостереження мессбауерівських спектрів зводяться до спостереження залежності поглинання (рідше – розсіювання) гамма-квантів у досліджуваному зразку від швидкості руху цього зразка щодо джерела. Не вдаючись у подробиці пристрою різних експериментальних установок, Слід зазначити, що класична схема мессбауеровського спектрометра включає такі основні елементи: джерело випромінювання, поглинач, система руху джерела щодо поглинача та детектор.
Загальні застосуванняметоду
Після опублікування першої статті Мессбауера минуло близько року, перш ніж інші лабораторії почали повторювати та розширювати його досліди. Перші перевірочні експерименти були проведені в США (Лос-Аламоська. наукова лабораторіята Аргонський національна лабораторія). Причому, що цікаво, дослідження в Лос-Аламоській лабораторії почалися з укладання парі між двома фізиками, один з яких не вірив у відкриття Мессбауера, а інший повторив його досвід і таким чином виграв суперечку (спостерігали гамму-лінію в 67 Zn). Значне зростання публікацій з цієї тематики спостерігається після відкриття ефекту Мессбауера у 57 Fe, здійсненого незалежно також у Гарвардському університеті, Аргонській національній лабораторії та ін. 1000 °С, зробили в результаті цю область досліджень доступною навіть лабораторіям з дуже скромним обладнанням.
Незабаром фізики з'ясували, що за допомогою ефекту Мессбауера можна визначати часи життя збуджених станів ядер та розміри самих ядер, точні величини магнітних та електричних полів біля випромінювачів-ядер, фононні спектри твердих тіл. Для хіміків найбільш важливими виявилися два параметри - хімічний зсув резонансного сигналу і так зване квадрупольне розщеплення.
В результаті у фізиці твердого тіла найбільшого розвитку набули дослідження за допомогою ефекту Мессбауера магнітної структури та магнітних властивостей елементів, сполук, особливо сплавів. Особливо відчутний прогрес у цьому напрямі було досягнуто в роботах з рідкісноземельних елементів. Другим найважливішим напрямом досліджень стало вивчення динаміки кристалічних ґрат.
Зовсім інакше було в хімії. Як виявилося, за допомогою сигналів гамма-резонансної спектроскопії можна робити певні висновки про електричне поле в центрі атома та вирішувати типові для хімії завдання, пов'язані з природою. хімічного зв'язку. Мессбауерівська спектроскопія дозволила вирішити багато питань будівлі хімічних сполук, вона знайшла своє застосування в хімічній кінетиці та радіаційній хімії. Цей метод виявився незамінним щодо структур біологічних макромолекул з особливо великої молекулярної масою.
Слід додати до цього, що гамма-резонансна спектроскопія, як виявилось, має неймовірно високу чутливість(на 5–6 порядків вище, ніж у ядерному магнітному резонансі), отже, можна зрозуміти ажіотаж хіміків на початку 1960–1970-х гг. Пристрасті, щоправда, трохи вщухли, коли хіміки освоїлися з обстановкою та з'ясували обмеження щодо застосування методу. Зокрема, В.І.Гольданський у своїй книзі, присвяченій застосуванням ефекту Мессбауера в хімії, писав: «Основними об'єктами застосування ефекту Мессбауера в хімії, мабуть, є елементоорганічні сполуки та комплексні сполуки. В галузі елементоорганічних сполук істотний інтерес представляє зіставлення загального характеру елементо-вуглецевих зв'язків, що сильно відрізняється для перехідних металів та металів основних груп». Але з того часу минуло 30 років, і гамма-резонансна спектроскопія підтвердила свою перспективність використання для різних цілей та об'єктів хімії.
Хімічні застосування методу
Положення резонансного сигналу залежить від цього, у якому електронному оточенні перебуває ядро, що випускає квант. Отримання нового типу фізичної інформації про електронне оточення ядер, безперечно, завжди представляло значний інтерес для хімії.
Вирішення питань природи хімічного зв'язку та будови хімічних сполук.Оскільки основні параметри месбауерівських спектрів – такі, як хімічні зрушення та квадрупольні розщеплення – значною мірою визначаються будовою валентних електронних оболонокатомів, першою природною можливістю хімічного застосування цього ефекту було дослідження природи зв'язків цих атомів. При цьому найбільш простий підхід до завдання полягав у розмежуванні двох видів зв'язку – іонного та ковалентного – та оцінки вкладу кожної з них. Але слід зауважити, що мають на увазі найпростіший підхід, тому що не слід забувати, що саме розмежування хімічних зв'язків на іонні та ковалентні є досить грубим спрощенням, оскільки при цьому не враховуються можливості освітинаприклад, донорно-акцепторних зв'язків, зв'язків за участю багатоцентрових орбіт (у полімерах) та інших, виявлених за останні десятиліття.
Такий параметр, як хімічний зсув, вдається корелювати зі ступенем окислення атомів елементів молекулах досліджуваних речовин. Особливо добре розроблені кореляційні діаграми ізомерних (хімічних) зрушень 57 Fe для сполук заліза. Як відомо, залізо входить складовою в багато біосистем, зокрема гемопротеїни і системи небілкової природи (наприклад, що містяться в мікроорганізмах). У хімії життєвих процесів істотну роль відіграють окислювально-відновлювальні реакції порфіринових комплексів заліза, у яких залізо також у різних валентних станах. Біологічна функція даних сполук може бути розкрита, лише коли є детальні відомості про структуру активного центру та про електронних станахзаліза різних стадіях біохімічних процесів.
Як згадувалося вище, важливими об'єктамиДодатком ефекту Мессбауера в хімії є елементоорганічні та комплексні сполуки. В області елементоорганічних сполук суттєвий інтерес представляло зіставлення загального характеру елементо-вуглецевих зв'язків, які сильно відрізняються для перехідних металів і металів основних груп (наприклад, роботи А. Н. Несмеянова).
Так, за допомогою ефекту Мессбауера проводилися порівняння ацетиленідних комплексів низки перехідних металів. Особливо успішні дослідження здійснено для циклопентадієнілідів металів М(С 5 Н 4) 2 , зокрема ферроценоподібних «сандвічових» структур.
p align="justify"> Важливим додатком цього ефекту є з'ясування структури додекакарбонілу заліза. Результати попередніх рентгеноструктурних досліджень показували, що атоми заліза локалізовані по кутах трикутника цих молекулах. Саме тому так довго довелося узгоджувати ці результати з мессбауерівськими спектрами додекакарбоніла заліза, тому що останні виключали будь-яку симетричну трикутну структуру. Повторні експерименти одночасно із застосуванням методів рентгеноструктурного аналізу та мессбауерівської спектроскопії показали, що вибір однозначно можна зупинити лише на лінійних структурах.
Особливо відзначимо застосування ефекту Мессбауера у визначенні структур біомолекул. В даний час структура протеїнів визначається майже виключно методом рентгенівської дифракції на монокристалах цих білків (див. про це: Прямі методи в рентгенівській кристалографії. Хімія, 2003 № 4).
Однак цей метод має обмеження, пов'язані з молекулярною масоюдосліджуваних систем. Наприклад, молекулярна маса 150 000 г/моль, яку має гамма-імуноглобулін, – верхня межавизначення структури методом послідовних ізоморфних заміщень. Для білків, які мають більшу молекулярну масу (наприклад, каталаза, гемоціанін, вірус тютюнової мозаїки та ін.), необхідно використовувати інші методи. Саме тут вдало зарекомендував себе метод резонансного розсіювання гамма-випромінювання без віддачі на ядрах 57 Fe. Цей метод використовує інтерференцію між гамма-випромінюванням, розсіяним на електронних оболонках всіх атомів в кристалі і деяких ядрах 57 Fe, впроваджених в кристал на певні позиції елементарному осередку (мессбауеровское розсіювання).
Хімічна кінетика та радіаційна хімія.Поряд із питаннями будови хімічних сполук ефект Мессбауера активно використовується в хімічній кінетиці та радіаційній хімії. Окрім можливостей прямого отримання кінетичних кривих повністю в одному досвіді (за частотою відліків при якійсь фіксованій характерній швидкості руху), тут особливо цікаві спостереження нестабільних проміжних продуктів. При здійсненні реакцій у рідкій фазі виникає необхідність зупиняти процес, заморожуючи суміш для кожного спостереження месбауерівського спектру. У разі топохімічних процесів (особливо для радіаційно-топохімічних процесів) можливе безперервне спостереження зміни мессбауеровського спектру в ході реакції.
Безперечно, слід згадати також інші досить перспективні застосування методу мессбауерівської спектроскопії. Насамперед цей ефект став корисним інструментом для вирішення цілого ряду завдань фізичної хімії полімерів, зокрема проблеми стабілізації полімерів. Його також використовують як аналізатор у методі мічених атомів. Зокрема, були проведені експерименти з вивчення метаболізму заліза, що включається до еритроцитів ссавців та мітохондрії бактерій.
Післямова
Звичайно, метод месбауерівської спектроскопії не настільки широко застосовується в хімічних дослідженнях, як, наприклад, відомі методи ЯМР, інфрачервоної та мас-спектроскопії. Це пов'язано як з малою доступністю і складністю обладнання, так і з обмеженістю кола об'єктів і задач. Адже сам ефект спостерігається на ядрах далеко не будь-яких елементів та ізотопів9. Однак його застосування дуже актуальне у поєднанні з іншими методами досліджень, особливо радіоспектроскопією.
У Останніми рокаминабули розвитку дослідження месбауерівських спектрів при високих тисках. Хоча останні порівняно слабо впливають на електронні оболонки атомів, проте вимірювані залежно від тиску параметри месбауерівських спектрів несуть нову інформаціюпро взаємодію ядра з електронним оточенням. У порівнянні з іншими методами мессбауерівська спектроскопія в дослідженнях при високих тисках відрізняється навіть більшою чутливістю до змін енергії.
ЛІТЕРАТУРА
R.L. Rckstossfreie Kernresonanzabsorption von Gammastrahlung. Nobelvortrag 11 Dezember 1961. Le Prix Nobel в 1961. Stockholm: Impremerie Royale P.A.Norstedt & Sner, 1962,
S. 136-155;
Гольданський В.І. Ефект Мессбауера. М: Вид-во АН СРСР, 1963;
Месбауер Р.Л.Резонансне ядерне поглинання квантів у твердих тілах без віддачі. Успіхи фізичних наук, 1960, т. 72, вип. 4, с. 658-671.
МЕСБАУЕР Рудольф Людвіг(Р. 31.I.1929) народився в Мюнхені (Німеччина) в сім'ї фототехніка Людвіга Мессбауера та його дружини Ерни, уродженої Ернст. Здобувши початкову середню освіту в одній з мюнхенських околиць шкіл (район Пасінга), потім вступив до гімназії, яку закінчив у 1948 р.
Потім один рік Мессбауер працював в оптичній фірмі і далі, подавши документи на фізичне відділення Вищої технічної школи в Мюнхені (нині Технічний університет), 1949 р. був зарахований до студентів. У 1952 р. він отримав ступінь бакалавра, у 1955 р. – закінчив магістратуру, у 1958 р. після захисту дисертації отримав ступінь доктора філософії.
Під час виконання дипломної роботи у 1953–1954 роках. молодий чоловік працював викладачем математики в Математичному інституті в Alma Mater. Після закінчення навчання з 1955 до 1957 р. був асистентом в Інституті фізики медичних досліджень ім. М.Планка в Гейдельберзі, а 1959 р. став асистентом Технічного університету в Мюнхені.
Докторська дисертація, в якій було відкрито ефект, що носить його ім'я, виконувалася вченим під керівництвом відомого мюнхенського фізика Х.Майєр-Лейбніца.
Спочатку результати, отримані Мессбауером, більшістю вчених не підтримувалися і піддалися сумніву. Однак через рік, визнавши потенційну важливість цього ефекту, деякі його опонентів своїми експериментальними дослідженнями повністю підтвердили їхню спроможність. Незабаром важливість відкриття була визнана всіма фізиками, «ефект Мессбауера» став сенсацією, і десятки вчених різних лабораторій світу почали працювати у цій галузі.
У 1961 р. Мессбауер отримав Нобелівську премію з фізики «за дослідження резонансного поглинання гамма-випромінювання і відкриття у зв'язку з цим ефекту, що носить його ім'я».
Мессбауер мав стати професором Технічного університету в Мюнхені, але, розчарувавшись у бюрократичних та авторитарних принципах організаційних структур німецьких університетів, він, взявши 1960 р. творчу відпустку в Гейдельберзі, за науковим грантом виїхав до США в Каліфорнійський технологічний інститут. Наступного року він отримав там звання професора.
У 1964 р. вчений повернувся на батьківщину та очолив фізичний факультетТехнічного університету в Мюнхені, перетворивши його на кшталт організаційних структурамериканські університети. Деякі вчені жартома називали цю зміну в структурі німецької академічної освіти"другим ефектом Мессбауера". Працював він в університеті до 1971 року.
У 1972–1977 роках. Месбауер очолював Інститут Макса Лауе-Поля Ланжевена у Греноблі (Франція). У 1977 р. він повернувся до Аlma Mater, де продовжив працювати професором фізики та одночасно науковим керівником інституту, спеціально створеного для розробки проблем у галузі месбауерівської спектроскопії та месбауерографії. У 1980–1990-ті роки. очолював проект Месбауера-Парака-Хоппе з вивчення дифракції месбауерівських гамма-квантів на біологічних об'єктах(Месбауерографія білка).
У 1957 р. вчений одружився з Елізабет Прітц, дизайнером. У подружжя – один син і дві дочки.
Мессбауер є членом Американського, Європейського та Німецького фізичних товариств, Індійської академії наук та Американської академії наук та мистецтв. Вчений удостоєний почесних докторських ступенів Оксфордського, Лестерського та Гренобльського університетів.
Крім Нобелівської премії Мессбауер має нагороду за наукові здобутки Американської дослідницької корпорації (1960), медаль Е.Грессона Франклінівського інституту (1961). Він також є лауреатом премії Рентгена Гісенівського університету (1961).
Гамма-випромінювання - короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі меншою або рівною 10 -8 см; володіє яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто поводиться подібно до потоку частинок - гамма-квантів або фотонів.
Один із способів опису квантово-механічних явищ; вказує, як швидко змінюються у часі ті чи інші параметри, що характеризують стан системи (стосовно цього випадку, наприклад, ширина спектральної лінії).
Слід зауважити, що молодий вчений насилу отримав цей ізотоп іридію для експериментів від англійських колег. У Німеччині був важкий, повоєнний час; були відсутні багато речовин, а також прилади, необхідні для досліджень.
Отримані результати суперечили прийнятим тоді уявленням про резонансну ядерну флуоресценцію, хоча й не викликали сумніву щодо їх правильності. Бракувало лише теоретичної інтерпретаціїефект. Тоді за порадою свого наукового керівника Мессбауер ознайомився із статтею В.Лемба (1939) з теорії взаємодії повільних нейтронівіз кристалами. Як виявилося, його теорію можна було вдало застосувати до явища, що спостерігалося Мессбауером. Парадокс полягав у тому, що дослідники, які працювали з нейтронами, чудово були знайомі з цією роботою Лемба, але їм не спадало на думку докласти її результатів до вивчення гамма-флуоресценції; водночас ті, хто займався резонансним розсіюванням та поглинанням гамма-квантів, не зверталися до досягнень сусідньої галузі ядерної фізики. Застосувавши розрахунки Лемба до гамма-променів, Мессбауер зміг пояснити свої результати.
Фонон – квант коливального руху атомів кристала.
Зміна енергії ядерного переходу, т. е. енергії поглинається зразком гамма-кванта порівняно з опукаемым, що з відмінністю електронного оточення ядер у зразку і джерелі, називається ізомерним, чи хімічним, зсувом і вимірюється як значення швидкості руху джерела, у якому спостерігається максимум поглинання гамма-квантів.
Взаємодія квадрупольного моменту ядра (під яким розуміється величина, що характеризує відхилення розподілу електричного зарядув атомному ядрі від сферично симетричного з неоднорідним електричним полем призводить до розщеплення ядерних рівнів, в результаті чого в спектрах поглинання спостерігається не одна, а кілька ліній. Вивчення квадрупольного розщеплення дозволяє отримувати інформацію про електронні конфігурації атомів та іонів.
Твердофазні реакції, що протікають локально там, де утворюється тверда фаза продукту.
Статтю підготовлено за підтримки бюро перекладів «Аміра-Діалект». Якщо вам необхідно здійснити нотаріальний переклад, то найкращим рішенням стане звернутися до бюро перекладів «Аміра-Діалект». Так як нотаріальний переклад вимагають ряд консульств для отримання візи, то не варто витрачати час на порожню. У бюро перекладів «Аміра-Діалект» працюють лише висококваліфіковані фахівці, найкоротший термінвиконають замовлення будь-якої складності.
Сторінка 1
Ядерний гамма-резонанс (ЯГР) - випромінювання чи поглинання гамма-квантів твердим тілом без народження у ньому фононів - не належить до магнітних резонансів.
Ядерний гамма-резонанс (ефект Мессбауера) дозволяє отримувати цінну інформацію про будову електронних оболонок атомів, що містять месбауерівські ядра. Істотним недоліком методу є обмеженість кількості елементів, що практично доступні для дослідження. У справжньої роботизроблено спробу подолати це обмеження, використовуючи результати мессбауерівських вимірювань на ядрах Sn119 і Sb121 атомів олова і сурми, що входять до складу сполук, а також на ядрах Fe57 домішкових атомів заліза як критерій застосування різних підходівпри теоретичному розрахунку ефективних зарядів атомів у сполуках даного типу.
Спектроскопія ядерного гамма-резонансу (месбауерівська спектроскопія) дозволяє виявити слабкі обурення. енергетичних рівнівядер заліза навколишніми електронами. Цей ефект є явище випромінювання або поглинання м'якого v-випромінювання без віддачі ядер. Цікавий нас ядерний перехід з енергією 14 36 кеВ - відбувається між станами /3/2 та /1/2 мессбауеровського ізотопу 57Fe, де/- ядерне спинове квантове число. Для білка з молекулярною вагою 50 000, який пов'язує 1 атом заліза на молекулу, і відсутність ізотопного збагачення це відповідає вазі зразка 2 5 г. Розглянуті тут багатоядерні білки містять набагато більше заліза і цілком підходять для дослідження методом ядерної гамма-резонансної спектроскопії. Широко досліджуються чотири можливих типувзаємодії між ядром 57Fe та його електронним оточенням: ізомерне зрушення, квадрупольне розщеплення, ядерні магнітні надтонкі взаємодії, ядерні зееманівські взаємодії.
Суть ядерного гамма-резонансу, чи званого ефекту Мессбауэра, у тому, що з кванти випущені під час переходу збудженого ядра в основний стан, можуть рівноважно поглинатися незбудженими ядрами з переходом останніх у збуджений стан. Аналогічне явище добре відоме у звичайній оптиці; істотно лише те, що за порівняно великому імпульсіу-квантів слід було б очікувати сильної віддачі як у того, хто випускає; так і у поглинаючого ядра і тим самим неможливості резонансного поглинання через ефект Доплера. Мессбауер показав, що у значній частині випадків віддачу приймає він кристал (чи важка молекула) як жорстке ціле, і явищем віддачі у своїй, звісно, можна знехтувати.
Явище ядерного гамма-резонансу на атомних ядрах залежить від різкому зростанні ймовірності поглинання чи розсіяння у-кван-тов з енергією, відповідної порушення ядерних переходів.
Дослідження за допомогою ядерного гамма-резонансу показало, що частки заліза, що вивчаються, не окислені.
Методом рентгеноструктурного аналізу та ядерного гамма-резонансу було встановлено, що ця зміна кристалічної структури не пов'язана зі зміною концентрації вуглецю в твердому розчині, а зумовлена оборотними переходами атомів впровадження (вуглецю) з октаедричних міжвузлів до радіаційних дефектів. Для таких переходів не потрібно дифузії вуглецю на значні відстані - вона відбувається в межах елементарного осередку. Підвищена концентрація точкових дефектів, створених опроміненням у кристалічній решітці мартенситу, стимулює переходи атомів застосування з одних позицій інші, енергетично вигідніші за даних температурах.
Нами були проведені спостереження ядерного гамма-резонансу у зразках різних масивних багатокомпонентних оловосодержащих стекол і скловолокнах того ж хімічного складу. Склади скла наведені у таблиці.
Нами було проведено вивчення ядерного гамма-резонансу в комплексних сполуках заліза з аніонами 4-бутироїл- та 4-бензоїл - 1 2 3-три-азолу. Спектри отримані на спектрометрі ЯГР механічного типу, джерело С57 у хромі.
Обробка експериментальних даних щодо ядерного гамма-резонансу можлива тільки в тому випадку, якщо проведено калібрування ЯГР спектрометра за швидкостями та визначено положення ліній поглинання будь-яких речовин, вибраних у вигляді стандарту. Зазвичай як стандарт використовують речовини, які можуть бути досить легко виготовлені і відтворені в ідентичних умовах. Вони повинні бути стабільні, повинні мати досить велику величину ймовірності поглинання - у-квантів без втрати енергії на віддачу, їх мессбауерівські спектри повинні бути вузькою лінією, що характеризується малим температурним зсувом.
Хоча квадруполія розщеплення ускладнює вид спектрів ядерного гамма-резонансу (ЯГР) (мал. 111 6), але воно допомагає вивести ряд важливих висновків про структуру і симетрію досліджуваних сполук. Це з'єднання (служило поглиначем) було синтезовано із застосуванням ізотопу 1291 - довгоживучого продукту реакції поділу. Складний виглядспектра обумовлений як квадрупольним розщепленням, і тим, що иод перебуває у цьому поєднанні двох різних позиціях.
Нами було розпочато систематичне дослідження методом ядерного гамма-резонансу (ЯГР) сполук олова з елементами п'ятої та шостої груп, а також халькогенідного напівпровідникового скла у системі миш'як - селен - олово з метою отримання інформації про хімічний зв'язок та внутрішні кристалічні поля в цих сполуках.
Вивчення вузьких ліній проводять за допомогою методу ядерного гамма-резонансу, який прийнято називати мессбауерівською спектроскопією. На рис. 8.14 показано типову схему експериментальної установки.
Метод мессбауерівської спектроскопії, званої іноді спектроскопією ядерного гамма-резонансу (ЯГР), заснований на вивченні поглинання у-випромінювання якогось ядра-джерела ядром того ж ізотопу, що знаходиться в досліджуваному зразку. Умови резонансу дотримуються лише тоді, коли усунено також ефект віддачі ядер при випромінюванні та поглинанні у-квантів, а також скомпенсовано якимось чином ефект Доплера. Метод отримав свій розвиток саме з того моменту, коли це було зрозуміло, а ще раніше експериментально було знайдено простий і чи не єдиний можливий шляхліквідацію втрат на віддачу.
Енергія ядер квантована. При переході ядра з збудженого стану в основне випромінюється квант з енергією. Більше можливе значенняцієї е нергії для нескінченно важкого вільного ядра ірізниці енергій його основного та збудженого станів: 
. Оборотний процес відповідає поглинанню г-кванту з енергією, близькою до .
При збудженні сукупність подібних ядер на той самий рівень енергія випущених квантів характеризуватиметься деяким розкидом близько середнього значення.
Рис 1.13 Схема, що ілюструє квантові переходи з випромінюванням та поглинанням електричних квантів (а) та вид ліній випромінювання та поглинання в оптичному (б) та ядерному (в) випадках.
Контур смуги поглинання описується тим самим співвідношенням, як і контур смуги випромінювання (Рис. 1.13). Зрозуміло, що ефект резонансного поглинання електричного випромінювання оптичного спектра, коли оптичні кванти, що випускаються при переході електронів збуджених атомів на нижчележачіе електричні рівні, резонансно поглинаються речовиною, що містить атоми такого самого сорту. Явище статичного резонансного поглинання добре спостерігається, наприклад на парах натрію.
На жаль, явище резонансного ядерного поглинання на вільних ядрах немає. Причина полягає в тому, що модель важких ядер (атомів), коли енерговтрати на віддачу по відношенню до невеликі, справедлива для оптичного резонансу і непридатна для ядерного. Гамма-кванти, що випромінюються в ядерних переходах, мають значно більше найвищу енергію– десятки та сотні кеВ(Порівняно з кількома десятками еВ для квантів видимої області). При порівнянних значеннях часу життя і, відповідно, близьких значеннях природної ширини електричних та ядерних рівнів ядерному випадкуще більш істотну роль при випромінюванні та поглинанні відіграє енергія віддачі:
де - Імпульс віддачі ядра рівний по модулю імпульсу випромінюваного -кванта, m - маса ядра (атома).
Тому в оптичному випадку і резонанс на вільних ядрах немає (див. рис. 1.13 б і в). Рудольф Мессбауер, вивчаючи поглинання -квантів, випромінюваних ізотопом Ir, в кристалі Ir знайшов, на противагу пророцтвам т радіційної теорії, підвищення розсіювання-квантів при низьких температурах (T 77K). Він показав, що ефект пов'язаний з резонансним поглинанням -квантів ядрами атомів Ir і дав роз'яснення його природи.
У експериментах по ефекту Мессбауера вимірюються не власними силами лінії випромінювання (чи поглинання), а криві резонансного поглинання (мессбауэровские спектри). Унікальні впровадження способу ядерного гамма-резонансу в хімії та фізиці твердого тіла обґрунтовані тим, що ширина складових мессбауеровського діапазону л Інших резонансних ліній менше енергій магнітногота електронної взаємодії ядра з навколишніми його електронами. Ефект Мессбауера – ефективний метод дослідження широкого кола явищ, які впливають ці взаємодії.
Проста схема спостереження ефекту Мессбауера в р еометрії пропусканнявключає джерело, поглинач (вузький еталон досліджуваного матеріалу) та сенсор г-променів (рис. 1.14).
Мал. 1.14 Схема мессбауеровського досвіду: 1- електродинамічний вібратор, що задає різні значенняшвидкості джерела; 2 – мессбауеровське джерело; 3 – поглинач, що містить ядра мессбауеровського ізотопу; 4 – сенсор пройшли через поглинач г-квантов (зазвичай пропорційний лічильник чи фотоелектронний помножувач).
Джерело-променів має володіти певними якостями: мати великий періоднапіврозпаду ядра, у разі розпаду якого народжується ядро резонансного ізотопу у збудженому стані. Енергія мессбауеровського переходу має бути відносно малою ( щоб енергія віддачі не перевищила енергію, необхідну зміщення атома і вузла кристалічної решітки), лінія випромінювання – вузької (це забезпечує високу роздільну здатність) і можливість безфонового випромінювання – великий. Джерело г-квантів в більшості випадків одержують введенням мессбауеровського ізотопу в залізну матрицю засобом дифузійного відпалу. Матеріал матриці повинен бути діа-або парамагнітним (виключається магнітне розщеплення ядерних рівнів).
Як поглиначів використовують тонкі зразки як фольги чи порошків. При визначенні необхідної товщини зразка потрібно враховувати можливість ефекту Мессбауера (для чистого заліза найкраща товщина ~20 мкм). Найкраща товщина я є результатом компромісу між необхідністю працювати з вузьким поглиначемі мати високий ефект поглинання. Для реєстрації -квантів, що пройшли через стандарт, найбільш широко застосовуються сцинтиляційні та пропорційні лічильники.
Отримання діапазону резонансного поглинання (або мессбауеровського діапазону) передбачає зміну умов резонансу, навіщо необхідно модулювати енергію -квантів. Застосовується в поточний час спосіб модуляції заснованийна ефект Доплера (у більшості випадків задають рух джерела г-квантів щодо поглинача).
Енергія г-кванта за рахунок ефекту Доплера змінюється на величину
де – абсолютне значенняшвидкості руху джерела щодо поглинача; с – швидкість світла у вакуумі; - Кут між напрямком руху джерела і напрямок випромінювання г-квантів.
Так як у досвіді кут сприймає лише два значення =0 і , то ∆E = (позитивний символ відповідає зближенню, а негативний- Видалення джерела від поглинача).
Без резонансу, наприклад, як у поглиначі відсутня ядро резонансного ізотопу чи коли доплерівська швидкість дуже велика (, що відповідає руйнації резонансу через дуже великої зміни енергії -кванта), найбільша частинавипромінювання, випущеного у напрямку поглинача, потрапляє в розташований за ним сенсор.
Сигнал від сенсора посилюється, і імпульси від окремих квантів реєструються аналізатором. Зазвичай реєструють число квантів за однакові проміжки часу за різних.У разі резонансу г-кванти поглинаються та перевипромінюються поглиначем у випадкових напрямках (рис. 1.14). Частка випромінювання, що потрапляє в детектор, при цьому зменшується.
У мессбауеровском досвіді досліджується залежність інтенсивності випромінювання, що пройшло через поглинач (числа зареєстрованих сенсором імпульсів) від відносної швидкостіджерела. Ефект поглинання визначається ставленням
де - число г-квантів, зареєстрованих сенсором за певний час при значенні доплерівської швидкості (в досвіді Використовують дискретний набір швидкостій); – те саме при , коли резонансне поглинання відсутнє. Залежно і задають вид кривої резонансного поглинання сплавів та сполук заліза, лежать у межах ±10 мм/с.
Можливість ефекту Мессбауера визначається фононним діапазоном кристалів. У сфері низьких температур () можливість досягає значень, близьких до одиниці, а області великих () вона дуже мала. За інших рівних до ритерія можливість безфонового поглинанняі випромінювання більше в кристалах з найвищою температуроюДебая (визначає жорсткість міжатомного зв'язку).
Можливість ефекту визначається діапазоном пружних коливань атомів у ґратах кристала. Мессбауеровская лінія інтенсивна, якщо амплітуда коливань атомів невелика проти довжиною хвилі г-квантов, тобто. за низьких температур. У даному випадкудіапазон випромінювання та поглинання складається з вузької резонансної лінії (безфонові процеси) і широкої складової,обумовленою конфігурацією коливальних станів решітки при випромінюванні та поглинанні г-квантів (ширина останньої на 6 порядків більша за ширину резонансної смуги).
Анізотропія міжатомного зв'язку в ґратах обумовлює анізотропію амплітуди коливань атомів і, отже, різну можливість безфонового поглинання у різних кристалографічних напрямах. Для монокристалів, таким чином можуть бути виміряні не тільки усереднені, але і кутові залежності.
У наближенні вузького поглинача можливість безфонових переходів пропорційна площі під кривою резонансного поглинання. Ядерний гамма-резонанс можна використовувати для вивчення коливальних властивостей решітки твердого тіла чи домішкових атомів у цій решітці. Більш комфортним експериментальним п араметром у даному випадку є площа діапазону S, тому щовона є інтегральною рисою і не залежить від форми діапазону випромінювання резонансних квантів і самопоглинання в джерелі. Ця площа зберігається при розщепленні діапазону на кілька компонентів у результаті надтонких взаємодій.
Простий діапазон резонансного поглинання вузького поглинача є одиночною лінією лоренцевської форми. Інтенсивність минулого через поглинач випромінювання мала в максимуміпоглинання. Як приклад на рис. 1.15 наведені мессбауерівські діапазони чистого заліза.
Мал. 1.15 Мессбауерівські діапазони чистого заліза.