Az atommagok energiája kvantált. Amikor egy atommag gerjesztett állapotból alapállapotba megy át, energiával rendelkező -kvantum bocsát ki. Ennek egy lehetségesebb jelentése pl energia egy végtelenül bágyadt szabad mag számára egyenlő alapállapotának és gerjesztett állapotának energiái közötti különbség: . A fordított folyamat egy közeli energiájú g-kvantum abszorpciójának felel meg.

Ha egy hasonló maghalmazt azonos szintre gerjesztünk, a kibocsátott kvantumok energiáját az átlagérték körüli bizonyos szórás jellemzi.

1.13. ábra: A kvantumátmeneteket bemutató diagram az elektromos kvantumok kibocsátásával és abszorpciójával (a), valamint az emissziós és abszorpciós vonalak megjelenésével optikai (b) és nukleáris (c) esetekben.

Az abszorpciós sáv körvonalát ugyanaz a kapcsolat írja le, mint az emissziós sáv kontúrját (1.13. ábra). Nyilvánvaló, hogy az optikai spektrum elektromos sugárzásának rezonáns abszorpciójának hatása, ha optikai a gerjesztett atomok elektronjainak az alatta lévőkké való átmenete során kibocsátott kvantumok Az elektromos szinteket rezonánsan elnyeli az azonos típusú atomokat tartalmazó anyag. A statikus rezonáns abszorpció jelensége egyértelműen megfigyelhető például nátriumgőznél.

Sajnos a rezonáns magabszorpció jelensége szabad magokon nem figyelhető meg. Ennek az az oka, hogy a bágyadt magok (atomok) modellje, amikor a visszarúgás energiavesztesége kicsi, optikai rezonanciára érvényes, magrezonanciára pedig teljesen alkalmatlan. A nukleáris átmenetek során kibocsátott gamma sugarak lényegesen nagyobb energiájúak - több tíz és száz keV(összehasonlítva több tíz eV-tal a látható tartományban lévő kvantumoknál). A nukleáris esetben összehasonlítható élettartam-értékekkel és ennek megfelelően az elektromos és nukleáris szintek természetes szélességének közeli értékeivel a visszarúgási energia még jelentősebb szerepet játszik az emisszióban és az abszorpcióban:

ahol az atommag visszarúgási impulzusa nagysága megegyezik a kibocsátott kvantum lendületével, m az atommag (atom) tömege.

Ezért optikai esetben nem figyelhető meg a szabad magokon rezonancia (lásd 1.13 b és c ábra). Rudolf Mössbauer az Ir izotóp által kibocsátott -kvantumok abszorpcióját tanulmányozva az Ir kristályban talált, a jóslatokkal ellentétben, hogy sugárzáselmélet, fokozott szórás-kvantumok alacsony hőmérsékleten (T≈77K). Kimutatta, hogy a megfigyelt hatás az Ir atommagok -kvantumainak rezonáns abszorpciójával függ össze, és elmagyarázta ennek természetét.

A Mössbauer-effektussal kapcsolatos kísérletekben nem magukat az emissziós (vagy abszorpciós) sávokat, hanem a rezonancia-abszorpciós görbéket (Mössbauer-tartományok) mérik. A gamma-magrezonancia módszer egyedülálló megvalósítása a kémiában és a fizikában szilárd indokolt, hogy a Mössbauer tartomány összetevőinek szélessége l a fizikai rezonancia vonalak kisebbek, mint a mágnes energiái valamint az atommag és az azt körülvevő elektronok elektronikus kölcsönhatásai. Mössbauer-effektus hatékony mód kutatás széleskörű ezeket a kölcsönhatásokat befolyásoló jelenségek.

Egy egyszerű séma a Mössbauer-effektus megfigyelésére g-ben átviteli geometria tartalmaz egy forrást, egy abszorbert (a vizsgált anyag szűk szabványa) és egy g-ray érzékelőt (1.14. ábra).

Rizs. 1.14 A Mössbauer-kísérlet vázlata: 1 – elektrodinamikus vibrátor, beállítás különböző jelentések forrás sebessége; 2 – Mössbauer forrás; 3 – a Mössbauer izotóp magjait tartalmazó abszorber; 4 – az abszorberen áthaladó g-kvantumok érzékelője (általában arányos számláló vagy fotomultiplikátor).

A -sugarak forrásának bizonyos tulajdonságokkal kell rendelkeznie: az atommag hosszú felezési idejével kell rendelkeznie, amelynek bomlása esetén egy rezonáns izotóp magja gerjesztett állapotban születik. A Mössbauer-átmenet energiájának viszonylag alacsonynak kell lennie ( hogy a visszarúgási energia ne haladja meg az atom és a kristályrács egy csomópontjának kiszorításához szükséges energiát), az emissziós vonal keskeny (ez biztosítja a legnagyobb felbontást), és nagy a háttérmentes sugárzás lehetősége. A g-kvantumok forrását a legtöbb esetben úgy nyerik, hogy diffúziós lágyítással egy Mössbauer-izotópot visznek be egy vasmátrixba. A mátrix anyagának dia- vagy paramágnesesnek kell lennie (a nukleáris szintek mágneses hasadása kizárt).

Abszorberként vékony standardokat használnak fólia vagy por formájában. A szabvány szükséges vastagságának meghatározásakor figyelembe kell venni a Mössbauer-effektus lehetőségét (festetlen vas esetén a legjobb vastagság ~20 µm). Legjobb vastagság I a keskeny abszorberrel való munkavégzés szükségessége közötti kompromisszum eredményeés a legmagasabb abszorpciós hatásuk van. A szabványon áthaladó fotonok regisztrálására szélesebb körben alkalmazzák a szcintillációs és arányos számlálókat.

A rezonancia-abszorpciós tartomány (vagy Mössbauer-tartomány) elérése a rezonanciakritérium megváltoztatását jelenti, ezért szükséges a -kvantumok energiájának modulálása. Jelenleg alkalmazható időmodulációs módszer alapján a Doppler-effektus alapján (a legtöbb esetben a g-sugárforrásnak az abszorberhez viszonyított mozgása van megadva).

A g-kvantum energiája a Doppler-effektus hatására mennyiségével változik

Ahol - abszolút érték a forrás mozgási sebessége az abszorberhez viszonyítva; с – fénysebesség vákuumban; – a forrás mozgási iránya és a g-kvantumok kibocsátási iránya közötti szög.

Mivel a tapasztalatok szerint a szög csak két értéket érzékel =0 és , akkor ∆E ​​= (a pozitív szimbólum közelítésnek felel meg, és negatív– a forrás eltávolítása az abszorberből).

Rezonancia hiányában, például ha nincs rezonáns izotóp magja az abszorberben, vagy ha a Doppler-sebesség nagyon nagy (ami megfelel a rezonancia pusztulásnak az energiakvantum nagyon nagy konfigurációja miatt) , az abszorber irányába kibocsátott sugárzás legnagyobb része a nim mögött található érzékelőt éri.

Az érzékelő jelét felerősíti, és az egyedi kvantumokból származó impulzusokat az analizátor rögzíti. Általában a rögzített szám - kvantumokat egységes időtartamokra különböző . Rezonancia esetén a g-kvantumokat az abszorber véletlenszerű irányban nyeli el és újra kibocsátja (1.14. ábra). Ugyanakkor az érzékelőbe jutó sugárzás mennyisége miniatürizálódik.

A Mössbauer-kísérletben az abszorberen keresztül továbbított sugárzás intenzitásának (az érzékelő által regisztrált impulzusok számának) a forrás relatív sebességétől való függését vizsgálják. Abszorpciós hatás összefüggés határozza meg

ahol az érzékelő által rögzített g-kvantumok száma egy adott idő alatt a Doppler-sebesség értékénél (a kísérletben diszkrét gyorstárcsázást használjon th); – ugyanez a -ra, ha nincs rezonáns abszorpció. A függések és meghatározzák a vasötvözetek és -vegyületek rezonancia-abszorpciós görbéjének alakját, és ±10 mm/s határokon belülre esnek.

A Mössbauer-effektus lehetőségét a kristályok fonontartománya határozza meg. Az alacsony hőmérséklet () tartományban az egységhez közeli értékeket éri el a lehetőség, a magas () tartományban pedig nagyon kicsi. Minden más dolog egyenlő kritérium a háttér nélküli abszorpció lehetőségétés több a sugárzás a legmagasabb Debye hőmérsékletű kristályokban (meghatározza az atomközi kötés keménységét).

A hatás lehetőségét a tartomány határozza meg rugalmas rezgések atomok kristályrácsban. A Mössbauer-vonal akkor intenzív, ha az atomi rezgések amplitúdója kicsi az r-kvantum hullámhosszához képest, azaz. alacsony hőmérsékleten. Ebben az esetben az emissziós és abszorpciós tartomány a következőkből áll keskeny rezonanciasáv (háttér nélküli folyamatok) és széles komponensek, a g-kvantumok kibocsátása és abszorpciója során a rács rezgésállapotainak konfigurációja miatt (utóbbi szélessége 6 nagyságrenddel nagyobb, mint a rezonanciasáv szélessége).

Az atomközi kötés anizotrópiája a rácsban meghatározza az atomi rezgések amplitúdójának anizotrópiáját, és az alábbiak szerint a háttér nélküli abszorpció eltérő lehetőségét különböző krisztallográfiai irányokban. Egykristályok esetében így nemcsak átlagos, hanem szögfüggések is mérhetők.

A szűk abszorber közelítésben a háttér nélküli átmenetek lehetősége arányos a rezonáns abszorpciós görbe alatti területtel. Nukleáris gamma rezonancia szilárd rács vagy szennyező atomok rezgési paramétereinek vizsgálatára használható ebben a rácsban. Kényelmesebb kísérleti élmény A paraméter ebben az esetben az S tartomány területe, mert ez egy szerves tulajdonság, és nem függ a rezonanciakvantumok emissziós tartományának alakjától és a forrás önelnyelésétől. Ez a terület megmarad, ha a tartomány több komponensre oszlik hiperfinom kölcsönhatások eredményeként.

A keskeny abszorber egyszerű rezonancia-abszorpciós tartománya egy Lorentzi-alakú vonal. A múlt intenzitása a sugárzáselnyelőn keresztül legfeljebb kicsi abszorpció. Példaként az ábrán. Az 1.15. ábra a szennyezetlen vas Mössbauer tartományait mutatja be.

Rizs. 1.15 Mössbauer sorozatok tiszta vasból.

3. A maggeofizika módszerei.

1) Radiometriai módszerek. Természetes radioaktív mezőket vagy természetes radioaktív elemeket tanulmányoznak.

Légi γ fotózás

A γ-mező vizsgálata sziklák a levegőből. A módszert geológiai térképezésre, törészónák és tektonikai zavarok vizsgálatára, radioaktív és nem radioaktív (amelyek esetében a radioaktívakkal genetikai kapcsolat létesült) felkutatására használják. A módszer nagyon magas termelékenységgel rendelkezik. Egy munkanap alatt a felmérés akár 200 km2-t is érinthet. Ebből a szempontból a módszer nem drága. A módszernek jelentős hátrányai is vannak:

1) A módszer alacsony mélysége;

2) Alacsony érzékenység szűrési laza lerakódások jelenlétében;

3) Alacsony érzékenység nagy magasságban történő repüléskor.

Ezt a módszert azonban nagyon széles körben alkalmazzák a gyakorlatban.

Auto-γ-lövés

A módszernek sok közös vonása van a légi γ-fotózással, és gyakorlatilag ugyanazon problémák megoldására szolgál. Ugyanazok a hátrányai és ugyanazok az előnyei. A forgatás lehet útvonal, lehet terület. Az útvonal felderítő jellegű, általában a terület előtt hajtják végre. A területi bányászatot szélesebb körben alkalmazzák, általában ígéretes területeken végzik. És amikor részletezzük az aero-γ-anomáliát.

Gyalogos γ-felmérés

A γ-felmérés legegyszerűbb típusa. Minden olyan probléma megoldására szolgál, amelyekről már beszéltünk, de nagy léptékben és részletesen. Használható továbbá olyan nehezen elérhető helyeken végzett munkákhoz, ahol sem autó, sem repülőgép nem használható. Nem szakosodott geológiai csoportokban is használják (nem geofizikusok, hanem geológusok).

Emanációs fotózás

Ez a radioaktív gázok (emanáció) koncentrációjának vizsgálata a talajlevegőben vagy a kőzetekből kivont levegőben. A radioaktív családokban történő bomlás során radioaktív gázok képződnek:

Ezek a gázok folyamatosan képződnek a kőzetekben, mert ott vannak kiindulási anyagaik. A módszert radioaktív urán- és tóriumércek keresésére használják; törészónák és tektonikai zavarok tanulmányozására; számos kőzetrepedéssel és legyengült területekkel (karsztos, földcsuszamlás) kapcsolatos mérnöki és földtani probléma megoldására; környezeti problémák megoldására (radon).

Uranometriai felmérés (litogeokémiai)

Ez az alapkőzet vagy laza kőzetek urántartalmának vizsgálata. Ez a módszer geokémiainak minősül. Ez egy közvetlen módszer az uránhoz. A kőzetek urántartalma megközelítőleg 10-5 - 10-4%, ez az úgynevezett geokémiai háttér. Egyes testekben a koncentráció néhány százalékra emelkedhet, és érctest képződik. Az érctest mállási folyamatokon megy keresztül, és diszperziós terület alakul ki körülötte. 9.2. ábra. Ezért a felmérés a szóródó fluxusok kereséséből, majd a fényudvarok szórásából áll. A felmérés során kőzetmintákat vesznek. E minták elemzése a nátrium-fluorid NaF azon tulajdonságán alapul, hogy ultraibolya sugárzás hatására lumineszkál.

Radiohidrogeológiai felmérés (hidrogeokémiai felmérés)

Ez a radioaktív elemek, leggyakrabban az urán, a rádium és a radon tartalmának vizsgálata a vizekben. Ez azon a tényen alapul, hogy a radioaktív elemek, különösen a rádium, nagyon jól vándorolnak oxidáló környezetben, és ezért nagy távolságra elszállítják magától a lelőhelytől. Ennek köszönhetően „vak” (mélységben fekszenek, nem láthatók) érctesteket fedeznek fel, akár 50-70 m mélységben, hegyvidéken pedig még inkább.

Biogeokémiai felmérés

A növényi hamu radioaktív elemek tartalmának vizsgálata. Vagy olyan növényeket találni, amelyek bármely elemre jótékony vagy nyomasztó hatással vannak. Klasszikus példa: egyes ostrogalfajok csak magas szeléntartalmú talajban nőnek. A szelén pedig az urán műholdja. Természetesen ezt a módszert néhány alapmódszerrel együtt hajtjuk végre. A radioaktív elemek tartalmának meghatározásakor izoláltan térképet készítenek, meghatározzák és elemzik a hátteret.

A geokémiai módszerek hátránya a munkaintenzitás és az elemzés magas költsége. Pozitív tulajdonságok pontosság és nagyobb mélység.

2) Nukleáris geofizikai módszerek

Ezek olyan módszerek, amelyek során a kőzeteket vagy γ-forrással vagy neutronforrással sugározzák be, és ezeket a kőzeten áthaladó mezőket, vagy az ilyen besugárzás során fellépő jelenségeket vizsgálják.

Gamma-gamma módszer

Ez a kőzeten áthaladó forrásból származó γ-mező tanulmányozása. A kőzetek sűrűségének (GGM-p) és a közeg effektív rendszámának (GGM-s) vizsgálatára szolgál. Ezt a módszert a legtöbb maggeofizikai módszerhez hasonlóan a naplózási változatban alkalmazzák, ami nagyon fontos a paraméterek meghatározásához természetes körülmények között. Ha a kőzeteket γ-forrással sugározzák be, az intenzitás csökkenése a kőzetek anyagösszetételének és sűrűségének megváltozásával jár. Ez a két tényező elsősorban a sugárzás intenzitását befolyásolja. Megállapítást nyert, hogy a Compton-effektus főként a kőzetsűrűség változásaihoz kapcsolódik. Míg az anyagösszetételnek gyakorlatilag nincs hatása. Ezért a kőzetek sűrűségének tanulmányozásához közepes energiájú γ-kvantumokat (0,5-1,5 MeV) használnak. Kisebb energiánál a fotoelektromos hatás, nagyobb energiánál pedig a párok kialakulása érvényesül.

Röntgen-radiometrikus módszer (РРМ vagy РРК)

Ez magában foglalja a kőzetek kisenergiájú gamma-sugárzással történő besugárzását, és a keletkező jellegzetes röntgensugárzás rögzítését. Az anyagösszetétel tanulmányozására szolgál, i.e. a legtöbb z>30 elem elemzéséhez, valamint néhány z = 20 – 30 elem elemzéséhez, a legtöbb fém meghatározásához. A módszer azon a tényen alapul, hogy a kőzeteket alacsony energiájú γ-kvantumokkal (5-120 KeV) sugározzuk be. Ebben az esetben a fotoelektromos hatás mellett 10-5 – 10-12 cm hullámhosszú karakterisztikus röntgensugárzás jelenik meg, ráadásul az Ebond/Eγ arány növekedésével a sugárzás előfordulásának valószínűsége is nő. Az Ebond egy elektron energiája a héjon. Ez a tört helyes. Az egyes elemek kapcsolatai szigorúan meghatározottak, ezért az egyes elemek tanulmányozásához szigorúan meg kell választani az emittert.

Nukleáris gamma-rezonancia (NGR) módszer

Ez a módszer a Mössbauer-effektuson alapul, amely abból áll, hogy kis energiájú γ-kvantumokkal (kevesebb, mint 50 KeV) besugározva egyes atommagokban a fotoabszorpció mellett rezonáns abszorpció és a γ-kvantumok szóródása következik be. magok. Ezt a hatást Mössbauer-effektusnak nevezik. A Mössbauer-magok különösen ónosak, ezért a módszert a kasszirit SnO2, az Sn119 izotóp meghatározására használják. Ezen kívül néhány lantanid Mössbauer-mag: 66Dy161 (dysprosium), 68Er151 (erbium). Fe57. A folyékony nitrogén hőmérsékletén (-194°C) sok mag Mössbauer.

Fotoneutron módszer (gamma-neutron GNM módszer)

A kőzetek nagyenergiájú γ-kvantumokkal történő besugárzásából és a keletkező neutronmező rögzítéséből áll. Az atommag belsejében lévő neutronokat nukleáris erők kötik meg, de ha nagy energiájú γ-kvantumok sugározzák be őket, a neutronok kiütődnek az atommagból.

Neutron-neutron módszer (NNM, NNK)

Kőzetek besugárzása neutronokkal és ennek a mezőnek a tanulmányozása, miután áthaladt a kőzeten. A neutronelnyelő elemek tartalmának tanulmányozására és néhány vizsgálatára szolgál fizikai tulajdonságok kőzetek (főleg porozitási együttható). Amikor a neutronok áthaladnak az anyagon, először lelassulnak, majd a neutronelnyelő elemek elnyelik őket. Különösen a bór, klór, jód, mangán stb. Gyakran használják mind a szántóföldi változatban, mind a fakitermelésben. Nagyon gyakran a módszert a kútnaplózásban használják.

Neutron gamma módszer

Sok közös vonása van az NNM-mel, mivel ugyanazokat a neutronforrásokat használják, és a kapott gamma-mezőt mérik. A módszerrel gyakorlatilag ugyanazokat a problémákat oldják meg, mint az NNM: a kőzetek fizikai tulajdonságait, a porozitási együttható tanulmányozását és a neutronelnyelő elemek tanulmányozását.

Aktiválási elemzés

Ez az egyik maggeofizikai módszer. Ez abból áll, hogy stabil kőzetelemeket sugároz be γ-kvantum vagy n forrással, és tanulmányozza a keletkező radioaktív izotópok bomlási sebességét. Ezen elemzés alapján meghatározzák a keletkező radioaktív izotópot a sugárforrás ismeretében, meghatározzák a kőzetben található eredeti, nem radioaktív izotópot. És ennek az elemnek a referenciamérései alapján meghatározzák ennek a nem radioaktív izotópnak a koncentrációját. És ismerve ennek az izotópnak a bőségét egy elem teljes izotópkeverékében, meghatározzuk magának az elemnek a koncentrációját.

Paraméter neve	Jelentése
Cikk témája:	Mössbauer-effektus (nukleáris gamma-rezonancia)
Rubrika (tematikus kategória)	Technológiák

Mössbauer hatás ( JGR- gamma-magrezonancia) - gamma-kvantumok kibocsátása vagy abszorpciója az atommagok által szilárd anyagban, amely nem jár együtt fononok kibocsátásával vagy abszorpciójával. 1958-ban nyílt meg. Rudolf Mössbauer Németországban. Érdemes elmondani, hogy a hatás megfigyelésére alacsonyan fekvő, hosszú élettartamú, legfeljebb 200 keV energiájú és élettartamú nukleáris szinteket használnak. -természetes szintszélesség. A vasmag számára az energia gamma-kvantum.

A hatás 41 elem 73 izotópján figyelhető meg. Érdemes elmondani, hogy a rezonáns abszorpció megfigyeléséhez és a spektrumok megszerzéséhez a Mössbauer atomok állapotának az emitterben és az abszorberben azonosnak kell lennie. A rezonanciára hangolás a forrás vagy az abszorber sebességgel történő mozgatásával történik V. Energiaváltozás a Doppler-effektus miatt. A magszint szélességéhez és a működési sebességek .

Adszorpciós változatban JGR A sugárzás forrása az atommagok, amelyek a K-héjból saját elektronjukat befogva gerjesztett állapotban 136,4 KeV energiájú vasmagokká alakulnak. Ez az állapot 14,4 keV energiájú metastabil állapotot képez, amelyet a vas Mössbauer-spektroszkópiájában használnak. A Mössbauer-spektrumok lehetővé teszik a nanoklaszterek méretének meghatározását az 1-10 nm-es tartományban az anyag ismert anizotrópiai állandója mellett. Az ábra vas-oxid nanoklaszterek szuperparamágneses Mössbauer-spektrumait mutatja különböző mérési hőmérsékleteken. A nanoklasztereket vas-oxalát bomlásának szilárd fázisú kémiai reakciójával állítottuk elő .

Mössbauer spektroszkópia– az atommagok és ionok mikroszkopikus objektumainak tanulmányozására szolgáló módszerek összessége. kémiai és biológiai komplexek szilárd anyagokban.

A legfontosabb alkalmazások a Mössbauer-vonalak eltolódásai és hiperfinom felhasításai, amelyek az atommag elektromos és mágneses momentumainak kölcsönhatásával összefüggésben állnak az intrakristályos mezőkkel, ami a magszintek felhasadását okozza.

Kémiai (izomer) eltolódás A Mössbauer-vonal akkor figyelhető meg, ha a forrás és az abszorber kémiailag nem azonos.

Az emissziós és abszorpciós vonalak eltolódása például az iontöltés változásakor 32 mm/s 0,1 mm/s mérési pontossággal. Ez lehetővé teszi a közeli ionok nagysága és elektronegativitása közötti összefüggés megállapítását.

ábra A Mössbauer-vonal kémiai izomer eltolódása két neptúniumionra.

A nukleáris szintek kvadrupólusos felosztása, ami a Mössbauer-spektrum vonalainak felhasadásához vezet, az atommag elektromos kvadrupólmomentumának és a kristály elektromos mezejének gradiensének kölcsönhatásából adódik (a környezet nem köbös szimmetriájával). A hasított vonalak távolsága 3/2-es spinű magra vonatkozik.

Ahol - z- az elektromos tér gradiens tenzorának (EFG) alkotóeleme a magon. - a GEP tenzor aszimmetria paramétere.

A rezonáns atommagot tartalmazó ion saját elektronhéjának polarizációja miatt a rés gradiense időket, sőt előjelet is válthat. .

Sternheimer faktor– az árnyékolásgátló tényező attól függ kémiai állapot rezonáns ion.

A kvadrupólhasadási spektrumok mérése információt nyújt a szilárd mátrix szerkezetéről és elektronikus tulajdonságairól. Például egy magas hőmérsékletű szupravezető magjainak abszorpciós spektrumában (szupravezető átmeneti hőmérséklet 72 NAK NEK) az ionoknak 3 kvadrupól dublett van Fe ionok cseréje Cu szerkezeti helyzetekben, különböző oxigén környezettel. Kémiai eltolások három pozícióban Fe azonosak és közel állnak a fémvas nyírásához, ᴛ.ᴇ. sűrűség s-az elektronok megközelítőleg azonosak minden rácshelyen. Ez azt jelenti, hogy egy adott szupravezető vegyértékelektronjai delokalizálódnak a kristályban.

Mágneses ultrafinom hasítás a magszinteket és a Mössbauer-vonalakat az atommag mágneses momentumának és az atommag helyén kialakuló mágneses tér kölcsönhatása okozza. A mágneses hiperfinom kölcsönhatás energiája arányos a magmágneses momentum és a lokális mágneses momentum szorzatával, amit általában hiperfinomnak neveznek. mágneses mező. Ez a kölcsönhatás felosztja a nukleáris állapotot 2I+1 Zeeman alszintezi a távolságot, amely egyenlő a ( én-a mag spinje). A Mössbauer-spektrumban a hiperfinom szerkezeti komponensek száma megegyezik az atommag gerjesztett és alapállapotának Zeeman-alszintjei közötti átmenetek számával, amelyet a mágneses szelekciós szabály engedélyez. kvantumszám. Az állapotok közötti mágneses dipólus átmenethez ( ) A mágneses hiperfinom szerkezet 6 komponense figyelhető meg a Mössbauer-spektrumban.

A Mössbauer-spektrum vonalainak ultrafinom szerkezete a paramágnesikában

Bemutatjuk az alumínium-nitrátban lévő szennyező vasionok spektrumát, amely három Kramers dublett spektrumából áll, amelyekre a vasion Fe 3+ alapállapota fel van osztva.

Következtetés. A Mössbauer-spektroszkópia lehetővé teszi, hogy egy kísérletben meghatározzuk a Mössbauer-effektus valószínűségét, a hőmérséklet-eltolódás nagyságát és a kémiai eltolódást. Kvadrupólus és mágneses hasítások, egyes alkatrészek vonalformái. Ez a Mössbauer-spektrumok hőmérséklet, nyomás, mágneses és elektromos mezők, ultrahang és rádiófrekvenciás sugárzás általi befolyásolásának képességével párosul. Az egyetlen oszloptól a hatalmas mintáig terjedő méretű objektumok tanulmányozásának képessége a Mössbauer-spektroszkópiát egyedülálló módszerré teszi a fizikai és kémiai tulajdonságok szilárd anyagok

Mössbauer-effektus (nukleáris gamma-rezonancia) - fogalma és típusai. A "Mossbauer-effektus (nukleáris gamma-rezonancia)" kategória osztályozása és jellemzői 2017, 2018.

Az atommagok energiája kvantált. Amikor egy atommag gerjesztett állapotból alapállapotba megy át, energiával rendelkező -kvantum bocsát ki. A legtöbb valószínű érték ez az energia egy végtelenül nehéz szabad atommag esetében egyenlő az alapállapotának és a gerjesztett állapotának energiáinak különbségével: . A fordított folyamat egy közeli energiájú g-kvantum abszorpciójának felel meg.

Ha azonos atommagok gyűjteményét azonos szintre gerjesztjük, a kibocsátott kvantumok energiáját az átlagérték körüli szórás jellemzi.

1.13. ábra: Az elektromágneses kvantumok kibocsátásával és abszorpciójával (a) lejátszódó kvantumátmeneteket ábrázoló diagram, valamint az emissziós és abszorpciós vonalak megjelenése optikai (b) és nukleáris (c) esetekben.

Az abszorpciós vonal kontúrját ugyanaz a kapcsolat írja le, mint az emissziós vonal kontúrját (1.13. ábra). Nyilvánvaló, hogy a rezonáns abszorpció hatása elektromágneses sugárzás optikai tartomány, amikor a gerjesztett atomok elektronjainak alacsonyabb elektronszintekre való átmenete során kibocsátott optikai kvantumokat egy azonos típusú atomokat tartalmazó anyag rezonánsan elnyeli. A statikus rezonáns abszorpció jelensége jól megfigyelhető például nátriumgőzben.

Sajnos a rezonáns magabszorpció jelensége szabad magokon nem figyelhető meg. Ennek oka, hogy a nehéz atommagok (atomok) modellje, amikor a visszarúgásból eredő energiaveszteségek kicsik, optikai rezonanciára érvényes, magrezonanciára pedig teljesen alkalmatlan. A nukleáris átmenetek során kibocsátott gamma sugarak lényegesen többel rendelkeznek nagy energia– több tíz és száz keV (a látható tartományban lévő kvantumokhoz képest több tíz eV). Összehasonlítható élettartam-értékekkel és ennek megfelelően a nukleáris esetben az elektronikus és nukleáris szintek természetes szélességének közeli értékeivel a visszarúgási energia sokkal jelentősebb szerepet játszik a kibocsátásban és az abszorpcióban:

ahol az atommag visszarúgási impulzusa nagysága megegyezik a kibocsátott kvantum lendületével, m az atommag (atom) tömege.

Ezért optikai esetben nem figyelhető meg a szabad magokon rezonancia (lásd 1.13 b és c ábra).

Rudolf Mössbauer az Ir izotóp által kibocsátott -kvantumok abszorpcióját tanulmányozva, egy Ir kristályban fedezték fel a jóslatokkal ellentétben klasszikus elmélet, a -kvantumok fokozott szórása alacsony hőmérsékleten (T≈77K). Kimutatta, hogy a megfigyelt hatás az Ir atommagok -kvantumainak rezonáns abszorpciójával függ össze, és magyarázatot adott ennek természetére.

A Mössbauer-effektussal kapcsolatos kísérletekben nem magukat az emissziós (vagy abszorpciós) vonalakat mérik, hanem a rezonancia-abszorpciós görbéket (Mössbauer-spektrumok). A gamma-magrezonancia módszer egyedülálló alkalmazásai a kémiában és a szilárdtestfizikában abból adódnak, hogy a Mössbauer-spektrumot alkotó egyes rezonanciavonalak szélessége kisebb, mint az atommag mágneses és elektromos kölcsönhatásainak energiái. körülvevő elektronok. Mössbauer-effektus hatékony módszer az ezeket a kölcsönhatásokat befolyásoló jelenségek széles körének vizsgálata.

A legegyszerűbb séma A Mössbauer-effektus megfigyelése az átviteli geometriában magában foglal egy forrást, egy abszorbert (a vizsgált anyag vékony mintáját) és egy g-ray detektort (1.14. ábra).

Rizs. 1.14 A Mössbauer-kísérlet vázlata: 1 – elektrodinamikus vibrátor, beállítás különböző jelentések forrás sebessége; 2 – Mössbauer forrás; 3 – a Mössbauer izotóp magjait tartalmazó abszorber; 4 – az abszorberen áthaladó g-kvantumok detektora (általában arányos számláló vagy fotosokszorozó).

A -sugarak forrásának bizonyos tulajdonságokkal kell rendelkeznie: a mag felezési ideje hosszú, amelynek bomlása esetén egy rezonáns izotóp magja születik gerjesztett állapotban. A Mössbauer-átmenet energiája legyen viszonylag alacsony (hogy a visszarúgási energia ne haladja meg az atom és a kristályrács helyének elmozdításához szükséges energiát), az emissziós vonal legyen keskeny (ez biztosítja nagy felbontású) és a háttérmentes sugárzás valószínűsége magas. A g-kvantumok forrását leggyakrabban egy Mössbauer-izotóp fémmátrixba történő bejuttatásával nyerik diffúziós lágyítással. A mátrix anyagának dia- vagy paramágnesesnek kell lennie (a nukleáris szintek mágneses hasadása kizárt).

Abszorberként vékony, fólia vagy por alakú mintákat használnak. A szükséges mintavastagság meghatározásakor figyelembe kell venni a Mössbauer-effektus valószínűségét (tiszta vas esetén az optimális vastagság ~20 µm). Az optimális vastagság a vékony abszorberrel való munkavégzés szükségessége és a nagy abszorpciós hatás közötti kompromisszum eredménye. A mintán áthaladó fotonok regisztrálására a legszélesebb körben a szcintillációs és az arányos számlálókat használják.

A rezonáns abszorpciós spektrum (vagy Mössbauer-spektrum) megszerzése magában foglalja a rezonanciaviszonyok megváltoztatását, amihez szükség van a -kvantumok energiájának modulálására. A jelenleg használt modulációs módszer a Doppler-effektuson alapul (leggyakrabban a sugárforrás elnyelőhöz viszonyított mozgását adják meg).

A g-kvantum energiája a Doppler-effektus hatására mennyiségével változik

ahol a forrás mozgási sebességének abszolút értéke az abszorberhez viszonyítva; с – fénysebesség vákuumban; – a forrás mozgási iránya és a g-kvantumok kibocsátási iránya közötti szög.

Mivel a kísérletben a szög csak két értéket vesz fel =0 és , akkor ∆E ​​= ( pozitív előjel közeledésének felel meg, negatív pedig - a forrás eltávolításának az abszorberből).

Rezonancia hiányában, például ha nincs rezonáns izotóp magja az abszorberben, vagy ha a Doppler-sebesség nagyon nagy (ami a rezonancia tönkremenetelének felel meg a kvantum energia túl nagy változása miatt ), az abszorber irányában kibocsátott sugárzás maximális része a detektor mögött elhelyezkedőt éri. A detektorból érkező jelet felerősíti, és az egyes fotonokból származó impulzusokat az analizátor rögzíti. Általában a fotonok számát egyenlő ideig rögzítik különböző időpontokban. Rezonancia esetén a g-kvantumokat az abszorber tetszőleges irányban elnyeli és újra kibocsátja (1.14. ábra). A detektorba jutó sugárzás hányada csökken.

A Mössbauer-kísérlet az abszorberen keresztül továbbított sugárzás intenzitásának (a detektor által regisztrált impulzusok számának) a forrás relatív sebességétől való függését vizsgálja. Az abszorpciós hatást az arány határozza meg

ahol a detektor által meghatározott idő alatt a Doppler-sebességérték mellett rögzített g-kvantumok száma (a kísérletben diszkrét sebességkészletet használunk); – ugyanez a -ra, ha nincs rezonáns abszorpció. A vasötvözetek és -vegyületek rezonancia-abszorpciós görbéjének függőségei és alakja ±10 mm/s-on belül van.

A Mössbauer-effektus valószínűségét a kristályok fononspektruma határozza meg. Alacsony hőmérséklet tartományban () a valószínűség az egységhez közeli értékeket éri el, a magas hőmérséklet () tartományban pedig nagyon kicsi. Ha egyéb dolgok megegyeznek, a háttér nélküli abszorpció és emisszió valószínűsége nagyobb a kristályokban magas hőmérsékletű Debye (meghatározza az atomközi kötések merevségét).

A hatás valószínűségét a kristályrácsban lévő atomok rugalmas rezgési spektruma határozza meg. A Mössbauer-vonal akkor intenzív, ha az atomi rezgések amplitúdója kicsi a z-kvantum hullámhosszához képest, azaz. alacsony hőmérsékleten. Ebben az esetben az emissziós és abszorpciós spektrum egy keskeny rezonanciavonalból (háttér nélküli folyamatok) és egy széles komponensből áll, amely a rács rezgésállapotainak változása miatt következik be a z-kvantumok emissziója és abszorpciója során (utóbbi szélessége). hat nagyságrenddel nagyobb, mint a rezonanciavonal szélessége).

Az atomközi kötés anizotrópiája a rácsban meghatározza az atomi rezgések amplitúdójának anizotrópiáját, és ebből következően a háttér nélküli abszorpció eltérő valószínűségét különböző krisztallográfiai irányokban. Egykristályoknál nemcsak átlagos, hanem szögfüggések is mérhetők így.

A vékony abszorber közelítésben a háttér nélküli átmenetek valószínűsége arányos a rezonáns abszorpciós görbe alatti területtel.

A gamma-magrezonancia segítségével tanulmányozható a rácsban lévő szilárd vagy szennyező atomok rácsának rezgési tulajdonságai. A legkényelmesebb kísérleti paraméter ebben az esetben az S spektrális terület, mivel ez egy integrált jellemző, és nem függ a rezonanciakvantumok emissziós spektrumának alakjától és a forrás önabszorpciójától. Ez a terület megmarad, ha a spektrum több komponensre oszlik hiperfinom kölcsönhatások következtében.

A vékony abszorber legegyszerűbb rezonancia-abszorpciós spektruma egy Lorentzi-alakú vonal. Az abszorberen áthaladó sugárzás intenzitása minimális az abszorpciós maximumon.

Példaként az ábrán. Az 1.15. ábra a tiszta vas Mössbauer-spektrumát mutatja.

Rizs. 1,15 A tiszta vas Mössbauer-spektruma.

Abból, hogy az atommagok emissziós spektruma az atomok és molekulák emissziós spektrumaihoz hasonlóan keletkezik, szinte kézenfekvőnek tűnt, hogy a gerjesztett állapotból normál állapotba való átmenet során bizonyos gyakorisággal gamma-sugarakat kibocsátó atommagok normál állapotban szelektíven elnyelik ugyanazokat a kvantumokat. A gamma-kvantum rezonáns abszorpciója során az atommagot gerjesztett állapotba kell vinni, ahogy a fényelnyelés egy atomot vagy molekulát gerjesztett állapotba. Azonban a próbálkozások

A gamma-kvantumok rezonáns abszorpciójának kísérleti kimutatása ugyanazon atommagok által, amelyekkel ezeket a kvantumokat kibocsátották, sokáig nem volt meggyőző.

A gamma-kvantumok rezonáns abszorpciójának kimutatására irányuló kísérletek negatív eredményeinek egyszerű magyarázata van. Ha egy mag átmenete gerjesztett állapotból normál állapotba egy gamma-kvantum kibocsátása révén történik, akkor ennek a kvantumnak az energiája nem pontosan egyenlő a gamma-megmaradás törvénye szerint az energiakülönbséggel kvantum emittálódik, az atommag a kibocsátott gamma-kvantum impulzusával megegyező lendületet vesz fel, és az ellenkező irányú oldalra irányul. Az atommag visszarúgást tapasztal foton kibocsátásakor, mint egy fegyver, amikor kilövik. Ebben a tekintetben a felszabaduló energia megoszlik a gamma-kvantum és az atommag között. Következésképpen a fotonenergia kisebb, mint a visszarúgást átélt mag kinetikus energiájának különbsége:

Világos, hogy ennek a gamma-kvantumnak az energiája kevesebb energia, amely szükséges ugyanannak a kernelnek a átviteléhez normál állapot izgatott:

R. Mössbauer német fizikus 1958-ban kimutatta, hogy egyes kristályokban olyan feltételeket lehet teremteni, amelyek mellett a gamma-kvantum kibocsátása során a visszarúgás impulzusa nem az egyes magokra, hanem az egész kristályra továbbítódik. Ebben az esetben a kristály kinetikus energiájának változása a nagy tömege miatt (egy atommag tömegéhez képest) megközelíti a nullát, és a kibocsátott gamma-kvantumok energiája szinte pontosan megegyezik a különbséggel. amikor egy ilyen gamma-kvantum sugarát átengedik egy mintán, amely ugyanazon izotóp atommagjait tartalmazza, rezonancia-abszorpció figyelhető meg.

A Mössbauer-effektus figyelemre méltó jellemzője az abszorpciós spektrumvonal szokatlanul kis szélessége, azaz a rezonáns abszorpciós csúcs keskenysége. Például vasizotóp használatakor a rezonancia megszakad, ha a gamma-kvantum frekvenciája a frekvenciájának egy összetevőjével megváltozik.

Ez azt jelenti, hogy lehetővé válik egy gamma-kvantum energiájának olyan mértékű változásának regisztrálása, amely az eredeti értékének töredéke!

A Mössbauer-effektus lehetővé tette a modern fizika egyik legfinomabb kísérletének – a spektrális gravitációs vöröseltolódás felfedezésének – elvégzését.

vonalak. A gravitációs vöröseltolódás meglétét jósolták általános elmélet relativitás. Ennek a hatásnak a leegyszerűsített magyarázatát mutatjuk be itt, amely a tömeg és az energia kapcsolatának törvénye alapján történik.

Az energiával rendelkező gamma-fotonnak tömege van.