3. Metode nuklearne geofizike.

1) Radiometrijske metode. Oni proučavaju prirodna radioaktivna polja ili prirodne radioaktivne elemente.

Zračna γ fotografija

Proučavanje γ-polja stijena iz zraka. Metoda se koristi za geološko kartiranje, za proučavanje zona rasjeda i tektonskih poremećaja, za traženje radioaktivnih i neradioaktivnih (za koje je uspostavljena genetska veza sa radioaktivnim) elemenata. Metoda ima vrlo visoku produktivnost. Tokom radnog dana premjerom se može obuhvatiti i do 200 km2. U tom smislu, metoda nije skupa. Metoda također ima značajne nedostatke:

1) Mala dubina metode;

2) Niska osetljivost u prisustvu rastresitih naslaga;

3) Niska osjetljivost pri letenju na velikim visinama.

Međutim, ova metoda se vrlo široko koristi u praksi.

Auto-γ-pucanje

Metoda ima mnogo zajedničkog sa γ-fotografijom iz zraka i koristi se za rješavanje praktički istih problema. Ima iste nedostatke i iste prednosti. Pucanje može biti ruta, može biti područje. Ruta je izviđačkog karaktera, obično se izvodi prije terena. Područje rudarenja se više koristi u perspektivnim područjima. I kada se detaljizira aero-γ-anomalija.

γ-pregled pješaka

Najjednostavniji tip γ-istraživanja. Koristi se za rješavanje svih problema o kojima smo već govorili, ali u velikom obimu i detaljno. Dalje se koristi pri radu u teško dostupnim područjima gdje se ne mogu koristiti ni automobil ni avion. Takođe se koristi u nespecijalizovanim geološkim timovima (ne geofizičari, već geolozi).

Emanation photography

Ovo je studija koncentracije radioaktivnih plinova (emanacija) u zraku tla ili u zraku izvučenom iz stijena. Prilikom raspadanja u radioaktivnim porodicama nastaju radioaktivni gasovi:

Ovi plinovi se stalno formiraju u stijenama jer su tamo prisutni njihovi preci. Metoda se koristi za traženje radioaktivnih ruda uranijuma i torija; proučavanje zona rasjeda i tektonskih poremećaja; za rješavanje mnogih inženjersko-geoloških problema vezanih za lomljenje stijena i oslabljena područja (karst, klizište); za rješavanje ekoloških problema (radon).

Uranometrijski pregled (litogeohemijski)

Ovo je proučavanje sadržaja uranijuma u osnovnim ili rastresitim stijenama. Ova metoda je klasifikovana kao geohemijska. Ovo je direktna metoda za uranijum. Sadržaj uranijuma u stijenama je otprilike 10-5 - 10-4%, to je takozvana geohemijska pozadina. U nekim tijelima koncentracija se može povećati na nekoliko postotaka i formira se rudno tijelo. Rudno tijelo prolazi kroz procese trošenja i oko njega se formira disperziona oblast. Slika 9.2. Stoga se snimanje sastoji od traženja raspršenih tokova, zatim raspršivanja oreola. Tokom istraživanja uzimaju se uzorci stijena. Analiza ovih uzoraka zasniva se na svojstvu natrijum fluorida NaF da luminescira pod uticajem ultraljubičastog zračenja.

Radiohidrogeološka istraživanja (hidrogeohemijska istraživanja)

Ovo je proučavanje sadržaja radioaktivnih elemenata, a najčešće uranijuma, radijuma i radona, u vodama. Zasnovan je na činjenici da radioaktivni elementi, posebno radijum, migriraju veoma dobro u oksidacionoj sredini i stoga se transportuju na velike udaljenosti od samog ležišta. Zahvaljujući tome, otkrivaju se „slijepa“ (leže na dubini, nisu vidljiva) rudna tijela, do 50-70 m dubine, a u planinskim područjima i više.

Biogeohemijsko istraživanje

Proučavanje sadržaja radioaktivnih elemenata u biljnom pepelu. Ili pronalaženje biljaka koje imaju blagotvoran ili depresivan učinak na bilo koje elemente. Klasičan primjer: neke vrste ostrogala rastu samo na tlima s visokim sadržajem selena. A selen je satelit uranijuma. Naravno, ova metoda se izvodi u kombinaciji s nekom osnovnom metodom. Prilikom utvrđivanja sadržaja radioaktivnih elemenata, izrađuje se karta u izolinijama, utvrđuje se i analizira pozadina.

Nedostatak geohemijskih metoda je radni intenzitet i visoka cijena analize. Pozitivne kvalitete su tačnost i veća dubina.

2) Nuklearne geofizičke metode

To su metode u kojima se stijene zrače ili γ-izvorom ili izvorom neutrona, te se proučavaju ova polja koja prolaze kroz stijenu, odnosno pojave koje nastaju prilikom takvog ozračivanja.

Gama-gama metoda

Ovo je proučavanje γ-polja iz izvora koji prolazi kroz stijenu. Koristi se za proučavanje gustine stijena (GGM-p) i efektivnog atomskog broja medija (GGM-s). Ova metoda, kao i većina nuklearnih geofizičkih metoda, koristi se u karotažnoj verziji, što je vrlo važno za određivanje parametara u prirodnim uvjetima. Kada se stijene ozrače γ-izvorom, smanjenje intenziteta je povezano s promjenom materijalnog sastava stijena i gustine. Ova dva faktora uglavnom utiču na intenzitet zračenja. Utvrđeno je da je Comptonov efekat uglavnom povezan sa promjenama gustine stijena. Dok sastav materijala praktički nema efekta. Stoga se za proučavanje gustoće stijena koristi izvor γ-kvanta srednje energije (od 0,5 do 1,5 MeV). Sa nižom energijom preovlađuje fotoelektrični efekat, a sa višom energijom preovlađuje formiranje parova.

Rentgen radiometrijska metoda (RRM ili RRR)

Uključuje zračenje stijena niskoenergetskim gama zracima i snimanje rezultirajućeg karakterističnog rendgenskog zračenja. Koristi se za proučavanje sastava materijala, tj. za analizu većine elemenata sa z>30, kao i nekih elemenata z = 20 – 30, za određivanje većine metala. Metoda se zasniva na činjenici da kada se stijene ozrači niskoenergetskim γ-kvantima (5 - 120 KeV). U ovom slučaju, uz fotoelektrični efekat, javlja se karakteristično rendgensko zračenje talasne dužine od 10-5 – 10-12 cm. Štaviše, verovatnoća pojave zračenja raste sa povećanjem odnosa Ebond/Eγ. Ebond je energija elektrona na ljusci. Ovaj razlomak je tačan. Veze za svaki element su striktno definirane, stoga, za proučavanje pojedinačnog elementa, emiter treba biti strogo odabran.

Metoda nuklearne gama rezonance (NGR).

Ova metoda se zasniva na Mössbauerovom efektu, koji se sastoji u tome da pri zračenju niskoenergetskim γ-kvantima (manje od 50 KeV) u nekim jezgrima, uz fotoapsorpciju, dolazi do rezonantne apsorpcije i raspršenja γ-kvanta u nekima. jezgra. Ovaj efekat se naziva Mössbauerov efekat. Mössbauerova jezgra su posebno kalaj, pa se metoda koristi za određivanje kasiteritnog SnO2, izotopa Sn119. Osim toga, neki lantanidi su Mössbauerova jezgra: 66Dy161 (disprozijum), 68Er151 (erbijum). Fe57. Na temperaturi tečnog azota (-194°C) mnoga jezgra su Mössbauerova.

Fotoneutronska metoda (gama-neutronska GNM metoda)

Sastoji se od ozračivanja stijena visokoenergetskim γ-kvantima i snimanja rezultirajućeg neutronskog polja. Neutroni unutar jezgra su vezani nuklearnim silama, ali kada su zračeni visokoenergetskim γ-kvantima, neutroni se izbacuju iz jezgara.

Neutron-neutronska metoda (NNM, NNK)

Ozračenje stijena neutronima i proučavanje ovog polja nakon prolaska kroz stijenu. Koristi se za proučavanje sadržaja elemenata koji apsorbiraju neutrone i za proučavanje nekih fizičkih svojstava stijena (uglavnom koeficijenta poroznosti). Kada neutroni prolaze kroz materiju, prvo se usporavaju, a zatim apsorbuju elementi koji apsorbuju neutrone. Konkretno, bor, hlor, jod, mangan, itd. Često se koristi iu verziji na terenu i u sječi drva. Vrlo često se metoda koristi u karotaži bunara.

Neutronska gama metoda

Ima mnogo zajedničkog sa NNM, jer se koriste isti izvori neutrona, a rezultujuće gama polje se meri. Metoda se koristi za rješavanje praktički istih problema kao i NNM: proučavanje fizičkih svojstava stijena, proučavanje koeficijenta poroznosti i proučavanje elemenata koji apsorbiraju neutrone.

Analiza aktivacije

Ovo je jedna od nuklearnih geofizičkih metoda. Sastoji se od ozračivanja stabilnih stijenskih elemenata izvorom γ-kvanta ili n i proučavanja brzine raspada nastalih radioaktivnih izotopa. Na osnovu ove analize, dobijeni radioaktivni izotop se određuje znajući izvor zračenja, određuje se originalni, neradioaktivni izotop sadržan u stijeni. A na osnovu referentnih mjerenja ovog elementa utvrđuje se koncentracija ovog neradioaktivnog izotopa. A znajući količinu ovog izotopa u ukupnoj mješavini izotopa elementa, određuje se koncentracija samog elementa.

Energija jezgara je kvantizirana. Kada jezgro prijeđe iz pobuđenog u osnovno stanje, emituje se -kvant sa energijom. Više moguće značenje ovog e energija za beskrajno klonulo slobodno jezgro je jednaka razlika između energija njegovog osnovnog i pobuđenog stanja: . Obrnuti proces odgovara apsorpciji g-kvanta sa energijom blizu .

Kada se skup sličnih jezgara pobuđuje na istom nivou, energija emitovanih kvanta će biti okarakterisana određenim širenjem oko prosečne vrednosti.

Slika 1.13 Dijagram koji ilustruje kvantne prelaze sa emisijom i apsorpcijom električnih kvanta (a) i pojavom emisionih i apsorpcionih linija u optičkom (b) i nuklearnom (c) slučajevima.

Kontura apsorpcionog pojasa je opisana istim odnosom kao i kontura emisionog pojasa (slika 1.13). Jasno je da efekat rezonantne apsorpcije električnog zračenja optičkog spektra, kada je optički kvanti emitovani tokom tranzicije elektrona pobuđenih atoma u one ispod Električne nivoe rezonantno apsorbuje supstanca koja sadrži atome istog tipa. Fenomen statičke rezonantne apsorpcije jasno je uočen, na primjer, u pari natrijuma.

Nažalost, fenomen rezonantne nuklearne apsorpcije na slobodnim jezgrima nije uočen. Razlog je taj što model labavih jezgara (atoma), kada su gubici energije za trzaj mali u odnosu na, vrijedi za optičku rezonanciju i potpuno je neprimjenjiv za nuklearnu rezonanciju. Gama zraci koji se emituju u nuklearnim prijelazima imaju znatno više veća energija– 10s i stotine keV(u poređenju sa nekoliko desetina eV za kvante u vidljivom području). Uz uporedive vrijednosti vijeka trajanja i, shodno tome, bliske vrijednosti prirodne širine električnih i nuklearnih nivoa u nuklearnom kućištu, energija trzanja igra još značajniju ulogu u emisiji i apsorpciji:

gdje je impuls trzanja jezgra jednak po veličini momentu emitovanog kvanta, m je masa jezgra (atoma).

Stoga, u optičkom slučaju, rezonancija na slobodnim jezgrima nije uočena (vidi slike 1.13 b i c). Rudolf Mössbauer, proučavajući apsorpciju -kvanta koje emituje izotop Ir, pronašao je u kristalu Ir, suprotno proročanstvima, da teorija zračenja, povećano raspršenje-kvanta na niskim temperaturama (T≈77K). On je pokazao da je uočeni efekat povezan sa rezonantnom apsorpcijom -kvanta od strane jezgara atoma Ir i objasnio njegovu prirodu.

U eksperimentima s Mössbauerovim efektom, ne mjere se sami emisioni (ili apsorpcijski) pojasevi, već rezonantne krive apsorpcije (Mössbauerovi rasponi). Jedinstvena implementacija metode nuklearne gama rezonancije u hemiji i fizici solidan opravdano činjenicom da je širina komponenti Mössbauerovog raspona l lične rezonantne linije manje energije magnetna i elektronske interakcije jezgra sa elektronima koji ga okružuju. Mössbauerov efekat - efikasan način istraživanja širok raspon pojave koje utiču na ove interakcije.

Jednostavna shema za promatranje Mössbauerovog efekta u g geometrija prenosa uključuje izvor, apsorber (uski standard materijala koji se proučava) i senzor g-zraka (slika 1.14).

Rice. 1.14 Šema Mössbauerovog eksperimenta: 1 – elektrodinamički vibrator, podešavanje različita značenja brzina izvora; 2 – Mössbauerov izvor; 3 – apsorber koji sadrži jezgra Mössbauerovog izotopa; 4 – senzor g-kvanta koji prolazi kroz apsorber (obično proporcionalni brojač ili fotomultiplikator).

Izvor -zraka mora imati određene kvalitete: imati dug poluživot jezgra, u slučaju čijeg se raspada jezgro rezonantnog izotopa rađa u pobuđenom stanju. Energija Mössbauerove tranzicije trebala bi biti relativno niska ( tako da energija trzaja ne prelazi energiju potrebnu za pomicanje atoma i čvora kristalne rešetke), linija emisije je uska (ovo osigurava najviša rezolucija) a mogućnost zračenja bez pozadine je velika. Izvor g-kvanta se u većini slučajeva dobiva uvođenjem Mössbauerovog izotopa u željeznu matricu difuzijskim žarenjem. Materijal matrice mora biti dija- ili paramagnetski (magnetno cijepanje nuklearnih nivoa je isključeno).

Kao apsorberi koriste se tanki standardi u obliku folije ili praha. Prilikom određivanja potrebne debljine standarda potrebno je uzeti u obzir mogućnost Mössbauerovog efekta (za neobojeno željezo najbolja debljina je ~20 µm). Najbolja debljina I je rezultat kompromisa između potrebe rada sa uskim apsorberom i imaju najveći efekat apsorpcije. Za registraciju fotona koji su prošli kroz standard, više se koriste scintilacijski i proporcionalni brojači.

Dobijanje rezonantnog apsorpcionog opsega (ili Mössbauerovog opsega) podrazumeva promenu rezonantnog kriterijuma, zbog čega je potrebno modulirati energiju -kvanta. Trenutno primjenjivo baziran na metodi vremenske modulacije baziran na Doplerovom efektu (u većini slučajeva je specificirano kretanje izvora g-zraka u odnosu na apsorber).

Energija g-kvanta zbog Doplerovog efekta mijenja se za količinu

Gdje - apsolutna vrijednost brzina kretanja izvora u odnosu na apsorber; s – brzina svjetlosti u vakuumu; – ugao između smjera kretanja izvora i smjera emisije g-kvanta.

Budući da u iskustvu kut percipira samo dvije vrijednosti =0 i , tada je ∆E = (pozitivni simbol odgovara pristupu, i negativno– uklanjanje izvora iz apsorbera).

U odsustvu rezonancije, na primjer, kada nema jezgra rezonantnog izotopa u apsorberu ili kada je Doplerova brzina vrlo velika (što odgovara uništenju rezonancije zbog vrlo velike konfiguracije energetskog kvanta) , najveći dio zračenja emitiranog u smjeru apsorbera pogađa senzor koji se nalazi iza nim.

Signal sa senzora se pojačava, a analizator snima impulse pojedinačnih fotona. Obično je zabilježeni broj - kvanti za ujednačene vremenske periode u različitim . U slučaju rezonancije, g-kvant se apsorbuje i ponovo emituje od strane apsorbera u nasumičnim pravcima (slika 1.14). U isto vrijeme, količina zračenja koja ulazi u senzor je minijaturizirana.

U Mössbauerovom eksperimentu proučava se ovisnost intenziteta zračenja koje se prenosi kroz apsorber (broj impulsa koje senzor registruje) o relativnoj brzini izvora. Efekat apsorpcije određeno relacijom

gdje je broj g-kvanta koje je senzor zabilježio u određenom vremenu na vrijednosti Doplerove brzine (u eksperimentu koristite diskretno brzo biranje th); – isto za , kada nema rezonantne apsorpcije. Zavisnosti i zadaju oblik krivulje rezonantne apsorpcije legura i jedinjenja željeza i leže u granicama od ±10 mm/s.

Mogućnost Mössbauerovog efekta određena je fononskim rasponom kristala. U području niskih temperatura () mogućnost dostiže vrijednosti bliske jedinici, au području visokih () vrlo je mala. Sve ostale stvari su jednake kriterijumi mogućnost apsorpcije bez pozadine a više je zračenja u kristalima sa najvišom Debye temperaturom (određuje tvrdoću međuatomske veze).

Mogućnost efekta je određena rasponom elastične vibracije atoma u kristalnoj rešetki. Mössbauerova linija je intenzivna ako je amplituda atomskih vibracija mala u odnosu na talasnu dužinu r-kvanta, tj. na niskim temperaturama. U ovom slučaju, raspon emisije i apsorpcije se sastoji od uski rezonantni pojas (procesi bez pozadine) i široke komponente, zbog konfiguracije vibracionih stanja rešetke tokom emisije i apsorpcije g-kvanta (širina potonjeg je 6 redova veličine veća od širine rezonantnog pojasa).

Anizotropija međuatomske veze u rešetki određuje anizotropiju amplitude atomskih vibracija i, kako slijedi, različitu mogućnost apsorpcije bez pozadine u različitim kristalografskim smjerovima. Za monokristale se na ovaj način mogu mjeriti ne samo prosječne, već i kutne zavisnosti.

U aproksimaciji uskog apsorbera, mogućnost prijelaza bez pozadine proporcionalna je površini ispod rezonantne apsorpcione krivulje. Nuklearna gama rezonanca se može koristiti za proučavanje vibracionih parametara čvrste rešetke ili atoma nečistoća u ovoj rešetki. Udobnije eksperimentalno iskustvo Parametar u ovom slučaju je površina opsega S, jer to je integralna karakteristika i ne zavisi od oblika emisionog opsega rezonantnih kvanta i samoapsorpcije u izvoru. Ovo područje je očuvano kada se raspon podijeli na nekoliko komponenti kao rezultat hiperfinih interakcija.

Jednostavan opseg rezonantne apsorpcije uskog apsorbera je jedna linija Lorentzovog oblika. Intenzitet prošlosti kroz apsorber zračenja je maksimalno mala apsorpcija. Kao primjer na sl. Slika 1.15 prikazuje Mössbauerove opsege neokaljanog željeza.

Rice. 1.15 Mössbauerovi rasponi čistog željeza.

Mössba uera effe kt, rezonantna apsorpcija g-kvanta, uočena kada su izvor i apsorber g-zračenja čvrste materije, a energija g-kvanta je niska (~ 150 keV). Ponekad se Mössbauerov efekat naziva rezonantna apsorpcija bez trzaja ili nuklearna gama rezonancija (NGR).

Godine 1958. R. Mössbauer je otkrio da za jezgre koje su dio čvrstih tijela, pri niskim energijama g-prijelaza, emisija i apsorpcija g-kvanta može doći bez gubitka energije uslijed trzanja. U spektru emisije i apsorpcije uočavaju se nepomerene linije čija je energija tačno jednaka energiji g prelaza, a širine ovih linija su jednake (ili veoma blizu) prirodnoj širini G. U ovom slučaju, emisione i apsorpcione linije se preklapaju, što omogućava posmatranje rezonantne apsorpcije gama zraka.

Ovaj fenomen, nazvan Mössbauerov efekat, nastaje zbog kolektivne prirode kretanja u čvrsto telo. Zbog jake interakcije u čvrstim tijelima, energija trzanja se ne prenosi na zasebno jezgro, već se pretvara u energiju vibracija kristalne rešetke, drugim riječima, trzaj dovodi do rađanja fonona. Ali ako je energija trzaja (izračunata po jezgru) manja od prosječne energije fonona karakteristične za danu , tada trzaj neće dovesti do rađanja fonona svaki put. U takvim “bezfonon” slučajevima, trzaj se ne mijenja. Kinetička energija koja se dobija u celini, opažajući impuls trzanja g-kvanta, je zanemarljiva. Prijenos impulsa u ovom slučaju neće biti praćen prijenosom energije, pa će stoga položaj emisionih i apsorpcionih linija tačno odgovarati energiji E prijelaza.

Vjerovatnoća takvog procesa dostiže nekoliko desetina posto ako je energija g prijelaza dovoljno niska; U praksi se Mössbauerov efekat uočava samo pri D E » 150 keV (sa povećanjem E povećava se vjerovatnoća proizvodnje fonona tokom trzaja). Vjerovatnoća Mössbauerovog efekta također jako ovisi o . Često, da bi se uočio Mössbauerov efekat, potrebno je ohladiti izvor gama kvanta i apsorber u tekućinu ili tekućinu, međutim za g-prijelaze vrlo niskih energija (na primjer, E = 14,4 keV za g-prijelaz 57 Fe jezgra ili 23,8 kev za g-tranziciju jezgra 119 Sn) Mössbauerov efekat se može uočiti do temperatura koje prelaze 1000 °C. Uz sve ostale stvari jednake, vjerovatnoća Mössbauerovog efekta je veća, što je jača interakcija u čvrstom tijelu, odnosno veća je energija fonona. Stoga, što je veća vjerovatnoća Mössbauerovog efekta, to je veći .

Osnovno svojstvo rezonantne apsorpcije bez trzaja, koje je transformisalo Mössbauerov efekat iz laboratorijskog eksperimenta u važnu istraživačku metodu, je izuzetno mala širina linije. Odnos širine linije prema energiji g-kvanta sa Mössbauerovim efektom je, na primjer, za jezgra 57 Fe vrijednost "3´ 10 -13", a za 67 jezgara Zn "5,2´ 10 -16". Ovakve širine linija nisu postignute ni u gasu, koji je izvor najužih linija u infracrvenom i vidljivom opsegu elektromagnetnih talasa. Uz pomoć Mössbauerovog efekta, pokazalo se da je moguće promatrati procese u kojima se energija g-kvanta razlikuje za izuzetno mali iznos (»G ili čak male frakcije G) od prijelazne energije apsorberskih jezgri . Takve promjene energije dovode do pomicanja emisionih i apsorpcionih linija jedna u odnosu na drugu, što povlači za sobom promjenu veličine rezonantne apsorpcije koja se može mjeriti.

Mogućnosti metoda zasnovanih na upotrebi Mössbauerovog efekta dobro su ilustrovane eksperimentom u kojem je bilo moguće izmjeriti laboratorijskim uslovima promjena frekvencije kvanta elektromagnetnog zračenja u gravitacionom polju Zemlje predviđena teorijom relativnosti. U ovom eksperimentu (R. Pound i G. Rebki, SAD, 1959), izvor g-zračenja nalazio se na visini od 22,5 m iznad apsorbera. Odgovarajuća promjena gravitacionog potencijala trebala je dovesti do relativne promjene energije g-kvanta za 2,5´ 10 -15. Pokazalo se da je pomak emisionih i apsorpcionih linija u skladu s teorijom.

Pod uticajem unutrašnjih električnih i magnetnih polja koja deluju na jezgra u čvrstim materijama (vidi), kao i pod uticajem vanjski faktori( , vanjska magnetna polja) može doći do pomaka i cijepanja nivoa nuklearne energije, a posljedično i do promjene energije tranzicije. Budući da je veličina ovih promjena povezana s mikroskopskom strukturom čvrstih tijela, proučavanje pomaka emisionih i apsorpcionih linija omogućava dobijanje informacija o strukturi čvrstih tijela. Ovi pomaci se mogu izmjeriti pomoću Mössbauerovih spektrometara ( pirinač. 3). Ako g -kvanta emituje izvor koji se kreće brzinom v u odnosu na apsorber, tada se kao rezultat Doplerovog efekta energija g -kvanta upada na apsorber mijenja za iznos Ev/c (za jezgre koje se obično koriste u posmatranju Mössbauerovog efekta, promjena energije E za iznos G odgovara vrijednostima brzine v od 0,2 do 10 mm/sec). Mjerenjem ovisnosti veličine rezonantne apsorpcije o v (spektar Mössbauerove rezonantne apsorpcije), nalazi se vrijednost brzine pri kojoj su emisione i apsorpcijske linije u tačnoj rezonanciji, odnosno kada je apsorpcija maksimalna. Vrijednost v određuje pomak D E između emisionih i apsorpcionih linija za stacionarni izvor i apsorber.

On pirinač. 4, i prikazuje apsorpcioni spektar koji se sastoji od jedne linije: emisione i apsorpcione linije nisu pomerene jedna u odnosu na drugu, odnosno nalaze se u tačnoj rezonanciji na v = 0. Oblik posmatrane linije može se opisati sa dovoljnom tačnošću pomoću Lorentz krivulja (ili Breit - Wigner formula) sa širinom na pola visine od 2G. Takav spektar se uočava samo u slučaju kada su izvor i apsorber hemijski identični i kada na jezgra u njima ne utiču ni magnetska ni nehomogena električna polja. U većini slučajeva, nekoliko linija (hiperfine strukture) se uočava u spektrima, uzrokovanih interakcijom sa ekstranuklearnim električnim i magnetskim poljima. Karakteristike hiperfine strukture zavise kako od svojstava jezgara u osnovnom i pobuđenom stanju, tako i od strukturnih karakteristika čvrstih tela, koje uključuju emitujuća i apsorbujuća jezgra.

Najvažnije vrste interakcija sa ekstranuklearnim poljima su interakcije električnog monopola, električnog kvadrupola i magnetnog dipola. Električna monopolna interakcija je interakcija jezgra sa elektrostatičkim poljem koje stvaraju oni koji ga okružuju u području jezgra; dovodi do pojave pomaka linije d u spektru apsorpcije ( pirinač. 4, b), ako izvor i apsorber nisu hemijski identični ili ako je distribucija električnog naboja u jezgru nejednaka u osnovnom i pobuđenom stanju (vidi). Ova tzv izomer ili hemijski pomak je proporcionalan u nuklearnom području, a njegova veličina je važna karakteristika u čvrstim materijama (vidi). Po veličini ovog pomaka može se suditi o jonskom i kovalentnom karakteru, sadržaju kompozicije itd. Proučavanje hemijskih pomeranja takođe omogućava da se dobiju informacije o raspodeli naelektrisanja u .

Važna karakteristika Mössbauerovog efekta za fiziku čvrstog stanja je i njegova vjerovatnoća. Mjerenje vjerovatnoće Mössbauerovog efekta i njegove zavisnosti od atoma izotopa 41 elementa; najlakši među njima je 40 K, najteži 243 At.

Lit.: Mossbauerov efekat. Sat. Art., ed. Yu Kagana, M., 1962; Mössbauer R., RK efekat i njegov značaj za precizna mjerenja, u zborniku: Nauka i čovječanstvo, M., 1962; Frauenfelder G., Mossbauerov efekat, trans. sa engleskog, M., 1964; Wertheim G., Mossbauerov efekat, trans. sa engleskog, M., 1966; V.S., Rezonancija gama zraka u, M., 1969; Chemical Applications, trans. sa engleskog, ur. V. I. Goldansky [i drugi], M., 1970; Mossbauerov efekat. Sat. prijevodi članaka, ur. N. A. Burgov i V. V. Sklyarevsky, trans. sa engleskog, njemačkog, M., 1969.

N. N. Delyagin.

Rice. 3. Pojednostavljeni dijagram Mössbauerovog spektrometra; Izvor g-kvanta, pomoću mehaničkog ili elektrodinamičkog uređaja, pokreće se u povratno kretanje brzinom v u odnosu na apsorber. Pomoću detektora g-zračenja mjeri se ovisnost o brzini v intenziteta fluksa g-kvanta koji prolazi kroz apsorber.

Rice. 4. Spektri Mössbauerove rezonantne apsorpcije g-kvanta: I - intenzitet fluksa g-kvanta koji prolazi kroz apsorber, v - brzina kretanja izvora g-kvanta; a - pojedinačne emisione i apsorpcione linije, nepomerene jedna u odnosu na drugu pri v = 0; b - izomerni ili hemijski pomak linije. Pomak d je proporcionalan u regionu jezgra i varira u zavisnosti od karakteristika u čvrstom stanju; c - kvadrupolni dublet uočen za 57 Fe, 119 Sn, 125 Te, itd. Veličina cijepanja D je proporcionalna gradijentu električnog polja u području jezgra: d - magnetna hiperfina struktura uočena u spektrima apsorpcije za magnetno uređene materijale. Udaljenost između komponenti strukture proporcionalna je jačini magnetskog polja koje djeluje na jezgra u čvrstom stanju.

Rice. 1. Šematski prikaz procesa emisije i rezonantne apsorpcije g-kvanta; Emitirajuća i apsorbirajuća jezgra su iste, stoga su energije njihovih pobuđenih stanja E" i E"" jednake.

Rice. 2. Pomeranje emisionih i apsorpcionih linija u odnosu na energiju Eg prelaza; G - širine linija.

isto kao i Mössbauerov efekat.

Pogledaj vrijednost Nuklearna gama rezonanca u drugim rječnicima

Gama- i. talijanski muzička abeceda, merdevine, rok u muzici, red, red zvukova. | Tabela nota, sa značenjima prstiju.
Dahl's Explantatory Dictionary

Gama- vage. Treće slovo grčkog alfabeta. - zraci, gama zraci, jedinice. ne (fizički) - isto što i rendgenski snimak.
Ushakov's Explantatory Dictionary

Rezonancija- M. French zvuk, brujanje, raj, eho, odlazak, brujanje, povratak, glas; zvučnost glasa, po lokaciji, po veličini sobe; zvučnost, zvučnost muzičkog instrumenta, po dizajnu........
Dahl's Explantatory Dictionary

Nuklearni- nuklearni, nuklearni (specijalni). 1. Adj. u jezgru u 1 i 5 cifara. sok. težina. 2. Adj., po vrijednosti. povezano sa atomskim jezgrom ili ćelijskim jezgrom (fizičko, biološko). Nuklearna fizika. Nuklearna struktura bacila.
Ushakov's Explantatory Dictionary

gama-— 1. Prvi dio teške reči, uvodno značenje: povezano sa elektromagnetnim zračenjem koje emituju radioaktivne supstance (gama zraci, gama spektrometar, gama terapija itd.).
Eksplanatorni rječnik Efremove

Gama globulin M.— 1. Jedan od proteina krvne plazme koji sadrži antitijela i koristi se kao terapeutski i profilaktički lijek za određene zarazne bolesti.
Eksplanatorni rječnik Efremove

Gama zračenje Pros.— 1. Kratkotalasni elektromagnetno zračenje, koje emituju radioaktivne supstance.
Eksplanatorni rječnik Efremove

Gama kvantni M.— 1. Kvant gama zračenja.
Eksplanatorni rječnik Efremove

Gama zraci Mn.— 1. Isto kao: gama zračenje.
Eksplanatorni rječnik Efremove

Gama instalacija J.— 1. Aparat za korišćenje usmerenog, kontrolisanog snopa gama zračenja.
Eksplanatorni rječnik Efremove

Rezonancija M.— 1. Pobuđivanje vibracija jednog tijela vibracijama drugog iste frekvencije, kao i zvuk odgovora jednog od dva tijela usklađena. 2. Sposobnost poboljšanja......
Eksplanatorni rječnik Efremove

gama-- Prvi dio složenih riječi. Doprinosi: povezan sa elektromagnetnim zračenjem (gama zračenje) koje emituju radioaktivne supstance. Gama analiza, gama blic,........
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Astronomija gama zraka- ) -I; i. Grana astronomije koja se odnosi na proučavanje kosmičkih tijela na osnovu njihovog gama zračenja.
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Rafal gama zraka- ) -A; m Kratkotrajno povećanje kosmičkog gama zračenja. Posmatrajte rafale gama zraka.
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama globulin- ) -A; m. Jedan od proteina krvne plazme koji sadrži antitijela (koristi se kao terapeutski i profilaktički lijek za neke zarazne bolesti).
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama detekcija grešaka- ) -I; i. Metoda za ispitivanje materijala i proizvoda zasnovana na mjerenju apsorpcije gama zraka koje emituju radioaktivni izotopi metala (koristi se za otkrivanje skrivenih defekata).
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama zračenje- -I; sri Phys. Kratkotalasno elektromagnetno zračenje koje emituju radioaktivne supstance. G. radijum.
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama quantum- -A; m. Kvant gama zračenja. Protok gama kvanta. Apsorpcija gama zraka atomskim jezgrama.
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama laser- -A; m. Generator indukcijskog gama zračenja; gaser. Kreirajte grad
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama zraci- ) -njoj; pl. Phys. = Gama zračenje.
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama denzimetar- ) -A; m Uređaj za mjerenje gustine materije pomoću gama zračenja.
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama polje- ) -I; sri
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama spektrometar- ) -A; m Uređaj za mjerenje energije (energetskog spektra) gama zračenja.
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

Gama spektroskopija- ) -I; i. Grana nuklearne fizike koja se odnosi na proučavanje spektra gama zračenja i razna svojstva pobuđena stanja atomskih jezgara.
Kuznjecovljev objašnjavajući rečnik

SADRŽAJ: Istorija otkrića Nuklearna rezonantna apsorpcija gama zračenja Tehnika Mössbauerovog eksperimenta Hiperfine interakcije i Mössbauerovi parametri Praktične primjene metoda: - Fazna analiza u nauci o materijalima i geohemiji - Analiza površine - Dinamički efekti

Istorija otkrića nuklearne gama rezonance (Mossbauerov efekat) Proces atomske rezonancije u opsegu optičkih talasnih dužina je dobro poznat. Predvidio ga je D. Rayleigh, a svoju eksperimentalnu potvrdu našao je 1904. godine u poznatom eksperimentu Roberta Wooda, u kojem je Wood koristio žutu svjetlost koju emituju atomi natrija (tzv. natrijeve D linije), a koja se može dobiti postavljanjem mala količina kuhinjska so. Svaka D linija odgovara prirodnoj frekvenciji vibracija atoma natrija, tačnije, vanjskih elektrona ovog atoma. Da bi se posmatrala rezonanca, neophodno je da drugi atomi natrijuma nisu u plamenu. Wood je koristio evakuiranu staklenu bocu koja je sadržavala malu količinu metalnog natrijuma. Pritisak pare natrijuma je takav da kada se zagreje iznad sobnoj temperaturi količina natrijeve pare u cilindru bila je dovoljna za izvođenje eksperimenta. Ako se svjetlost natrijevog plamena usmjeri na balon, može se uočiti slabašni žuti sjaj. Atomi natrija u boci djeluju slično kao podešena viljuška za podešavanje. Oni apsorbiraju energiju upadnog snopa žute svjetlosti, a zatim ga bljeskaju u različitim smjerovima.

Prije pedeset godina, 1958. nemački fizičar 1958. Rudolf Ludwig Mössbauer, radi na doktorskoj tezi na Institutu. M. Planck u Heidelbergu, podnio je članak njemačkom časopisu za fiziku pod naslovom “Nuklearna rezonantna fluorescencija gama zračenja u Ir 191”, koji je objavljen sredinom iste godine. A već u jesen 1958. izveo je prve eksperimente u kojima je koristio Doplerov efekat za skeniranje rezonantnih linija. Krajem 1958. objavio je svoje eksperimentalne podatke, koji su postavili temelje za novu eksperimentalnu metodu - nuklearnu gama rezonantnu spektroskopiju, često nazvanu Mössbauerova spektroskopija (MS). Rudolf Mössbauer je 1961. godine za otkriće i teorijsku potkrepu ovog fenomena nagrađen nobelova nagrada u fizici.

Uticaj efekta trzaja na apsorpciju i emisiju gama zračenja jezgara Energija trzanja: 57 Fe Doplerova energija: ET = 14,4 kOe. V, t 1/2 = 98 ns, G = 4,6 10 -9 oe. V, → ER~ 2· 10 -3 e. IN

Distribucija energije emitovanih i apsorbovanih gama kvanta Za jezgra slobodnih atoma Za atomska jezgra u kristalnoj rešetki na niskim temperaturama

Poređenje glavnih parametara između elektronskih i nuklearnih tranzicija Parametri tranzicije Energija tranzicije, ET (e.V) Prosječni vijek trajanja pobuđenog stanja, (sek) Širina linije prirodne rezonancije, Γ=ħ/τ (e.V) Energetska rezolucija, G/ET energijski trzaj, ER (e.V) omjer ER/G Elektronski prijelaz za Na D-liniju Nuklearni prijelaz 57 Fe Nuklearni prijelaz 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 10 -3 2. 5× 10 -3 ~2. 3× 10 -3 4. 1× 105 1. 4× 105

Nuklearni parametri glavnih Mössbauerovih izotopa Izotop 57 Fe 61 Ni 119 Sn 121 Sb 125 Te 127 I 129 I 149 Sm 151 Eu 161 Dy 193 Ir 197 Au 237 Np Eγ, . V Gr/(mmms-1) =2 Gest Ig Ie 14. 41 67. 40 23. 87 37. 15 35. 48 57. 60 27. 72 22. 5 21. 6 26. 65 73. 0 759. 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 Prirodni sadržaj % 2. 17 1. 25 8. 58 57. 25 6. 99 100 nula 13. 9 47. 8 18. 88 61. 5 100 nula Raspad 57 Co nucleus EC 270 d) 61 Co (ß-99 m) 119 m. Sn (IT 50 d) 121 m. Sn (ß-76 g) 125 I (EC 60 d) 127 m. Te (ß-109 d) 129 m. Te (ß-33 d) 149 Eu (EC 106 d) 151 Gd (EC 120 d) 161 Tb (ß-6,9 d) 193 Os (ß-31 h) 197 Pt (ß-18 h) 237 Am ( α 458 y) EC-hvatanje elektrona, ß-beta raspad, IT-izomerni prijelaz, α-alfa raspad

Šeme radioaktivnog raspada koje rezultiraju populacijom Mössbauerovog nivoa na 57 Fe i 119 m jezgri. Sn

Vjerovatnoća rezonantnog procesa bez trzaja. Lamb-Mössbauerov faktor f - vjerovatnoća procesa apsorpcije ili emisije gama zraka bez trzaja f - zavisi od vibracijskih svojstava kristalne rešetke, tj. amplituda oscilacija u pravcu gama kvantnog zračenja, usrednjena tokom životnog veka jezgara u pobuđenom stanju λ – gama kvantna talasna dužina

Utjecaj fononskih procesa na apsorpciju ili raspršivanje bez trzaja a b c Vibracijski spektri rešetki čvrstog stanja a - Einsteinov model, b-Debye model, c- Born-Karman model

Super-tonirane interakcije Messbauerovih parametara tipa interakcije je električni Monopolski pomak između jezgara i δ (mm/s) Protona Izvučena informacija o spinskom stanju atoma (HS, LS, IS). oksidacija stepen oksidacije APPECTION DEVERUPLE PERFECTION ΔEQ (mm/m/s/m/s/m/s/s/s/m ) Električna kvadrupolna interakcija između kvadrupolnog momenta jezgra i nehomogenog električnog polja Molekularna simetrija Karakteristike pojasa struktura Spin stanje atoma (HS, LS, IS) Magnetno cijepanje ΔEM(mm/s) Magnetna dipolna interakcija između magnetnog momenta jezgra i magnetnog polja Priroda i veličina magnetske interakcije (feromagnetizam, antiferomagnetizam, itd.

Izomerni pomak u spojevima koji sadrže željezo Prilikom eksperimentalnog mjerenja izomernih kemijskih pomaka, uvijek je važno koji standard se koristi prema kojem će se ti pomaci odrediti. Dakle, za mjerenja na 57 Fe, službeni standard je spoj ovog izotopa Na 2 ili metalno željezo. Za 119 m. Sn općeprihvaćeni standard je Sn. O2.

Električna kvadrupolna interakcija Kvadrupolno cijepanje ΔEQ ΔEQ gdje je: m. I=+I, +I-1, …, -I Za 57 Fe Iv=3/2, Io=1/2 pri η=0

Kombinovana interakcija magnetnog dipola i električnog kvadrupola Tipično za 57 Fe i aksijalnu simetriju (η=0):

Proces pražnjenja jezgra 57 Fe nakon rezonantne pobude. Vrsta emitovanog zračenja Eke. B Intenzitet (rel. jedinice) Dubina izlaza Mössbauerovo zračenje 14, 4 0, 10 20 µm rendgensko zračenje K-ljuske 6, 4 0, 28 20 µm K-konverzioni elektroni 7, 3 0, 79 10 nm L-40 Elektrona za konverziju 13,6 0,08 20 Nm 1,3 μm m-konverzija elektrona ............... 14.3 0.01 20 Nm 1.5 μm K - LL - Auger Electrons 5,5 0,63 7 Nm 400 NM L - mm - Auger Electrons 0,53 0,60 1 Nm 2 Nm

Dinamika hiperfinih interakcija i relaksacije Među metodama za proučavanje sadržaja željeza magnetna svojstva nanočestica, jedna od najinformativnijih je Mössbauerova spektroskopija. Za razliku od magnetnih mjerenja, Mössbauerova spektroskopija može otkriti magnetsku dinamiku nanočestica u frekvencijski opseg 107 – 1010 s-1, karakteristika Mössbauerovog „prozora“. Oblik eksperimentalnih Mössbauerovih spektra niskodimenzionalnih objekata postaje mnogo komplikovaniji u odnosu na spektre za masivne objekte. Razlozi za to mogu biti: ili superpozicija statičkog skupa hiperfinih struktura, zbog razlika u lokalnom okruženju rezonantnih atoma, ili utjecaj različitih vrsta dinamičkih procesa (na primjer, difuzijskih, paramagnetskih, spin-spin, relaksacija spin-rešetke, itd.

Oblik Mössbauerovih spektra magnetno uređenih materijala 1. Slučaj dobro riješene hiperfine strukture: 2. Slučaj superpozicije velikog skupa hiperfinih struktura: 3. Slučaj superparamagnetne relaksacije: ovdje je p-vjerovatnoća preorijentacije magnetnog momenta atoma pod uglom /2 između osi lake magnetizacije, q-vjerovatnoća njegovog okretanja u jedinici vremena

Selektivna pobuda podnivoa magnetne hiperfine strukture a) - dijagram prijelaza između nuklearnih podnivoa osnovnog i pobuđenog stanja -Fe, b) eksperimentalni FEM spektar za tanki film -Fe, c) energetski spektar raspršenog zračenja pri ekscitaciji nivoa -3/2, d) energetski spektar rasejanog zračenja pri pobuđivanju nivoa +1/2.

a) - apsorpcioni spektar aluminijum-supstituisanog getita (8 mol %) i spektri selektivne ekscitacije (od vrha do dna). c) - apsorpcioni spektar aluminijum-supstituisanog getita (2 mol %) i spektri selektivne ekscitacije (od vrha do dna). Strelica pokazuje energiju uzbudljivog zračenja.