Мёссбауэровская спектроскопия

Август 3, 2022

Главная
Физика
Мёссбауэровская спектроскопия

Содержание

2. Явление ядерного гамма-резонанса было открыто немецким физиком Р. Мёссбауэром в 1957 году и названо эффектом Мёссбауэра.
3. Суть эффекта Мессбауэра состоит в испускании и поглощении квантов электромагнитной энергии (гамма-квантов) ядрами в твердом теле
4. Эти состояния обозначаются на диаграммах сплошными горизонтальными линиями, как показано на рисунке, а по вертикали откладываются
5. В возбужденном состоянии ядро может оказаться либо в результате поглощения гамма-кванта, энергия которого равна разности энергий
6. Гамма-излучение – это электромагнитные колебания очень высокой частоты. Поскольку скорости движения ядер в газе или жидкости
7. Очень малая ширина линии излучения гамма-квантов в эффекте Мёссбауэра была использована американскими физиками Паундом и Ребки
8. Схема эксперимента. Ширина спектральной линии В настоящее время известно более 90 изотопов, на которых наблюдается эффект
9. Имеется источник монохромных гамма-квантов, представляющий собой вещество, содержащее короткоживущие изомеры определенных изотопов, например 57mFe и 119mSn
10. Очевидно, что для того, чтобы получить спектральную линию (зависимость поглощаемых гамма-квантов от энергии), необходимо изменять энергию
11. Если излучатель и поглотитель неподвижны один относительно другого, то в поглотителе реализуется условие резонансного поглощения гамма-квантов,
12. Зависимость скорости счета N детектора от скорости движения источника V и называется мёссбауэровским спектром
13. Изомерный сдвиг Если излучатель и поглотитель содержат одни и те же изотопы, но их электронные структуры
15. Квадрупольное расщепление В кристаллической решетке твердого тела каждый атом находится в окружении ближайших соседей. В бинарных
16. Если же мёссбауэровское ядро находится в кристаллическом поле, симметрия которого ниже кубической, то электрическое поле на
18. Магнитное расщепление Энергия ядра может изменяться не только в результате квадрупольного электрического взаимодействия, но и магнитного.
19. В частности, основное состояние ядер 57Fe и 119Sn со спином ½ расщепляется на два, а возбужденное
20. Правила отбора разрешают переходы между подуровнями основного и возбужденного состояний только с изменением проекции спина на
21. Схема зеемановских подуровней и разрешенные правилом отбора переходы между подуровнями Магнитное сверхтонкое расщепление и разрешенные переходы
22. Сверхтонкая структура мессбауэровского спектра для ферромагнетика со случайной ориентацией намагниченности в отдельных доменах (а) и для
24. Нами подробно был рассмотрен один из вариантов мёссбауэровской спектроскопии – абсорбционная спектроскопия, когда исследуемый материал является
26. Мёссбауэровский спектрометр
27. Сочетает в себе возможности классического спектрометра, а также возможность селективного возбуждения подуровней сверхтонкой структуры мессбауэровских ядер
29. Скачать презентацию

Слайд 2

Явление ядерного гамма-резонанса было открыто немецким физиком Р. Мёссбауэром в 1957

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

Слайд 3

Суть эффекта Мессбауэра состоит в испускании и поглощении квантов электромагнитной энергии

(гамма-квантов) ядрами в твердом теле без потери энергии на отдачу.
Поясним это определение. Дело в том, что атомное ядро, как и атом или ион, может находиться в основном состоянии, то есть состоянии с наименьшей энергией, и в возбужденных состояниях с более высокой энергией.

Слайд 4

Эти состояния обозначаются на диаграммах сплошными горизонтальными линиями, как показано на

рисунке, а по вертикали откладываются значения энергии.
Энергия основного состояния при этом принимается равной нулю. Энергия первого возбужденного состояния различна у разных ядер и может составлять десятки килоэлектронвольт.

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

Слайд 5

В возбужденном состоянии ядро может оказаться либо в результате поглощения гамма-кванта,

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

Слайд 6

Гамма-излучение – это электромагнитные колебания очень высокой частоты.
Поскольку скорости движения

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

Слайд 7

Очень малая ширина линии излучения гамма-квантов в эффекте Мёссбауэра была использована

американскими физиками Паундом и Ребки в 1960 году для экспериментального подтверждения одного из основных выводов общей теории относительности Эйнштейна – красного смещения частоты электромагнитного излучения в поле тяжести Земли. Наиболее широкое применение эффект Мёссбауэра нашел в физике и химии твердого тела.

Слайд 8

Схема эксперимента. Ширина спектральной линии
В настоящее время известно более 90 изотопов, на

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

Слайд 9

Имеется источник монохромных гамма-квантов, представляющий собой вещество, содержащее короткоживущие изомеры определенных

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

Слайд 10

Очевидно, что для того, чтобы получить спектральную линию (зависимость поглощаемых гамма-квантов

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

Слайд 11

Если излучатель и поглотитель неподвижны один относительно другого, то в поглотителе

реализуется условие резонансного поглощения гамма-квантов, испускаемых излучателем.
Если же излучатель движется со скоростью ±V, то энергия испускаемых излучателем гамма-квантов за счет эффекта Доплера будет меняться в пределах
∆Е = ± Е0 (V/c),
где Е0 – разность энергий между возбужденным и основным состояниями мёссбауэровского ядра (энергия изомерного перехода), с – скорость света
Следовательно, часть гамма-квантов, испускаемых излучателем, энергия которых отличается от Е0, будет свободно проходить через поглотитель.

Слайд 12

Зависимость скорости счета N детектора от скорости движения источника V и

называется мёссбауэровским спектром

Слайд 13

Изомерный сдвиг
Если излучатель и поглотитель содержат одни и те же изотопы,

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

Слайд 14

Слайд 15

Квадрупольное расщепление
В кристаллической решетке твердого тела каждый атом находится в окружении

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

Слайд 16

Если же мёссбауэровское ядро находится в кристаллическом поле, симметрия которого ниже

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

Слайд 17

Слайд 18

Магнитное расщепление
Энергия ядра может изменяться не только в результате квадрупольного электрического

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

Слайд 19

В частности, основное состояние ядер 57Fe и 119Sn со спином ½

расщепляется на два, а возбужденное состояние (I = 3/2) – на четыре подуровня

Слайд 20

Правила отбора разрешают переходы между подуровнями основного и возбужденного состояний только

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

Слайд 21

Схема зеемановских подуровней и разрешенные правилом отбора переходы между подуровнями
Магнитное

сверхтонкое расщепление и разрешенные переходы для случая
Расположение подуровней соответствует разным знакам g-факторов возбужденного и основного состояний .

Слайд 22

Сверхтонкая структура мессбауэровского спектра для ферромагнетика со случайной ориентацией намагниченности в

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

Слайд 23

Слайд 24

Нами подробно был рассмотрен один из вариантов мёссбауэровской спектроскопии – абсорбционная

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

Слайд 25

Слайд 26

Мёссбауэровский спектрометр

Слайд 27

Сочетает в себе возможности классического спектрометра, а также возможность селективного возбуждения

подуровней сверхтонкой структуры мессбауэровских ядер с последующим анализом рассеянного излучения.

Мессбауэровский спектрометр СM2201DR