3. Методы ядерной геофизики.

1) Радиометрические методы. В них изучаются естественные радиоактивные поля или естественные радиоактивные элементы.

Аэро-γ-съемка

Изучение γ-поля горных пород с воздуха. Метод применяется для геологического картирования, для изучения зон разломов и тектонических нарушений, для поисков радиоактивных и нерадиоактивных (для которых установлена генетическая связь с радиоактивными) элементов. Метод обладает очень высокой производительностью. За рабочий день съемкой может быть покрыто до 200 км2. В связи с этим метод не относиться к дорогостоящим. Метод имеет и существенные недостатки:

1) Малая глубинность метода;

2) Малая чувствительности при наличии экранирующих рыхлых отложений;

3) Малая чувствительность при полетах на больших высотах.

Тем не менее, этот метод очень широко применяется на практике.

Авто-γ-съемка

Метод имеет много общего с аэро-γ-съемкой, применяется практически для решения тех же задач. Имеет те же недостатки и те же достоинства. Съемка может быть маршрутной, может быть площадной. Маршрутная носит рекогносцировочный характер, обычно проводиться перед площадной. Площадная более широко применяется, она обычно проводиться на перспективных участках. И при детализации аэро-γ-аномалии.

Пешеходная γ-съемка

Наиболее простой вид проведения γ-съемки. Применяется для решения всех тех задач, о которых мы уже говорили, но в крупных масштабах и при детализациях. Далее применяется при работе в труднодоступных районах, где нельзя воспользоваться ни автомобилем, ни самолетом. А также применяется в неспециализированных геологических отрядах (не геофизики, а геологи).

Эманационная съемка

Это изучение концентрации радиоактивных газов (эманаций) в почвенном воздухе или в воздухе, извлеченном из горных пород. При распаде в радиоактивных семействах, образуются радиоактивные газы:

Эти газы непрерывно образуются в горных породах, потому что там присутствуют их родоначальники. Метод применяется для поисков радиоактивных урановых и ториевых руд; для изучения зон разломов, тектонических нарушений; для решения очень многих инженерно-геологических задач, связанных с трещинноватостью пород и с ослабленными участками (закарстованными, оползневыми); для решения экологических задач (по радону).

Уранометрическая съемка (литогеохимическая)

Это изучение содержаний урана в коренных или рыхлых горных породах. Этот метод относиться к геохимическим. Это прямой метод на уран. Содержание урана в горных породах составляет примерно 10-5 – 10-4 %, это так называемый, геохимический фон. В некоторых телах концентрация может повышаться до первых единиц процентов и образуется рудное тело. Рудное тело подвергается процессам выветривания и вокруг него образуется ареол рассеяния. Рис 9.2. Поэтому съемка заключается в поиске потоков рассеяния, затем ореолов рассеяния. В процессе съемки отбираются пробы горных пород. Анализ этих проб основан на свойстве фтористого натрия NaF люминесцировать под воздействием ультрафиолетового излучения.

Радиогидрогеологическая съемка (гидрогеохимическая съемка)

Это изучение содержаний радиоактивных элементов, а чаще всего урана, радия и радона, в водах. Она основана на том, что радиоактивные элементы, в особенности радий, очень хорошо мигрируют в окислительной среде и поэтому переносятся на большие расстояния от самой залежи. Благодаря этому обнаруживаются «слепые» (залегают на глубине, их не видно) рудные тела, глубиной до 50-70 м, а в горных районах и больше.

Биогеохимическая съемка

Изучение содержаний радиоактивных элементов в золе растений. Либо нахождение растений, на которые благоприятно или угнетающе действуют какие-либо элементы. Классический пример: некоторые виды острогала растут лишь на почвах с повышенным содержанием селена. А селен спутник урана. Конечно, такой метод выполняется в комплексе с каким-либо основным методом. При определении содержаний радиоактивных элементов строят карту в изолиниях, определяют фон и анализируют.

Недостатком геохимических методов является трудоемкость и высокая стоимость анализов. Положительными качествами являются точность и бОльшая глубинность.

2) Ядерно-геофизические методы

Это методы, в которых производиться облучение горных пород либо γ-источником, либо нейтронным источником, и изучаются эти поля, прошедшие через горную породу, или явления, которые возникают при таком облучении.

Гамма-гамма метод

Это изучение γ-поля от источника, прошедшего через горную породу. Применяется для изучения плотности горных пород (ГГМ-п) и эффективного атомного номера среды (ГГМ-с). Этот метод, как впрочем, большинство ядерно-геофизических методов, используется в каротажном варианте, что очень важно для определения параметров в условиях естественного залегания. При облучении горных пород γ-источником, уменьшение интенсивности связано с изменением вещественного состава пород и плотности. В основном эти два фактора влияют на интенсивность излучения. Установлено, что комптоновский эффект связан в основном с изменением плотности породы. В то время, как вещественный состав практически не влияет. Поэтому для изучения плотности пород используется источник γ-квантов средних энергий (от 0,5 до 1,5 МэВ). С меньшей энергией будет преобладать фотоэффект, а с большей – образование пар

Рентгеннорадиометрический метод (РРМ или РРК)

Заключается в облучении горных пород гамма-квантами малых энергий и регистрация возникшего при этом характеристического рентгеновского излучения. Применяется для изучения вещественного состава, т.е. для анализа на большинство элементов с z>30, а также на некоторые элементы z = 20 – 30, для определения большинства металлов. Метод основан на том, что при облучении горных пород γ-квантами малых энергий (5 – 120 КэВ). При этом наряду с фотоэффектом возникает характеристическое рентгеновское излучение с длиной волны 10-5 – 10-12 см. Причем вероятность возникновения излучения возрастает с увеличением отношения Есвязи/Еγ. Есвязи это энергия электрона на оболочке. Эта дробь правильная. Есвязи для каждого элемента строгоопределенная, поэтому дли изучения отдельного элемента следует строго подбирать излучатель.

Метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР)

Основан этот метод на эффекте Мессбауэра, который заключается в том, что при облучении γ-квантами малых энергий (меньше 50 КэВ), в некоторых ядрах наряду с фотопоглощением происходит резонансное поглощение и рассеяние γ-квантов. Этот эффект называют эффектом Мессбауэра. Мессбауэрскими ядрами в частности является олово, поэтому метод используют на определение касситерита SnO2, изотоп Sn119. Кроме того Мессбауэрскими ядрами являются некоторые лантаноиды: 66Dy161 (диспрозий), 68Er151 (эрбий). Fe57. При температуре жидкого азота (-194°С) очень много ядер являются Мессбауэрскими.

Фотонейтронный метод (гамма-нейтронный метод ГНМ)

Заключается в облучении горных пород γ-квантами высоких энергий и регистрации возникшего нейтронного поля. Нейтроны внутри ядра связаны ядерными силами, но при облучении γ-квантами высоких энергий, нейтроны выбиваются из ядер.

Нейтрон-нейтронный метод (ННМ, ННК)

Облучение горных пород нейтронами и изучение этого поля после прохождения его через горную породу. Используется для изучения содержаний нейтроно-поглощающих элементов и для изучения некоторых физических свойств горных пород (в основном коэффициента пористости). При прохождении нейтронов через вещество, они вначале замедляются и затем поглощаются нейтронопоглощающими элементами. В частности, бором, хлором, йодом, марганцем и др. Часто используется как в полевом варианте, так и в каротажном. Очень часто метод применяется при каротаже скважин.

Нейтронный гамма метод

Имеет много общего с ННМ, поскольку используются те же самые нейтронные источники, а измеряется возникшее при этом гамма-поле. Метод применяется для решения практически тех же задач, что и ННМ: изучение физических свойств горных пород, изучение коэффициента пористости и изучение нейтронопоглощающих элементов.

Активационный анализ

Это один из ядерно-геофизических методов. Заключается в облучении стабильных элементов горных пород источником γ-квантов или n, и изучении скорости распада образовавшихся радиоактивных изотопов. На основании этого анализа определяется образовавшийся радиоактивный изотоп, зная источник облучения, определяется исходный, нерадиоактивный изотоп, содержащийся в породе. А на основании эталонных измерений этого элемента, определяется и концентрация этого нерадиоактивного изотопа. А зная распространенность этого изотопа в общей смеси изотопа элемента, определяют концентрацию самого элемента.

Энергия ядер квантована. При переходе ядра из возбужденного состояния в основное излучается -квант с энергией . Более возможное значение этой энергии для нескончаемо томного свободного ядра равно разности энергий его основного и возбужденного состояний: . Оборотный процесс соответствует поглощению г-кванта с энергией, близкой к .

При возбуждении совокупность схожих ядер на один и тот же уровень энергия испущенных квантов будет характеризоваться неким разбросом около среднего значения .

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

Контур полосы поглощения описывается этим же соотношением, что и контур полосы испускания (Рис. 1.13). Понятно, что эффект резонансного поглощения электрического излучения оптического спектра, когда оптические кванты, испускаемые при переходе электронов возбужденных атомов на нижележащи е электрические уровни, резонансно поглощаются веществом, содержащим атомы такого же самого сорта. Явление статического резонансного поглощения отлично наблюдается, к примеру на парах натрия.

К огорчению, явление резонансного ядерного поглощения на свободных ядрах не наблюдается. Причина состоит в том, что модель томных ядер (атомов), когда энергопотери на отдачу по отношению к невелики, справедлива для оптического резонанса и совсем неприменима для ядерного. Гамма-кванты, излучаемые в ядерных переходах, имеют существенно более высшую энергию – 10-ки и сотки кэВ (по сопоставлению с несколькими десятками эВ для квантов видимой области). При сравнимых значениях времени жизни и, соответственно, близких значениях естественной ширины электрических и ядерных уровней в ядерном случае еще более существенную роль при испускании и поглощении играет энергия отдачи:

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

Потому 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 нашел, в противоположность пророчествам традиционной теории, повышение рассеяния -квантов при низких температурах (T≈77K). Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением -квантов ядрами атомов Ir и отдал разъяснение его природы.

В опытах по эффекту Мессбауэра измеряются не сами по для себя полосы испускания (либо поглощения), а кривые резонансного поглощения (мессбауэровские диапазоны). Уникальные внедрения способа ядерного гамма-резонанса в химии и физике твердого тела обоснованы тем, что ширина составляющих мессбауэровский диапазон личных резонансных линий меньше энергий магнитного и электронного взаимодействий ядра с окружающими его электронами. Эффект Мессбауэра – действенный способ исследования широкого круга явлений, влияющих на эти взаимодействия.

Простая схема наблюдения эффекта Мессбауэра в геометрии пропускания включает источник, поглотитель (узкий эталон исследуемого материала) и сенсор г-лучей (рис. 1.14).

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

Источник -лучей должен владеть определенными качествами: иметь большой период полураспада ядра, в случае распада которого рождается ядро резонансного изотопа в возбужденном состоянии. Энергия мессбауэровского перехода должна быть относительно малой (чтоб энергия отдачи не превысила энергию, нужную для смещения атома и узла кристаллической решетки ), линия излучения – узенькой (это обеспечивает высочайшее разрешение) и возможность бесфонного излучения – большой. Источник г-квантов в большинстве случаев получают введением мессбауэровского изотопа в железную матрицу средством диффузионного отжига. Материал матрицы должен быть диа- либо парамагнитным (исключается магнитное расщепление ядерных уровней).

В качестве поглотителей употребляют тонкие эталоны в виде фольги либо порошков. При определении нужной толщины эталона необходимо учесть возможность эффекта Мессбауэра (для незапятнанного железа лучшая толщина ~20 мкм). Лучшая толщина является результатом компромисса меж необходимостью работать с узким поглотителем и иметь высочайший эффект поглощения. Для регистрации -квантов, прошедших через эталон, более обширно используются сцинтилляционные и пропорциональные счетчики.

Получение диапазона резонансного поглощения (либо мессбауэровского диапазона) подразумевает изменение критерий резонанса, зачем нужно модулировать энергию -квантов. Применяющийся в текущее время способ модуляции основан на эффекте Доплера (в большинстве случаев задают движение источника г-квантов относительно поглотителя).

Энергия г-кванта за счет эффекта Доплера меняется на величину

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

Так как в опыте угол воспринимает только два значения =0 и , то ∆E = (положительный символ соответствует сближению, а отрицательный – удалению источника от поглотителя).

В отсутствие резонанса, к примеру, когда в поглотителе отсутствует ядро резонансного изотопа либо когда доплеровская скорость очень велика (, что соответствует разрушению резонанса из-за очень огромного конфигурации энергии -кванта), наибольшая часть излучения, испущенного в направлении поглотителя, попадает в расположенный за ним сенсор.

Сигнал от сенсора усиливается, и импульсы от отдельных -квантов регистрируются анализатором. Обычно регистрируют число —квантов за однообразные промежутки времени при разных . В случае резонанса г-кванты поглощаются и переизлучаются поглотителем в случайных направлениях (рис. 1.14). Толика излучения, попадающего в сенсор, при всем этом миниатюризируется.

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

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

Возможность эффекта Мессбауэра определяется фононным диапазоном кристаллов. В области низких температур () возможность добивается значений, близких к единице, а в области больших () она очень мала. При иных равных критериях возможность бесфонного поглощения и излучения больше в кристаллах с высочайшей температурой Дебая (определяет твердость межатомной связи).

Возможность эффекта определяется диапазоном упругих колебаний атомов в решетке кристалла. Мессбауэровская линия интенсивна, если амплитуда колебаний атомов невелика по сопоставлению с длиной волны г-квантов, т.е. при низких температурах. В данном случае диапазон излучения и поглощения состоит из узенькой резонансной полосы (бесфонные процессы) и широкой составляющие, обусловленной конфигурацией колебательных состояний решетки при излучении и поглощении г-квантов (ширина последней на 6 порядков больше ширины резонансной полосы).

Анизотропия межатомной связи в решетке обусловливает анизотропию амплитуды колебаний атомов и, как следует, различную возможность бесфонного поглощения в разных кристаллографических направлениях. Для монокристаллов, таким макаром могут быть измерены не только лишь усредненные, да и угловые зависимости.

В приближении узкого поглотителя возможность бесфонных переходов пропорциональна площади под кривой резонансного поглощения. Ядерный гамма-резонанс может быть применен для исследования колебательных параметров решетки твердого тела либо примесных атомов в этой решетке. Более комфортным экспериментальным параметром в данном случае является площадь диапазона S, потому что она является интегральной чертой и не находится в зависимости от формы диапазона испускания резонансных квантов и самопоглощения в источнике. Эта площадь сохраняется при расщеплении диапазона на несколько компонент в итоге сверхтонких взаимодействий.

Простой диапазон резонансного поглощения узкого поглотителя представляет собой одиночную линию лоренцевской формы. Интенсивность прошедшего через поглотитель излучения мала в максимуме поглощения. В качестве примера на рис. 1.15 приведены мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.

Рис. 1.15 Мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.

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.

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

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.