3. Branduolinės geofizikos metodai.

1) Radiometriniai metodai. Jie tiria natūralius radioaktyvius laukus arba natūralius radioaktyvius elementus.

Aero γ šaudymas

Uolienų γ lauko tyrimas iš oro. Metodas naudojamas geologiniam kartografavimui, lūžių zonoms ir tektoniniams trikdžiams tirti, radioaktyviųjų ir neradioaktyvių (kuriems nustatytas genetinis ryšys su radioaktyviais) elementų paieškai. Metodas turi labai didelį produktyvumą. Per darbo dieną galima nušauti iki 200 km2. Šiuo atžvilgiu metodas nėra brangus. Metodas taip pat turi didelių trūkumų:

1) Nedidelis metodo gylis;

2) Mažas jautrumas, kai yra atrinktų laisvų nuosėdų;

3) Mažas jautrumas skrendant dideliame aukštyje.

Tačiau šis metodas yra labai plačiai naudojamas praktikoje.

Automatinis γ šaudymas

Metodas turi daug bendro su aero-γ tyrimu, jis taikomas praktiškai sprendžiant tas pačias problemas. Turi tuos pačius trūkumus ir tuos pačius privalumus. Apklausa gali būti maršrutas, gali būti sritis. Maršrutas yra žvalgybinio pobūdžio, dažniausiai vykdomas prieš areną. „Areal“ yra plačiau naudojamas, dažniausiai jis atliekamas perspektyviose vietovėse. O detalizuojant aero-γ-anomaliją.

Pėsčiųjų γ šaudymas

Paprasčiausias γ šaudymo tipas. Jis naudojamas sprendžiant visas tas užduotis, apie kurias jau kalbėjome, tačiau dideliu mastu ir išsamiai. Be to, jis naudojamas dirbant sunkiai pasiekiamose vietose, kur negalite naudotis nei automobiliu, nei lėktuvu. Jis taip pat naudojamas nespecializuotose geologų komandose (ne geofizikų, o geologų).

Emanacijos šaudymas

Tai radioaktyviųjų dujų (emanacijų) koncentracijos dirvožemio ore arba iš uolienų ištraukiamame ore tyrimas. Skildami radioaktyviose šeimose susidaro radioaktyviosios dujos:

Šios dujos nuolat susidaro uolienose, nes ten yra jų protėviai. Metodas naudojamas ieškant radioaktyviųjų urano ir torio rūdų; tirti lūžių zonas, tektoninius trikdžius; sprendžiant daugelį inžinerinių-geologinių problemų, susijusių su uolienų lūžimu ir susilpnėjusiomis vietomis (karstas, nuošliauža); aplinkosaugos problemoms spręsti (radonui).

Uranometrinis tyrimas (litogeocheminis)

Tai urano kiekio pamatinėse uolienose arba biriose uolienose tyrimas. Šis metodas yra geocheminis. Tai yra tiesioginis urano metodas. Urano kiekis uolienose yra maždaug 10-5 - 10-4%, tai yra vadinamasis geocheminis fonas. Kai kuriuose kūnuose koncentracija gali pakilti iki kelių pirmųjų procentų ir susidaro rūdos kūnas. Rūdos kūne vyksta atmosferos procesai ir aplink jį susidaro išsibarsčiusi areola. 9.2 pav. Todėl apklausą sudaro sklaidos srautų paieška, tada aureolių sklaida. Tyrimo metu imami uolienų mėginiai. Šių mėginių analizė pagrįsta natrio fluorido NaF gebėjimu švytintis, kai jį veikia ultravioletinė spinduliuotė.

Radiohidrogeologinis tyrimas (hidrogeocheminis tyrimas)

Tai radioaktyviųjų elementų, o dažniausiai urano, radžio ir radono, turinio tyrimas vandenyse. Jis pagrįstas tuo, kad radioaktyvieji elementai, ypač radis, labai gerai migruoja oksiduojančioje aplinkoje, todėl yra pernešami dideliais atstumais nuo paties telkinio. Dėl to randami „aklieji“ rūdos kūnai (guli giliai, jų nesimato), iki 50-70 m gylyje, o kalnuotuose regionuose dar daugiau.

Biogeocheminis tyrimas

Radioaktyviųjų elementų kiekio augalų pelenuose tyrimas. Arba surasti augalus, kuriuose kai kurie elementai veikia palankiai arba slegia. Klasikinis pavyzdys: kai kurios ostrogalų rūšys auga tik dirvose, kuriose yra daug seleno. O selenas yra urano palydovas. Žinoma, šis metodas atliekamas kartu su kai kuriais pagrindiniais metodais. Nustatant radioaktyviųjų elementų kiekį izoliuotai sudaromas žemėlapis, nustatomas ir analizuojamas fonas.

Geocheminių metodų trūkumas yra sudėtingumas ir didelė analizės kaina. Teigiamos savybės yra tikslumas ir didesnis gylis.

2) Branduoliniai geofiziniai metodai

Tai metodai, kurių metu uolienos apšvitinamos arba γ šaltiniu, arba neutronų šaltiniu ir tiriami šie pro uolieną praėję laukai arba tokio švitinimo metu atsirandantys reiškiniai.

Gama-gama metodas

Tai γ lauko tyrimas iš šaltinio, kuris praėjo per uolą. Jis naudojamas tiriant uolienų tankį (GGM-p) ir efektyvųjį terpės atominį skaičių (GGM-s). Šis metodas, kaip ir dauguma branduolinių geofizinių metodų, yra naudojamas medienos ruošos versijoje, o tai labai svarbu nustatant parametrus natūraliomis sąlygomis. Kai uolienos apšvitinamos γ šaltiniu, intensyvumo sumažėjimas yra susijęs su uolienų medžiagos sudėties ir tankio pasikeitimu. Iš esmės šie du veiksniai turi įtakos spinduliuotės intensyvumui. Buvo nustatyta, kad Compton efektas daugiausia susijęs su uolienų tankio pasikeitimu. Nors medžiagos sudėtis praktiškai neturi įtakos. Todėl uolienų tankiui tirti naudojamas vidutinių energijų (nuo 0,5 iki 1,5 MeV) γ kvantų šaltinis. Esant mažiau energijos, vyraus fotoelektrinis efektas, o esant daugiau energijos – porų susidarymas

Rentgeno radiometrinis metodas (PPM arba PPK)

Jį sudaro uolienų švitinimas mažos energijos gama kvantais ir būdingos rentgeno spinduliuotės, kuri atsirado šiuo atveju, registracija. Jis naudojamas tiriant medžiagos sudėtį, t.y. daugumos elementų, kurių z> 30, analizei, taip pat kai kuriems elementams z = 20 - 30, daugumos metalų nustatymui. Metodas pagrįstas tuo, kad uolienas apšvitinant mažos energijos γ-kvantais (5 - 120 keV). Šiuo atveju, kartu su fotoelektriniu efektu, atsiranda būdinga rentgeno spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 10-5 - 10-12 cm. Be to, didėjant Ebound / Eγ santykiui, didėja spinduliuotės atsiradimo tikimybė. Ebondas yra elektrono ant apvalkalo energija. Ši trupmena yra teisinga. Kiekvieno elemento jungtis yra griežtai apibrėžta, todėl norint ištirti atskirą elementą, reikia griežtai pasirinkti emiterį.

Branduolinio gama rezonanso (NGR) metodas

Šis metodas pagrįstas Mössbauer efektu, kuris susideda iš to, kad kai kuriuose branduoliuose, apšvitinus mažos energijos γ-kvantais (mažiau nei 50 keV), kartu su fotoabsorbcija atsiranda rezonanso sugertis ir γ-kvantų sklaida. Šis efektas vadinamas Mössbauer efektu. Konkrečiai, alavas yra Mössbauer branduoliai, todėl šiuo metodu nustatomas kasiteritas SnO2, izotopas Sn119. Be to, kai kurie lantanidai yra Mössbauer branduoliai: 66Dy161 (disprosis), 68Er151 (erbis). Fe57. Skysto azoto temperatūroje (-194 ° C) daugelis branduolių yra Mössbauer.

Fotoneutronų metodas (gama-neutronų metodas GNM)

Jį sudaro uolienų apšvitinimas didelės energijos γ-kvantais ir atsiradusio neutronų lauko registravimas. Branduolio viduje esantys neutronai yra surišti branduolinių jėgų, tačiau apšvitinus didelės energijos γ-kvantais, neutronai išmušami iš branduolių.

Neutronų-neutronų metodas (NNM, NNK)

Uolienų švitinimas neutronais ir šio lauko tyrimas praplaukus uolieną. Jis naudojamas tiriant neutronus sugeriančių elementų turinį ir kai kurias fizikines uolienų savybes (daugiausia poringumo koeficientą). Kai neutronai praeina per medžiagą, pirmiausia jie sulėtėja, o vėliau juos sugeria neutronus sugeriantys elementai. Visų pirma, boras, chloras, jodas, manganas ir tt Jis dažnai naudojamas tiek lauko versijoje, tiek medienos ruošoje. Metodas labai dažnai naudojamas šulinių kirtimui.

Neutronų gama metodas

Jis turi daug bendro su LNM, nes naudojami tie patys neutronų šaltiniai ir matuojamas susidaręs gama laukas. Metodas naudojamas sprendžiant praktiškai tas pačias problemas kaip ir NNM: uolienų fizikinių savybių, poringumo koeficiento ir neutronus sugeriančių elementų tyrimui.

Aktyvinimo analizė

Tai vienas iš branduolinių geofizinių metodų. Jį sudaro stabilių uolienų elementų apšvitinimas γ-kvantų arba n šaltiniu ir gautų radioaktyviųjų izotopų skilimo greičio tyrimas. Remiantis šia analize, nustatomas susidaręs radioaktyvusis izotopas, žinant spinduliuotės šaltinį, nustatomas pradinis, neradioaktyvus izotopas, esantis uolienoje. Ir remiantis etaloniniais šio elemento matavimais, taip pat nustatoma šio neradioaktyvaus izotopo koncentracija. O žinant šio izotopo paplitimą bendrame elemento izotopo mišinyje, nustatoma paties elemento koncentracija.

Branduolių energija yra kvantuota. Kai branduolys pereina iš sužadintos būsenos į pagrindinę būseną, išspinduliuojamas kvantas su energija. Kuo daugiau galimos šio e energijos be galo tingiam laisvam branduoliui yra skirtumas tarp jo pagrindinės ir sužadintos būsenos energijų: ... Atvirkštinis procesas atitinka r-kvanto, kurio energija yra artima, absorbciją.

Sužadinus panašių branduolių rinkinį tame pačiame lygyje, skleidžiamų kvantų energija pasižymės tam tikra sklaida aplink vidutinę vertę.

1.13 pav. Diagrama, iliustruojanti kvantinius perėjimus su elektrinių kvantų emisija ir absorbcija (a) ir spinduliuotės bei sugerties linijų forma optiniais (b) ir branduoliniais (c) atvejais.

Sugerties juostos kontūras apibūdinamas tokiu pačiu ryšiu kaip ir emisijos juostos kontūras (1.13 pav.). Akivaizdu, kad elektrinės spinduliuotės rezonansinės sugerties poveikis optiniame spektre, kai optinis kvantai, išskiriami per sužadintų atomų elektronų perėjimą į pagrindinį Tai reiškia, kad elektrinius lygius rezonansiškai sugeria medžiaga, kurioje yra tos pačios rūšies atomų. Statinio rezonanso sugerties reiškinys puikiai stebimas, pavyzdžiui, ant natrio garų.

Deja, laisvųjų branduolių rezonansinės branduolinės absorbcijos fenomenas nepastebimas. Priežastis ta, kad sunkiųjų branduolių (atomų) modelis, kai energijos nuostoliai atatrankai mažų atžvilgiu yra maži, galioja optiniam rezonansui ir visiškai nepritaikomas branduoliniam rezonansui. Gama kvantai, išskiriami branduolinių perėjimų metu, turi žymiai didesnę energiją – dešimtis ir šimtus keV(palyginti su keliomis dešimtimis eV fotonų matomoje srityje). Esant panašioms eksploatavimo trukmės vertėms ir atitinkamai artimoms natūralaus elektrinio ir branduolinio lygio pločio vertėms branduoliniame korpuse, dar svarbesnį vaidmenį emisijoje ir sugertyje atlieka atatrankos energija:

kur branduolio atatrankos impulsas, dydžiu lygus skleidžiamo kvanto impulsui, m yra branduolio (atomo) masė.

Todėl optiniu atveju rezonansas ant laisvųjų branduolių nepastebimas (žr. 1.13 pav. b ir c). Rudolfas Mössbaueris, tirdamas Ir izotopo skleidžiamų γ-kvantų absorbciją, Ir kristale, priešingai nei pranašaujama, rastas t. tradicinė teorija, padidinta sklaida- kvantai žemoje temperatūroje (T≈77K). Jis parodė, kad pastebėtas poveikis yra susijęs su γ-kvantų rezonansine absorbcija Ir atomų branduoliuose, ir paaiškino jo prigimtį.

Atliekant Mössbauerio efekto eksperimentus, matuojamos ne pačios emisijos (ar sugerties) juostos, o rezonanso sugerties kreivės (Mössbauer diapazonai). Unikalūs branduolinio gama rezonanso metodo įgyvendinimai chemijoje ir kietojo kūno fizikoje pateisinami tuo, kad Mössbauer diapazono komponentų plotis yra l. rezonanso linijos yra mažesnės nei magnetinės energijos o branduolio elektroninės sąveikos su jį supančiais elektronais. Mössbauer efektas yra galingas būdas ištirti įvairius reiškinius, turinčius įtakos šiai sąveikai.

Paprasta schema, skirta stebėti Mössbauer efektą r perdavimo geometrija apima šaltinį, absorberį (siauras tiriamos medžiagos standartas) ir r spindulių jutiklį (1.14 pav.).

Ryžiai. 1.14 Mössbauer eksperimento schema: 1– elektrodinaminis vibratorius, nustatantis skirtingas šaltinio greičio reikšmes; 2 - Mössbauer šaltinis; 3 - absorberis, kuriame yra Mössbauer izotopo branduoliai; 4 - r kvantų, praeinančių per absorberį, jutiklis (dažniausiai proporcingas skaitiklis arba fotodaugiklio vamzdelis).

γ spindulių šaltinis turi pasižymėti tam tikromis savybėmis: turi turėti ilgą branduolio pusamžį, kuriam irimo atveju rezonansinio izotopo branduolys gimsta sužadintas. Mössbauer perėjimo energija turėtų būti palyginti maža ( kad atatrankos energija neviršytų energijos, reikalingos atomui ir kristalinės gardelės vietai išstumti), emisijos linija yra siaura (tai užtikrina didžiausią skiriamąją gebą), o befoninės emisijos galimybė yra didelė. Daugeliu atvejų r-kvantų šaltinis gaunamas difuzinio atkaitinimo būdu įvedant Mössbauer izotopą į geležies matricą. Matricos medžiaga turi būti dia- arba paramagnetinė (magnetinis branduolių lygių padalijimas neįtraukiamas).

Ploni etalonai folijos arba miltelių pavidalu naudojami kaip sugėrikliai. Nustatant reikiamą etalono storį, būtina atsižvelgti į Mössbauer efekto galimybę (neužterštos geležies geriausias storis ~ 20 μm). Geriausias storis I yra kompromiso tarp būtinybės dirbti su siauru absorberiu rezultatas ir turi didžiausią sugėrimo efektą. Scintiliacija ir proporciniai skaitikliai plačiau naudojami registruojant γ-kvantus, kurie praėjo standartą.

Norint gauti rezonanso sugerties diapazoną (arba Mössbauer diapazoną), reikia pakeisti rezonanso kriterijų, kodėl būtina moduliuoti kvantų energiją. Taikoma srovėje pagrįstas laiko moduliavimo metodu apie Doplerio efektą (daugeliu atvejų nurodomas r-kvantų šaltinio judėjimas absorberio atžvilgiu).

R-kvanto energija dėl Doplerio efekto keičiasi reikšme

kur yra absoliuti šaltinio greičio vertė absorberio atžvilgiu; c – šviesos greitis vakuume; - kampas tarp šaltinio judėjimo krypties ir r kvantų emisijos krypties.

Kadangi eksperimente kampas suvokia tik dvi reikšmes = 0 ir tada ∆E = (teigiamas simbolis atitinka artėjimą, ir neigiamas- šaltinio pašalinimas iš absorberio).

Nesant rezonanso, pavyzdžiui, kai absorberyje nėra rezonansinio izotopo šerdies arba kai Doplerio greitis yra labai didelis (tai atitinka rezonanso sunaikinimą dėl labai didžiulės energijos kvanto konfigūracijos). ), didžioji dalis spinduliuotės, skleidžiamos absorberio kryptimi, patenka į už jo esantį jutiklį.

Signalas iš jutiklio yra sustiprinamas, o impulsus iš atskirų γ kvantų registruoja analizatorius. Paprastai registruojant numerį - kvantai tiems patiems laiko intervalams skirtingais. Rezonanso atveju r kvantus absorberis sugeria ir pakartotinai išspinduliuoja atsitiktinėmis kryptimis (1.14 pav.). Į jutiklį patenkanti spinduliuotės dalis yra miniatiūrizuota.

Mössbauer eksperimente tiriama per absorberį perduodamos spinduliuotės intensyvumo (jutiklio registruojamų impulsų skaičiaus) priklausomybė nuo santykinio šaltinio greičio. Absorbcinis poveikis nulemta požiūrio

kur yra r-kvantų skaičius, kurį jutiklis užfiksavo tam tikrą laiką pagal Doplerio greičio vertę (eksperimente naudokite atskirą greičio rinkinį th); - tas pats, kai nėra rezonansinės sugerties. Geležies lydinių ir junginių priklausomybės ir rezonanso sugerties kreivės forma turi būti ± 10 mm/s intervale.

Mössbauer efekto galimybę lemia kristalų fononų diapazonas. Žemos temperatūros regione () galimybė pasiekia vertes, artimas vienybei, o didelės () srityje ji yra labai maža. Su kitais lygiais retorika, befoninio įsisavinimo galimybė o kristaluose su aukščiausia Debye temperatūra yra daugiau spinduliuotės (nustato tarpatominio ryšio kietumą).

Poveikio galimybę lemia atomų elastingų virpesių diapazonas kristalinėje gardelėje. Mössbauer linija yra intensyvi, jei atominių virpesių amplitudė yra maža, palyginti su r-kvanto bangos ilgiu, t.y. esant žemai temperatūrai. Šiuo atveju emisijos ir sugerties diapazonas susideda iš siaura rezonanso juosta (befoniniai procesai) ir platūs komponentai, dėl gardelės virpesių būsenų konfigūracijos spinduliuojant ir sugeriant r kvantus (pastarosios plotis yra 6 eilėmis didesnis už rezonanso juostos plotį).

Tarpatominio ryšio anizotropija gardelėje lemia atominių virpesių amplitudės anizotropiją ir, kaip seka, skirtingą nulinio fonono sugerties galimybę skirtingomis kristalografinėmis kryptimis. Tokiu būdu pavieniams kristalams galima išmatuoti ne tik vidutines, bet ir kampines priklausomybes.

Siauros sugerties aproksimacijos atveju nulinio fonono perėjimų galimybė yra proporcinga plotui po rezonanso sugerties kreive. Branduolinis gama rezonansas gali būti naudojamas tiriant šios gardelės kietosios medžiagos ar priemaišų atomų gardelės vibracinius parametrus. Patogesnis eksperimentinis p parametras šiuo atveju yra diapazono S plotas, nes tai yra neatsiejama savybė ir nepriklauso nuo rezonansinių kvantų emisijos diapazono formos ir savaiminės absorbcijos šaltinyje. Ši sritis išsaugoma, kai diapazonas suskaidomas į kelis komponentus dėl itin tikslios sąveikos.

Paprastas siauro absorberio rezonansinis sugerties diapazonas yra viena Lorenco linija. Praeities intensyvumas per spinduliuotės sugėriklį yra didžiausias mažas absorbcija. Pavyzdžiui, pav. 1.15 rodo nedėmėtos geležies Mössbauer diapazonus.

Ryžiai. 1.15 Mössbauer nesuteptos geležies serijos.

Mossba uera efektas kt, rezonansinė g-kvantų sugertis, stebima, kai g-spinduliavimo šaltinis ir absorberis yra kietieji kūnai, o g-kvantų energija yra maža (~ 150 keV). Kartais Mössbauer efektas vadinamas rezonansine absorbcija be atatrankos arba branduoliniu gama rezonansu (NGR).

1958 m. R. Mössbaueris atrado, kad branduoliuose, įtrauktuose į kietųjų medžiagų sudėtį, esant mažoms g-perėjimų energijoms, g-kvantų emisija ir absorbcija gali vykti neprarandant energijos atatrankai. Emisijos ir sugerties spektrai rodo nešališkas linijas, kurių energija tiksliai lygi g perėjimo energijai, o šių linijų pločiai yra lygūs (arba labai artimi) natūraliam pločiui G. Šiuo atveju emisijos ir sugerties linijos sutampa, todėl galima stebėti g kvantų rezonansinę absorbciją.

Šis reiškinys, vadinamas Mössbauer efektu, atsiranda dėl kolektyvinio judėjimo kietajame kūne. Dėl stiprios sąveikos kietose medžiagose atatrankos energija neperkeliama į atskirą branduolį, o paverčiama kristalinės gardelės vibracijos energija, kitaip tariant, atatranka veda į fononų gamybą. Bet jei atatrankos energija (apskaičiuota vienam branduoliui) yra mažesnė už vidutinę tam tikro branduolio fonono energiją, tada atatranka ne kiekvieną kartą paskatins fonono susidarymą. Tokiais „befoniniais“ atvejais atatranka nesikeičia. Kinetinė energija, kuri įgyjama kaip visuma suvokus g-kvanto atatrankos impulsą, yra nereikšminga. Šiuo atveju impulso perdavimas nebus lydimas energijos perdavimo, todėl emisijos ir sugerties linijų padėtis tiksliai atitiks E perėjimo energiją.

Tokio proceso tikimybė siekia kelias dešimtis %, jei g-perėjimo energija pakankamai maža; Praktikoje Mössbauer efektas stebimas tik esant D E »150 keV (didėjant E, didėja fonono susidarymo tikimybė atatrankos metu). Mössbauerio efekto tikimybė taip pat labai priklauso nuo. Dažnai, norint stebėti Mössbauer efektą, reikia atvėsinti g kvantų šaltinį ir absorberį iki skysčio arba skysčio, tačiau labai mažos energijos g perėjimams (pvz., E = 14,4 keV g perėjimui 57 Fe branduolio arba 23,8 keV g - 119 Sn branduolio perėjimas) Mössbauer efektas gali būti stebimas iki viršijant 1000 ° C. Jei visi kiti dalykai yra vienodi, tuo didesnė Mössbauerio efekto tikimybė, kuo stipresnė sąveika kietajame kūne, t.y., tuo didesnė fonono energija. Todėl kuo didesnė Mössbauerio efekto tikimybė.

Esminė rezonansinės sugerties be atatrankos savybė, pavertusi Mössbauerio efektą iš laboratorinio eksperimento į svarbų tyrimo metodą, yra itin mažas linijos plotis. Linijos pločio ir g-kvanto energijos santykis Mössbauerio efekto atveju yra, pavyzdžiui, 57 Fe branduoliams reikšmė "3´ 10 -13, o 67 Zn branduoliams" 5,2´ 10 -16. Tokie linijų pločiai nebuvo pasiekti net dujose, kurios yra siauriausių linijų šaltinis infraraudonųjų ir matomų elektromagnetinių bangų diapazone. Mössbauer efekto pagalba tapo įmanoma stebėti procesus, kuriuose g-kvanto energija skiriasi itin mažai (»G ar net nedidelėmis G dalimis) nuo absorberio branduolių pereinamosios energijos. Tokie energijos pokyčiai lemia emisijos ir sugerties linijų pasislinkimą viena kitos atžvilgiu, o tai reiškia, kad pasikeičia rezonansinės sugerties vertė, kurią galima išmatuoti.

Mössbauerio efekto panaudojimu pagrįstų metodų galimybes puikiai iliustruoja eksperimentas, kurio metu buvo galima laboratorinėmis sąlygomis išmatuoti elektromagnetinės spinduliuotės kvanto dažnio kitimą Žemės gravitaciniame lauke, numatytą Reliatyvumo teorija. Šiame eksperimente (R. Pound ir G. Rebka, JAV, 1959) g spinduliuotės šaltinis buvo 22,5 m aukštyje virš absorberio. Atitinkamas gravitacinio potencialo pokytis turėjo sąlygoti g kvanto energijos santykinį pokytį 2,5 × 10–15. Emisijos ir sugerties linijų poslinkis pasirodė atitinkantis teoriją.

Veikiant vidiniams elektriniams ir magnetiniams laukams, veikiantiems kietųjų medžiagų branduolius (žr.), taip pat veikiant išoriniams veiksniams (išoriniams magnetiniams laukams), gali įvykti branduolio energijos lygių poslinkiai ir skilimas, todėl pereinamosios energijos pokyčiai. Kadangi šių pokyčių mastas siejamas su mikroskopine kietųjų kūnų struktūra, emisijos ir sugerties linijų poslinkio tyrimas leidžia gauti informacijos apie kietųjų kūnų struktūrą. Šiuos poslinkius galima išmatuoti naudojant Mössbauer spektrometrus ( ryžių. 3). Jei g kvantus išspinduliuoja šaltinis, judantis greičiu v absorberio atžvilgiu, tai dėl Doplerio efekto g kvantų, patenkančių į absorberį, energija pasikeičia dydžiu Ev / c (branduoliams, paprastai naudojamiems Stebėkite Mössbauerio efektą, energijos pokytis E po G atitinka greičių v reikšmes nuo 0,2 iki 10 mm / s). Išmatavus rezonansinės sugerties vertės priklausomybę nuo v (Mössbauer rezonanso sugerties spektro), randama greičio, kuriuo emisijos ir sugerties linijos yra tikslaus rezonanso, t.y. kai sugertis yra didžiausia, reikšmė. V reikšmė naudojama stacionaraus šaltinio ir absorberio poslinkiui D E tarp emisijos ir sugerties linijų nustatyti.

Ant ryžių. 4, a rodo sugerties spektrą, susidedantį iš vienos linijos: emisijos ir sugerties linijos nėra pasislinkusios viena kitos atžvilgiu, ty yra tikslaus rezonanso, kai v = 0. Stebėtos linijos formą galima pakankamai tiksliai apibūdinti Lorentzian (arba Breit – Wigner) kreivės formulė), kurios plotis yra pusė 2G aukščio. Toks spektras stebimas tik tuo atveju, kai šaltinis ir absorberis yra chemiškai identiški ir kai juose esančius branduolius neveikia nei magnetiniai, nei nevienodi elektriniai laukai. Daugeliu atvejų spektrai turi keletą linijų (hipersmulki struktūra) dėl sąveikos su ne branduoliniais elektriniais ir magnetiniais laukais. Hipersmulkios struktūros charakteristikos priklauso tiek nuo branduolių savybių žemėje ir sužadintoje būsenoje, tiek nuo kietųjų kūnų struktūrinių ypatybių, tarp kurių yra spinduliuojantys ir sugeriantys branduoliai.

Svarbiausios sąveikos su ekstrabranduoliniais laukais rūšys yra elektrinės monopolio, elektrinio kvadrupolio ir magnetinio dipolio sąveikos. Elektrinė monopolio sąveika – tai branduolio sąveika su elektrostatiniu lauku, kurį branduolio srityje sukuria aplinkiniai; dėl to atsiranda d poslinkis ( ryžių. 4, b) jei šaltinis ir absorberis chemiškai nėra tapatūs arba jei elektrinio krūvio pasiskirstymas branduolyje nėra vienodas žemės ir sužadintos būsenose (žr.). Šis vadinamasis. izomerinis arba cheminis poslinkis yra proporcingas branduolio srityje, o jo dydis yra svarbi kietųjų medžiagų charakteristika (žr.). Pagal šio poslinkio mastą galima spręsti apie joninę ir kovalentinę prigimtį, apie in, apie, įtrauktą į kompoziciją ir kt. Cheminių poslinkių tyrimas taip pat leidžia gauti informacijos apie krūvio pasiskirstymą.

Svarbi Mössbauerio efekto charakteristika kietojo kūno fizikoje yra jo tikimybė. Mössbauer efekto tikimybės ir jo priklausomybės nuo 41 elemento izotopų atomų matavimas; Lengviausias iš jų yra 40 K, sunkiausias yra 243 At.

Lit .: Mössbauer efektas. Šešt. Art., red. Yu Kagan, M., 1962; Mössbauer R., RK efektas ir jo reikšmė tiksliems matavimams, rinkinyje: Mokslas ir žmonija, M., 1962; Frauenfelder G., Mössbauer efektas, vert. iš anglų k., M., 1964; G. Wertheim, Mössbauer efektas, vert. iš anglų k., M., 1966; VS, Gama spindulių rezonansas, M., 1969; Chemijos taikymas, trans. iš anglų kalbos, red. V. I. Gol'dansky [ir kiti], M., 1970; Mössbauer efektas. Šešt. straipsnių vertimai, red. N. A. Burgovas ir V. V. Sklyarevskis, vert. iš anglų, vokiečių, M., 1969 m.

N. N. Deljaginas.

Ryžiai. 3. Supaprastinta Mössbauer spektrometro schema; g-kvantų šaltinis mechaniniu arba elektrodinaminiu įtaisu yra nukreipiamas į grįžtamąjį judėjimą greičiu v absorberio atžvilgiu. G-spindulių detektorius naudojamas matuoti g kvantų, perėjusių per absorberį, srauto intensyvumo priklausomybę nuo greičio v.

Ryžiai. 4. G-kvantų Mössbauer rezonanso sugerties spektrai: I - g-kvantų srauto, perėjusio per absorberį, intensyvumas, v - g-kvantų šaltinio judėjimo greitis; a – atskiros emisijos ir sugerties linijos, nepaslinktos viena kitos atžvilgiu, kai v = 0; b – izomerinės arba cheminės linijos poslinkis. Poslinkis d yra proporcingas branduolio srityje ir kinta priklausomai nuo kietosios medžiagos savybių; c - kvadrupolio dubletas, stebimas 57 Fe, 119 Sn, 125 Te ir tt Skilimo vertė D yra proporcinga elektrinio lauko gradientui branduolio srityje: d - magnetinė hipersmulki struktūra, stebima magnetiškai sutvarkytų medžiagų sugerties spektruose. Atstumas tarp konstrukcijos komponentų yra proporcingas kietosios medžiagos branduolius veikiančio magnetinio lauko stipriui.

Ryžiai. 1. G kvantų emisijos ir rezonanso sugerties procesų schema; spinduliuojantys ir sugeriantys branduoliai yra vienodi, todėl jų sužadintų būsenų E "ir E" energijos yra lygios.

Ryžiai. 2. Emisijos ir sugerties linijų poslinkis E g -perėjimo energijos atžvilgiu; Г - linijų pločiai.

tas pats kaip Mössbauer efektas.

Laikrodžio vertė Branduolinis gama rezonansas kituose žodynuose

Gama- gerai. ital. muzikinė abėcėlė, laiptai, rokas muzikoje, eilė, garsų tvarka. | Užrašų lentelė su pirštų reikšme.
Dahlio aiškinamasis žodynas

Gama- svarstyklės. Trečioji graikų abėcėlės raidė. - spinduliai, gama spinduliai, vienetai. ne (fizinis) – tas pats kaip rentgenas.
Ušakovo aiškinamasis žodynas

Rezonansas- m. kun. liežuvis, dūzgimas, rojus, aidas, laisva diena, dūzgimas, atatranka, ištartas žodis; balso skambesys, pagal vietą, pagal kambario dydį; garsumas, muzikos instrumento garsumas, pagal prietaisą ......
Dahlio aiškinamasis žodynas

Branduolinės- branduolinis, branduolinis (specialusis). 1. Programėlė. iki šerdies 1 ir 5 reikšmėmis. sulčių. svorio. 2. App., Pagal vertę. susijęs su atomo branduoliu arba su ląstelės branduoliu (fiz., biol.). Branduolinė fizika. Bacilos branduolinė struktūra.
Ušakovo aiškinamasis žodynas

gama-- 1. Pirmoji prasmę įnešanti sudėtinių žodžių dalis: siejama su radioaktyviųjų medžiagų skleidžiama elektromagnetine spinduliuote (gama spinduliai, gama spektrometras, gama terapija ir kt.).
Efremovos aiškinamasis žodynas

Gama globulinas M.- 1. Vienas iš kraujo plazmos baltymų, turintis antikūnų ir naudojamas kaip gydomasis ir profilaktinis vaistas nuo tam tikrų infekcinių ligų.
Efremovos aiškinamasis žodynas

Gama spinduliuotė Vid.- 1. Radioaktyviųjų medžiagų skleidžiama trumpųjų bangų elektromagnetinė spinduliuotė.
Efremovos aiškinamasis žodynas

Gama kvantinis M.- 1. Gama spinduliuotės kvantas.
Efremovos aiškinamasis žodynas

Gama spinduliai Mn.- 1. Tas pats, kas: gama spinduliuotė.
Efremovos aiškinamasis žodynas

Gama nustatymas J.- 1. Aparatas, skirtas nukreiptam, reguliuojamam gama spinduliuotės pluoštui skleisti.
Efremovos aiškinamasis žodynas

Rezonanso M.- 1. Vieno kūno virpesių sužadinimas kito tokio paties dažnio virpesiais, taip pat vieno iš dviejų kūnų abipusis garsas, suderintas unisonu. 2. Gebėjimas sustiprinti .........
Efremovos aiškinamasis žodynas

gama-- Pirmoji sunkių žodžių dalis. Prisideda ženklas: susijęs su radioaktyviųjų medžiagų skleidžiama elektromagnetine spinduliuote (gama spinduliuote). Gama analizė, gama blykstė, ......
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama astronomija- ) -ir; f. Astronomijos šaka, susijusi su kosminių kūnų tyrimais pagal jų gama spinduliuotę.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama sprogimas- ) -a; m. Trumpalaikis kosminės gama spinduliuotės stiprinimas. Stebėkite gama spindulių pliūpsnius.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama globulinas- ) -a; m. Vienas iš kraujo plazmos baltymų, turinčių antikūnų (naudojamas kaip gydomasis ir profilaktinis vaistas nuo kai kurių infekcinių ligų).
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama spindulių trūkumų aptikimas- ) -ir; f. Medžiagų ir gaminių tikrinimo metodas, pagrįstas radioaktyviųjų metalų izotopų skleidžiamų gama spindulių sugerties matavimu (naudojamas paslėptiems defektams aptikti).
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama spinduliuotė- -Aš esu; trečia Fizik. Radioaktyviųjų medžiagų skleidžiama trumpųjų bangų elektromagnetinė spinduliuotė. G. radžio.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama kvantas- -a; m Gama spinduliuotės kvantas. Gama kvantų srautas. Gama kvantų absorbcija atomų branduoliuose.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama lazeris- -a; m) indukcinės gama spinduliuotės generatorius; stebėtojas. Sukurti g.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama spinduliai- ) -ji; pl. Fizik. = Gama spinduliuotė.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama tankio matuoklis- ) -a; m Prietaisas medžiagos tankiui matuoti naudojant gama spinduliuotę.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama laukas- ) -Aš esu; trečia
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama spektrometras- ) -a; m Prietaisas gama spinduliuotės energijai (energijos spektrui) matuoti.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

Gama spektroskopija- ) -ir; f. Branduolinės fizikos šaka, susijusi su gama spinduliuotės spektrų ir įvairių atomų branduolių sužadintų būsenų savybių tyrimais.
Aiškinamasis žodynas Kuznecovas

TURINYS: Atradimo istorija Gama spinduliuotės branduolinio rezonanso sugertis Mössbauer eksperimento metodika Ultrasmulki sąveika ir Mössbauer parametrai Praktiniai metodo pritaikymai: - Fazinė analizė medžiagų moksle ir geochemijoje - Paviršiaus analizė - Dinaminiai efektai

Branduolinio gama rezonanso (Mössbauer efekto) atradimo istorija Atominio rezonanso procesas optinių bangų ilgių diapazone yra gerai žinomas. Ją numatė D. Rayleigh, o eksperimentinį patvirtinimą rado 1904 metais garsiajame Roberto Woodo eksperimente, kuriame Vudas panaudojo geltoną natrio atomų skleidžiamą šviesą (vadinamosios natrio D linijos), kurią galima gauti įdėjus mažą valgomosios druskos kiekis. Kiekviena D linija atitinka natūralaus natrio atomo virpesių dažnį arba, tiksliau, išorinius šio atomo elektronus. Norint stebėti rezonansą, būtina, kad kiti natrio atomai nebūtų liepsnoje. Mediena naudojo vakuuminį stiklinį indą, kuriame buvo nedidelis metalinio natrio kiekis. Natrio garų slėgis yra toks, kad pakaitinus virš kambario temperatūros, natrio garų kiekio cilindre pakaktų eksperimentui atlikti. Jei natrio liepsnos šviesa nukreipta į balioną, galima pastebėti silpną geltoną švytėjimą. Natrio atomai kolboje veikia panašiai kaip kamertonas. Jie sugeria krintančios geltonos šviesos spindulio energiją ir tada šviečia įvairiomis kryptimis.

Prieš penkiasdešimt metų, 1958 m., 1958 m. vokiečių fizikas Rudolfas Ludwigas Mössbaueris institute dirbo prie savo daktaro disertacijos. M. Planckas Heidelberge Vokietijos fizikos žurnalui pateikė straipsnį „Branduolinė rezonansinė gama spinduliuotės fluorescencija Ir 191“, kuris buvo paskelbtas tų pačių metų viduryje. Ir jau 1958 metų rudenį jis atliko pirmuosius eksperimentus, kurių metu naudojo Doplerio efektą rezonansinėms linijoms nuskaityti. 1958 metų pabaigoje jis paskelbė gautus eksperimentinius duomenis, kurie padėjo pagrindą naujam eksperimentiniam metodui – branduolio gama rezonanso spektroskopijai, kuri dažnai vadinama Mössbauer spektroskopija (MS). 1961 metais Rudolfas Mössbaueris už šio reiškinio atradimą ir teorinį pagrindimą buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija.

Atatrankos efekto įtaka branduolių gama spinduliuotės absorbcijai ir emisijai Atatrankos energija: 57 Fe Doplerio energija:: ET = 14. 4 kOe. V, t 1/2 = 98 ns, G = 4,6 · 10 -9 Oe. В, → ER ~ 2 · 10 -3 Oe. V

Išspinduliuotų absorbuotų gama kvantų energijos pasiskirstymas Laisvųjų atomų branduoliams Atomų branduoliams kristalinėje gardelėje esant žemai temperatūrai

Pagrindinių parametrų tarp elektroninių ir branduolinių perėjimų palyginimas Perėjimo parametrai Perėjimo energija, ET (e. V) Vidutinė sužadintos būsenos trukmė, (s) Natūralaus rezonanso linijos plotis, Γ = ħ / τ (e. V) Energijos skiriamoji geba, G / ET Energijos atatranka, ER (e. V) Santykis ER / G Elektroninis perėjimas prie D linijos Na Branduolinis perėjimas 57 Fe Branduolinis perėjimas 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

Pagrindinių Mössbauer izotopų branduoliniai parametrai Izotopas 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, kOe. Gr / (mms-1) = 2 Svečių 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 0,50 ,6192 0,6192 . 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 0,112 5,12 ~ 10 12,7 3,70 5,3 ~ 12 29 ~ 2. 5 ~ 6 4. 0 1. 06 Natūralus kiekis % 2,17 1,25 8, 58 57,25 6,99 100 nulis 13, 9 47,8 18,88 61,5 100 nulis 57 Co branduolio skilimas (EC) mß 1910. 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) EB elektronų gaudymas, ß-beta skilimas, IT izomerinis perėjimas, α-alfa skilimas

Radioaktyvaus skilimo schemos, dėl kurių Mössbauer lygio populiacija yra 57 Fe ir 119 m branduoliuose. Sn

Rezonansinio proceso be atatrankos tikimybė. Lamb-Mössbauer faktorius f – gama kvantų sugerties arba emisijos proceso be atatrankos tikimybė f – priklauso nuo kristalinės gardelės vibracinių savybių, ty nuo fonų sužadinimo tikimybės kietoje medžiagoje – vidutinis kvadratas virpesių amplitudė gama kvanto spinduliavimo kryptimi, suvidurkinta per visą branduolių gyvavimo laiką sužadintoje būsenoje λ – gama kvantinės bangos ilgis

Fononinių procesų įtaka absorbcijai arba sklaidai be atatrankos

YPATINGI SĄVEIKA MESSBAUER PARAMETRAI Mössbauer sąveikos tipo parametras Izomerinis poslinkis Elektrinis monopolis (kulonas) tarp branduolių ir δ (mm/s) protonų Išskirta informacija Atomo sukimosi būsena (HS, LS, IS) ) Elektrinė kvadrupolio sąveika tarp kvadrupolio momento branduolys ir nehomogeninis elektrinis laukas Molekulinė simetrija Juostinės struktūros charakteristika Atomo sukimosi būsena (HS, LS, IS) Magnetinis skilimas ΔЕМ (mm/s) Magnetinio dipolio sąveika tarp branduolio magnetinio momento ir magnetinio lauko Gamta ir dydis magnetinės sąveikos (feromagnetizmo, antiferomagnetizmo ir kt.)

Izomerinis poslinkis geležies turinčiuose junginiuose Eksperimentiškai matuojant izomerinius cheminius poslinkius, visada svarbu, koks standartas naudojamas, pagal kurį šie poslinkiai bus nustatyti. Taigi, matuojant 57 Fe, oficialus standartas yra šio izotopo Na 2 arba metalinės geležies junginys. Už 119 m. Sn Visuotinai priimtas standartas yra Sn. O 2.

Elektrinė kvadrupolio sąveika Kvadrupolio skilimas ΔЕQ ΔEQ čia: m. I = + I, + I-1, ..., -I Jei 57 Fe Iв = 3/2, Io = 1/2, kai η = 0

Kombinuota magnetinio dipolio ir elektrinio kvadrupolio sąveika Paprastai 57 Fe ir ašinei simetrijai (η = 0):

57 Fe branduolio iškrova po rezonansinio sužadinimo. Skleidžiamos spinduliuotės tipas yra E ke. V Intensyvumas (santyk. vienetai) Išėjimo gylis Mössbauerio spinduliuotė 14,40, 10 20 μm K apvalkalo rentgeno spinduliuotė 6, 40, 28 20 μm K konversijos elektronai 7, 3 0, 79 10 nm L elektronų konversija 40013n , 6 0, 08 20 nm 1, 3 μm M-konversijos elektronai ...................... nm L - MM - Sraigtiniai elektronai 0, 53 0, 60 1 nm 2 nm

Hipersmulkiųjų sąveikų ir atsipalaidavimo dinamika Tarp geležies turinčių nanodalelių magnetinių savybių tyrimo metodų vienas informatyviausių yra Mössbauer spektroskopija. Priešingai nei magnetiniai matavimai, Mössbauer spektroskopija gali atskleisti nanodalelių magnetinę dinamiką dažnių diapazone 107 - 1010 s-1, būdingą Mössbauer "langui". Mažų matmenų objektų eksperimentinių Mössbauer spektrų forma yra labai sudėtinga, palyginti su masyvių objektų spektrais. To priežastys gali būti arba statinio hipersmulkiųjų struktūrų rinkinio superpozicija dėl vietinės rezonansinių atomų aplinkos skirtumo, arba įvairių dinaminių procesų (pavyzdžiui, difuzijos, paramagnetinio, sukimosi, sukimosi) įtaka. -grotelių atsipalaidavimas ir kt.).

Magnetiškai sutvarkytų medžiagų Mössbauer spektrų forma 1. Gerai išspręstos hipersmulkiosios struktūros atvejis: 2. Didelio hipersmulkiųjų struktūrų rinkinio superpozicijos atvejis: 3. Superparamagnetinio atsipalaidavimo atvejis: čia yra p tikimybė atomo magnetinio momento perorientavimas kampu / 2 tarp lengvo įmagnetinimo ašių, q jo perversmo tikimybė per laiko vienetą

Magnetinės hipersmulkiosios struktūros sublygių selektyvus sužadinimas a) - perėjimų tarp žemės branduolio sublygių ir -Fe sužadintų būsenų diagrama, b) - eksperimentinis QEM spektras plonai -Fe plėvelei, c) - išsklaidytos spinduliuotės energijos spektras sužadinus -3/2 lygį, d) išsklaidytos spinduliuotės energijos spektrą sužadinus +1/2 lygyje.

a) - aliuminiu pakeisto goetito absorbcijos spektras (8 mol.%) ir selektyvaus sužadinimo spektras (iš viršaus į apačią). c) - iš aliuminiu pakeisto goetito (2 mol.%) sugerties spektro ir selektyvaus sužadinimo spektro (iš viršaus į apačią). Rodyklė rodo jaudinančios spinduliuotės energijas.