Эффект Мессбауэра. Шпоры по яг

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Н. Н. Делягин.

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

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

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

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

Из того факта, что спектры излучения атомных ядер возникают подобно спектрам излучения атомов и молекул, казалось почти очевидным, что атомные ядра, излучающие при переходе из возбужденного состояния в нормальное гамма-кванты с некоторой частотой должны в нормальном состоянии избирательно поглощать такие же кванты. Резонансное поглощение гамма-кванта должно переводить ядро в возбужденное состояние подобно тому, как поглощение света переводит в возбужденное состояние атом или молекулу. Однако попытки

экспериментального обнаружения резонансного поглощения гамма-квантов такими же атомными ядрами, какими эти кванты излучались, долгое время были безрезультатными.

Отрицательные результаты опытов по обнаружению резонансного поглощения гамма-квантов имеют простое объяснение. Если переход ядра из возбужденного состояния в нормальное состояние происходит путем излучения гамма-кванта, то энергия этого кванта не равна в точности разности энергий По закону сохранения импульса при излучении гамма-кванта атомное ядро приобретает импульс, равный импульсу излученного гамма-кванта и направленный в противоположную сторону. Ядро испытывает при излучении фотона отдачу подобно орудию при выстреле. В связи с этим освобожденная энергия распределяется между гамма-квантом и ядром. Следовательно, энергия фотона меньше разности на величину кинетической энергии ядра, испытавшего отдачу:

Понятно, что энергия этого гамма-кванта меньше энергии, необходимой для перевода такого же ядра из нормального состояния в возбужденное:

Немецкий физик Р. Мессбауэр в 1958 г. показал, что в некоторых кристаллах можно создать такие условия, при которых импульс отдачи при излучении гамма-кванта сообщается не отдельному ядру, а всему кристаллу в целом. При этом изменение кинетической энергии кристалла из-за большой его массы (по сравнению с массой одного ядра) приближается к нулю, а энергия излученного гамма-кванта оказывается почти в точности равной разности При пропускании пучка таких гамма-квантов через образец, содержащий атомные ядра того же изотопа, наблюдается резонансное поглощение.

Замечательной особенностью эффекта Мессбауэра является необычайно малая ширина спектральной линии поглощения, т. е. узость резонансного пика поглощения. Например, при использовании изотопа железа резонанс нарушается при изменении частоты гамма-кванта на величину составляющую от его частоты

Это значит, что появляется возможность зарегистрировать изменение энергии гамма-кванта на величину, составляющую от ее первоначального значения!

Использование эффекта Мессбауэра позволило осуществить один из самых тонких экспериментов современной физики - обнаружение гравитационного красного смещения спектральных

линий. Существование гравитационного красного смещения предсказано общей теорией относительности. Приводим здесь упрощенное объяснение этого эффекта, основанное на использовании закона взаимосвязи массы и энергии.

Гамма-фотон с энергией обладает массой.

то же, что Мессбауэра эффект.

Смотреть значение Ядерный Гамма-резонанс в других словарях

Гамма — ж. итал. нотная азбука, лестница, скала в музыке, ряд, порядок звуков. | Таблица нот, с означением аппликатуры.
Толковый словарь Даля

Гамма — гаммы. Третья буква греческого алфавита. - лучи, гамма-лучей, ед. нет (физ.) - то же, что рентгеновские.
Толковый словарь Ушакова

Резонанс — м. франц. зык, гул, рай, отзвук, отгул, гул, отдача, наголосок; звучность голоса, по местности, по размерам комнаты; звучность, звонкость музыкального орудия, по устройству........
Толковый словарь Даля

Ядерный — ядерная, ядерное (спец.). 1. Прил. к ядро в 1 и 5 знач. сок. вес. 2. Прил., по знач. связанное с атомным ядром или с ядром клетки (физ., биол.). Ядерная физика. Ядерная структура бацилл.
Толковый словарь Ушакова

Гамма- — 1. Первая часть сложных слов, вносящая значение: связанный с электромагнитным излучением, испускаемым радиоактивными веществами (гамма-лучи, гамма-спектрометр, гамма-терапия и т.п.).
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-глобулин М. — 1. Один из белков плазмы крови, содержащий антитела и применяемый как лечебно-профилактический препарат при некоторых инфекционных заболеваниях.
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-излучение Ср. — 1. Коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое радиоактивными веществами.
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-квант М. — 1. Квант гамма-излучения.
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-лучи Мн. — 1. То же, что: гамма-излучение.
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-установка Ж. — 1. Аппарат для применения направленного, регулируемого пучка гамма-излучения.
Толковый словарь Ефремовой

Резонанс М. — 1. Возбуждение колебаний одного тела колебаниями другого той же частоты, а также ответное звучание одного из двух тел, настроенных в унисон. 2. Способность усиливать........
Толковый словарь Ефремовой

Гамма- — Первая часть сложных слов. Вносит зн.: связанный с электромагнитным излучением (гамма-излучением), испускаемым радиоактивным веществами. Гамма-анализ, гамма-вспышка,........
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-астрономия — } -и; ж. Раздел астрономии, связанный с исследованиями космических тел по их гамма-излучению.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-всплеск — } -а; м. Кратковременное усиление космического гамма-излучения. Наблюдать гамма-всплески.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-глобулин — } -а; м. Один из белков плазмы крови, содержащий антитела (применяется как лечебно-профилактический препарат при некоторых инфекционных заболеваниях).
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-дефектоскопия — } -и; ж. Метод проверки материалов и изделий, основанный на измерении поглощения гамма-лучей, испускаемых радиоактивными изотопами металлов (применяется для обнаружения скрытых дефектов).
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-излучение — -я; ср. Физ. Коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое радиоактивными веществами. Г. радия.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-квант — -а; м. Квант гамма-излучения. Поток гамма-квантов. Поглощение гамма-квантов атомными ядрами.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-лазер — -а; м. Генератор индукционного гамма-излучения; газер. Создать г.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-лучи — } -е́й; мн. Физ. = Га́мма-излуче́ние.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-плотномер — } -а; м. Прибор для измерения плотности вещества с помощью гамма-излучения.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-поле — } -я; ср.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-спектрометр — } -а; м. Прибор для измерения энергии (энергетического спектра) гамма-излучения.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-спектроскопия — } -и; ж. Раздел ядерной физики, связанный с изучением спектров гамма-излучения и различных свойств возбуждённых состояний атомных ядер.
Толковый словарь Кузнецова

Энергия ядер квантована. При переходе ядра из возбужденного состояния в основное излучается -квант с энергией . Наиболее вероятное значение этой энергии для бесконечно тяжелого свободного ядра равно разности энергий его основного и возбужденного состояний: . Обратный процесс соответствует поглощению г-кванта с энергией, близкой к .

При возбуждении совокупности одинаковых ядер на один и тот же уровень энергия испущенных квантов будет характеризоваться некоторым разбросом около среднего значения .

Рис 1.13 Схема, иллюстрирующая квантовые переходы с излучением и поглощением электромагнитных квантов (а) и вид линий излучения и поглощения в оптическом (б) и ядерном (в) случаях.

Контур линии поглощения описывается тем же соотношением, что и контур линии испускания (Рис. 1.13). Понятно, что эффект резонансного поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона, когда оптические кванты, испускаемые при переходе электронов возбужденных атомов на нижележащие электронные уровни, резонансно поглощаются веществом, содержащим атомы того же самого сорта. Явление статического резонансного поглощения хорошо наблюдается, например на парах натрия.

К сожалению, явление резонансного ядерного поглощения на свободных ядрах не наблюдается. Причина заключается в том, что модель тяжелых ядер (атомов), когда потери энергии на отдачу по отношению к невелики, справедлива для оптического резонанса и совершенно неприменима для ядерного. Гамма-кванты, излучаемые в ядерных переходах, имеют значительно более высокую энергию – десятки и сотни кэВ (по сравнению с несколькими десятками эВ для квантов видимой области). При сопоставимых значениях времени жизни и, соответственно, близких значениях естественной ширины электронных и ядерных уровней в ядерном случае гораздо более существенную роль при испускании и поглощении играет энергия отдачи:

где – импульс отдачи ядра равный по модулю импульсу излученного -кванта, m – масса ядра (атома).

Поэтому в оптическом случае и резонанс на свободных ядрах не наблюдается (см. рис. 1.13 б и в).

Рудольф Мессбауэр, изучая поглощение -квантов, излученных изотопом Ir, в кристалле Ir обнаружил, в противоположность предсказаниям классической теории, увеличение рассеяния -квантов при низких температурах (T≈77K). Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением -квантов ядрами атомов Ir и дал объяснение его природы.

В экспериментах по эффекту Мессбауэра измеряются не сами по себе линии испускания (или поглощения), а кривые резонансного поглощения (мессбауэровские спектры). Уникальные применения метода ядерного гамма-резонанса в химии и физике твердого тела обусловлены тем, что ширина составляющих мессбауэровский спектр индивидуальных резонансных линий меньше энергий магнитного и электрического взаимодействий ядра с окружающими его электронами. Эффект Мессбауэра – эффективный метод исследования широкого круга явлений, влияющих на эти взаимодействия.

Простейшая схема наблюдения эффекта Мессбауэра в геометрии пропускания включает источник, поглотитель (тонкий образец исследуемого материала) и детектор г-лучей (рис. 1.14).

Рис. 1.14 Схема мессбауэровского эксперимента: 1– электродинамический вибратор, задающий различные значения скорости источника; 2 – мессбауэровский источник; 3 – поглотитель, содержащий ядра мессбауэровского изотопа; 4 – детектор прошедших через поглотитель г-квантов (обычно пропорциональный счетчик или фотоэлектронный умножитель).

Источник -лучей должен обладать определенными свойствами: иметь большой период полураспада ядра, в случае распада которого рождается ядро резонансного изотопа в возбужденном состоянии. Энергия мессбауэровского перехода должна быть относительно малой (чтобы энергия отдачи не превысила энергию, необходимую для смещения атома и узла кристаллической решетки), линия излучения – узкой (это обеспечивает высокое разрешение) и вероятность бесфонного излучения – большой. Источник г-квантов чаще всего получают введением мессбауэровского изотопа в металлическую матрицу посредством диффузионного отжига. Материал матрицы должен быть диа- или парамагнитным (исключается магнитное расщепление ядерных уровней).

В качестве поглотителей используют тонкие образцы в виде фольги или порошков. При определении необходимой толщины образца нужно учитывать вероятность эффекта Мессбауэра (для чистого железа оптимальная толщина ~20 мкм). Оптимальная толщина является результатом компромисса между необходимостью работать с тонким поглотителем и иметь высокий эффект поглощения. Для регистрации -квантов, прошедших через образец, наиболее широко применяются сцинтилляционные и пропорциональные счетчики.

Получение спектра резонансного поглощения (или мессбауэровского спектра) предполагает изменение условий резонанса, для чего необходимо модулировать энергию -квантов. Применяющийся в настоящее время метод модуляции основан на эффекте Доплера (чаще всего задают движение источника г-квантов относительно поглотителя).

Энергия г-кванта за счет эффекта Доплера изменяется на величину

где – абсолютное значение скорости движения источника относительно поглотителя; с – скорость света в вакууме; – угол между направлением движения источника и направление испускания г-квантов.

Поскольку в эксперименте угол принимает только два значения =0 и , то ∆E = (положительный знак соответствует сближению, а отрицательный – удалению источника от поглотителя).

В отсутствие резонанса, например, когда в поглотителе отсутствует ядро резонансного изотопа или когда доплеровская скорость очень велика (, что соответствует разрушению резонанса из-за слишком большого изменения энергии -кванта), максимальная часть излучения, испущенного в направлении поглотителя, попадает в расположенный за ним детектор. Сигнал от детектора усиливается, и импульсы от отдельных -квантов регистрируются анализатором. Обычно регистрируют число -квантов за одинаковые промежутки времени при различных . В случае резонанса г-кванты поглощаются и переизлучаются поглотителем в произвольных направлениях (рис. 1.14). Доля излучения, попадающего в детектор, при этом уменьшается.

В мессбауэровском эксперименте исследуется зависимость интенсивности прошедшего через поглотитель излучения (числа зарегистрированных детектором импульсов) от относительной скорости источника . Эффект поглощения определяется отношением

где – число г-квантов, зарегистрированных детектором за определенное время при значении доплеровской скорости (в эксперименте используют дискретный набор скоростей ); – то же при , когда резонансное поглощение отсутствует. Зависимости и задают вид кривой резонансного поглощения сплавов и соединений железа, лежат в пределах ±10 мм/с.

Вероятность эффекта Мессбауэра определяется фононным спектром кристаллов. В области низких температур () вероятность достигает значений, близких к единице, а в области высоких () она очень мала. При прочих равных условиях вероятность бесфонного поглощения и излучения больше в кристаллах с высокой температурой Дебая (определяет жесткость межатомной связи).

Вероятность эффекта определяется спектром упругих колебаний атомов в решетке кристалла. Мессбауэровская линия интенсивна, если амплитуда колебаний атомов невелика по сравнению с длиной волны г-квантов, т.е. при низких температурах. В этом случае спектр излучения и поглощения состоит из узкой резонансной линии (бесфонные процессы) и широкой компоненты, обусловленной изменением колебательных состояний решетки при излучении и поглощении г-квантов (ширина последней на шесть порядков больше ширины резонансной линии).

Анизотропия межатомной связи в решетке обусловливает анизотропию амплитуды колебаний атомов и, следовательно, различную вероятность бесфонного поглощения в различных кристаллографических направлениях. Для монокристаллов, таким образом могут быть измерены не только усредненные, но и угловые зависимости.

В приближении тонкого поглотителя вероятность бесфонных переходов пропорциональна площади под кривой резонансного поглощения.

Ядерный гамма-резонанс может быть использован для изучения колебательных свойств решетки твердого тела или примесных атомов в этой решетке. Наиболее удобным экспериментальным параметром в этом случае является площадь спектра S, так как она является интегральной характеристикой и не зависит от формы спектра испускания резонансных квантов и самопоглощения в источнике. Эта площадь сохраняется при расщеплении спектра на несколько компонент в результате сверхтонких взаимодействий.

Простейший спектр резонансного поглощения тонкого поглотителя представляет собой одиночную линию лоренцевской формы. Интенсивность прошедшего через поглотитель излучения минимальна в максимуме поглощения.

В качестве примера на рис. 1.15 приведены мессбауэровские спектры чистого железа.

Рис. 1.15 Мессбауэровские спектры чистого железа.

СОДЕРЖАНИЕ: История открытия Ядерное резонансное поглощение гамма излучения Техника месбауэровского эксперимента Сверхтонкие взаимодействия и мессбауэровские параметры Практические применения метода: - Фазовый анализ в материаловедении и геохимии - Анализ поверхности - Динамические эффекты

История открытия ядерного гамма резонанса (эффекта Мессбауэра) Атомный резонансный процесс в оптическом диапазоне длин волн хорошо известен. Он был предсказан Д. Релеем и нашел свое экспериментальное подтверждение в 1904 г. в известном опыте Роберта Вуда, в котором Вуд использовал желтый свет, испускаемый атомами натрия (так называемые D-линии натрия), который можно получить, поместив в пламя небольшое количество поваренной соли. Каждой D – линии соответствует собственная частота колебаний атома натрия, или, более точно, внешних электронов этого атома. Чтобы наблюдать резонанс, необходимо иметь другие атомы натрия, не находящиеся в пламени. Вуд использовал откачанный стеклянный баллон, содержащий небольшое количество металлического натрия. Давление паров натрия таково, что при нагревании выше комнатной температуры количество паров натрия в баллоне было достаточным для проведения опыта. Если свет от натриевого пламени сфокусировать на баллон, то можно наблюдать появление слабого желтого свечения. Атомы натрия в колбе действуют аналогично настроенному камертону. Они поглощают энергию падающего пучка желтого света, а затем высвечивают ее в разные стороны.

Пятьдесят лет назад, в 1958 году, немецкий физик 1958 года Рудольф Людвиг Мёссбауэр, работая над диссертацией доктора философии в Институте им. М. Планка в Гейдельберге, представил в немецкий физический журнал статью с названием «Ядерная резонансная флуоресценция гамма излучения в Ir 191» , которая была опубликована в середине того же года. А уже осенью 1958 года, выполнил первые эксперименты, в которых для сканирования резонансных линий использовал эффект Доплера. В конце 1958 года, он опубликовал полученные экспериментальные данные, заложившие основу нового экспериментального метода – ядерной гамма-резонансной спектроскопии, которая часто называется Мёссбауэровской спектроскопией (МС). В 1961 году за открытие и теоретическое обоснование этого явления Рудольфу Мессбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике.

Влияние эффекта отдачи при поглощении и испускании гамма излучения ядрами Энергия отдачи: 57 Fe Энергия Допплера: : ET = 14. 4 кэ. В, t 1/2 = 98 нс, Г = 4. 6· 10 -9 э. В, → ER~ 2· 10 -3 э. В

Распределение испускаемых поглощаемых гамма квантов по энергиям Для ядер свободных атомов Для ядер атомов в кристаллической решетке при низких температурах

Сравнение основных параметров между электронными и ядерными переходами Параметры переходов Энергия перехода, ЕТ (э. В) Среднее время жизни возбужденного состояния, (сек) Естественная ширина резонансной линии, Γ=ħ/τ (э. В) Энергетическое разрешение, Г/ЕТ Энергия отдачи, ЕR (э. В) Отношение ЕR/Г Электронный переход для D-линии Na Ядерный переход 57 Fe Ядерный переход 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

Ядерные параметры основных Мессбауэровских изотопов Изотоп 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, кэ. В 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 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 Природное содержание % 2. 17 1. 25 8. 58 57. 25 6. 99 100 nil 13. 9 47. 8 18. 88 61. 5 100 nil Распад ядра 57 Co (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) ЕС-электронный захват, ß –бета распад, IT- изомерный переход, α- альфа распад

Схемы радиоактивного распада, в результате которых возникает заселенность мессбауэровского уровня на ядрах 57 Fe и 119 m. Sn

Вероятность резонансного процесса без отдачи. Фактор Лэмба-Мессбауэра f – вероятность процесса поглощения или испускания гамма квантов без отдачи f – зависит от колебательных свойств кристаллической решетки, т. е. от вероятности возбуждения фонов в твердом теле - средний квадрат амплитуды колебаний в направлении излучения гамма кванта, усредненный за время жизни ядра в возбужденном состоянии λ– длина волны гамма кванта

Влияние фононных процессы на поглощение или рассеяние без отдачи а б в Колебательные спектры решеток твердого тела а – модель Эйнштейна, б-модель Дебая, в- модель Борна-Кармана

СВЕРХТОНКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕССБАУЭРОВСКИЕ ПАРАМЕТРЫ Мессбауэровский Тип взаимодействия параметр Изомерный сдвиг Электрическое монопольное (кулоновское) между ядрами и δ(мм/с) протонами Извлекаемая информация Спиновое состояние атома (HS, LS, IS) Электроотрицательность лигандов Степень окисления Электронная плотность Квадрупольное расщепление ΔЕQ(мм/с) Электрическое квадрупольное взаимодействие между квадрупольным моментом ядра и неоднородным электрическим полем Молекулярная симметрия Характеристика зонной структуры Спиновое состояние атома (HS, LS, IS) Магнитное расщепление ΔЕМ(мм/с) Магнитное дипольное взаимодействие между магнитным моментом ядра и магнитным полем Характер и величина магнитного взаимодействия (ферромагнетизм, антиферромагнетизм и т. д.

Изомерный сдвиг в железосодержащих соединениях При экспериментальном измерении изомерных химических сдвигов всегда важно, какой используется стандарт, относительно которого будут определяться эти сдвиги. Так для измерений на 57 Fe официальным стандартом является соединение этого изотопа Na 2 или металлическое железо. Для 119 m. Sn общепринятым стандартом является Sn. O 2.

Электрическое квадрупольное взаимодействие Квадрупольное расщепление ΔЕQ ΔEQ где: m. I=+I, +I-1, …, -I Для 57 Fe Iв=3/2 , Io=1/2 при η=0

Комбинированное магнитное дипольное и электрическое квадрупольное взаимодействие Обычно Для 57 Fe и осевой симметрии (η=0) :

Процесс разрядки ядра 57 Fe после резонансного возбуждения. Тип испускаемого излучения E кэ. В Интенсивность (отн. един.) Глубина выхода Мессбауэровское излучение 14, 4 0, 10 20 мкм Рентгеновское Излучение К-оболочки 6, 4 0, 28 20 мкм К-конверсионные электроны 7, 3 0, 79 10 нм 400 нм L-конверсионные электроны 13, 6 0, 08 20 нм 1, 3 мкм М-конверсионные электроны …………… 14, 3 0, 01 20 нм 1, 5 мкм K – LL – Оже электроны 5, 5 0, 63 7 нм 400 нм L – MM – Оже электроны 0, 53 0, 60 1 нм 2 нм

Динамика сверхтонких взаимодействий и релаксация Среди методов исследования железосодержащих магнитных свойств наночастиц, одним из наиболее информативных является мессбауэровская спектроскопия. В отличие от магнитных измерений, мессбауэровская спектроскопия может выявить магнитную динамику наночастиц в частотном диапазоне 107 – 1010 с-1, характерных для мессбауэровского «окна» . Форма экспериментальных мессбауэровских спектров низкоразмерных объектов сильно усложняется по сравнению со спектрами для массивных объектов. Причинами этого могут быть: либо суперпозиция статического набора сверхтонких структур, обусловленная различием в локальном окружении резонансных атомов, либо влиянием различного рода динамических процессов (например, диффузия, парамагнитная, спин-спиновая, спин-решеточная релаксации и т. п.

Форма мессбауэровских спектров магнитоупорядоченных материалов 1. Случай хорошо разрешенной сверхтонкой структуры: 2. Случай суперпозиции большого набора сверхтонких структур: 3. Случай суперпарамагнитной релаксации: здесь- p-вероятность переориентации магнитного момента атома на угол /2 между осями легкого намагничивания, q-вероятность его переворота в единицу времени

Селективное возбуждение подуровней магнитной сверхтонкой структуры а) - схема переходов между ядерными подуровнями основного и возбужденного состояний -Fe, б) - экспериментальный КЭМ спектр для тонкой пленки -Fe, в) - энергетический спектр рассеянного излучения при возбуждении уровня -3/2, г) энергетический спектр рассеянного излучения при возбуждении уровня +1/2.

а) - спектр на поглощение алюмозамещенного гетита (8 мол. %) и спектры селективного возбуждения (сверху вниз). в) - с спектр на поглощение алюмозамещенного гетита (2 мол. %) и спектры селективного возбуждения (сверху вниз). Стрелкой показаны энергии возбуждающего излучения.