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

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

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

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

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

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

Потому в оптическом случае и резонанс на свободных ядрах не наблюдается (см. рис. 1.13 б и в). Рудольф Мессбауэр, изучая поглощение -квантов, излученных изотопом Ir, в кристалле Ir нашел, в противоположность пророчествам традиционной теории, повышение рассеяния -квантов при низких температурах (T≈77K). Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением -квантов ядрами атомов Ir и отдал разъяснение его природы.

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

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

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

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

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

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

Энергия г-кванта за счет эффекта Доплера меняется на величину

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1.15 Мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.

3. Методы ядерной геофизики.

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

Аэро-γ-съемка

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

1) Малая глубинность метода;

2) Малая чувствительности при наличии экранирующих рыхлых отложений;

3) Малая чувствительность при полетах на больших высотах.

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

Авто-γ-съемка

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

Пешеходная γ-съемка

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

Эманационная съемка

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

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

Уранометрическая съемка (литогеохимическая)

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

Радиогидрогеологическая съемка (гидрогеохимическая съемка)

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

Биогеохимическая съемка

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

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

2) Ядерно-геофизические методы

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

Гамма-гамма метод

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

Рентгеннорадиометрический метод (РРМ или РРК)

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

Метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР)

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

Фотонейтронный метод (гамма-нейтронный метод ГНМ)

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

Нейтрон-нейтронный метод (ННМ, ННК)

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

Нейтронный гамма метод

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

Активационный анализ

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

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс)
Рубрика (тематическая категория)	Технологии

Мёссбауэра эффект (ЯГР - ядерный гамма резонанс)-испускание или поглощение гамма- квантов атомными ядрами в твердом телœе, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ не сопровождается испусканием или поглощением фононов. Открыт в 1958 ᴦ. Рудольфом Мёссбауэром в ФРГ. Стоит сказать, что для наблюдения эффекта используются низколежащие долгоживущие ядерные уровни с энергией не более 200 кэв и временами жизни . -естественная ширина уровня. Для ядра желœеза энергия -гамма квантов .

Эффект наблюдается для 73 изотопов 41 элемента. Стоит сказать, что для наблюдения резонансного поглощения и получения спектров необходима одинаковость состояний мёссбауэровских атомов в излучателœе и поглотителœе. Настройка в резонанс происходит движением источника или поглотителя со скоростью V . Изменение энергии за счёт эффекта Доплера . Для ядра ширина уровня и рабочие скорости .

В адсорбционном варианте ЯГР источником излучения являются ядра , которые при захвате собственного электрона с К-оболочки превращаются в ядра желœеза в воздужденном состоянии с энергией 136,4 Кэв. Это состояние образует метастабильное состояние с энергией 14,4 кэв, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ используется в мёссбауэровской спектроскопии желœеза. Мёссбауэровские спектры позволяют определить размеры нанокластеров в области 1-10 нм при известной константе анизотропии вещества. На рис показаны суперпарамагнитные мёссбауэровские спектры нанокластеров оксида желœеза при разных температурах измерения. Нанокластеры были получены твердотельной химической реакцией разложения оксалата желœеза при температуре разложения .

Мёссбауэровская спектроскопия – совокупность методов исследования микроскопических объектов ядер, ионов. химических и биологических комплексов в твердых телах.

Наиболее важные применения это сдвиги и сверхтонкие расщепления мёссбауэровских линий связанные с взаимодействием электрических и магнитных моментов ядра с внутрикристаллическими полями вызывающими расщепление ядерных уровней.

Химический (изомерный) сдвиг мёссбауэровской линии наблюдается, когда источник и поглотитель химически не тождественны.

Сдвиг линии испускания и поглощения ,к примеру, при изменении заряда иона и составляет 32 мм/с при точности измерения 0,1 мм/сек. Это позволяет установить корреляцию между величинами и электроотрицательностью ближайших ионов.

Рис Химический изомерный сдвиг мёссбауэровской линии для двух ионов нептуния.

Квадрупольное расщепление ядерных уровней , приводящее к расщеплению линий мёссбауэроского спектра возникает из-за взаимодействия электрического квадрупольного момента ядра с градиентом электрического поля кристалла (при некубической симметрии окружения). Расстояние между расщепленными линиями составляет для ядра со спином 3/2.

где - z -компонета тензора градиента электрического поля (ГЭП) на ядре. -параметр асиметрии тензора ГЭП.

За счёт поляризации собственной электронной оболочки иона содержащего резонансное ядро градиент ГЭП может изменится раз, и даже изменит знак. .

Фактор Штерхаймера –антиэкранирующий фактор зависит от химического состояния резонансного иона.

Измерение спектров квадрупольного расщепления дает сведения о структуре и электронных свойствах матрицы твердого тела. К примеру, в спектре поглощения ядер высокотемпературного сверхпроводника (температура сверхпроводящего перехода 72 К ) наблюдается 3 квадрупольных дублета соответствующих ионам Fe замещающим ионы Cu в структурных позициях с различным кислородным окружением. Химические сдвиги для трех позиций Fe одинаковы и близки к сдвигу в металлическом желœезе, ᴛ.ᴇ. плотность s -электронов приблизительно одинакова во всœех узлах решетки. Это означает, что валентные электроны для данного сверхпроводника делокализованы по кристаллу.

Магнитное сверхтонкое расщепление ядерных уровней и мёссбауэровских линий вызывается взаимодействием магнитного момента ядра и магнитного поля в месте расположения ядра. Энергия магнитного сверхтонкого взаимодействия пропорциональна произведению ядерного магнитного момента на локальное магнитное, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ принято называть сверхтонким магнитным полем. Это взаимодействие расщепляет ядерное состояние на 2I+1 зеемановские подуровни расстояние между которыми равно (I -спин ядра). Число компонент сверхтонкой структуры в мёссбауэровском спектре равно числу -переходов между зеемановскими подуровнями возбужденного и основного состояний ядра, разрешенных правилом отбора по магнитному квантовому числу. Для магнитного дипольного -перехода между состояниями () в мёссбауэровском спектре наблюдаются 6 компонент магнитной сверхтонкой структуры.

Сверхтонкая структура линий мёссбауэровского спектра в парамагнениках

Приведен спектр примесных ионов желœеза в нитрате алюминия состоящий из спектров трех крамерсовых дублетов, на которые расщепляется основное состояние иона желœеза Fe 3+

Заключение. Мёссбауэровская спектроскопия позволяет в одном эксперименте определить вероятности эффекта Мёссбауэра, величину температурного смещения,химического сдвига. Квадрупольного и магнитного расщеплений,формы линий отдельных компонент. Это сочетается с возможностью влиять на мёссбауэровские спектры температурой, давлением, магнитным и электрическим полями, ультразвуком и радиочастотным излучением. Возможность исследовать объекты размером от одного тмоносоя до массивного образца делает мёссбауэровскую спектроскопию уникальным методом анализа физических и химических свойств твердых тел.

Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс) - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс)" 2017, 2018.

Энергия ядер квантована. При переходе ядра из возбужденного состояния в основное излучается -квант с энергией . Наиболее вероятное значение этой энергии для бесконечно тяжелого свободного ядра равно разности энергий его основного и возбужденного состояний: . Обратный процесс соответствует поглощению г-кванта с энергией, близкой к .

При возбуждении совокупности одинаковых ядер на один и тот же уровень энергия испущенных квантов будет характеризоваться некоторым разбросом около среднего значения .

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

Контур линии поглощения описывается тем же соотношением, что и контур линии испускания (Рис. 1.13). Понятно, что эффект резонансного поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона, когда оптические кванты, испускаемые при переходе электронов возбужденных атомов на нижележащие электронные уровни, резонансно поглощаются веществом, содержащим атомы того же самого сорта. Явление статического резонансного поглощения хорошо наблюдается, например на парах натрия.

К сожалению, явление резонансного ядерного поглощения на свободных ядрах не наблюдается. Причина заключается в том, что модель тяжелых ядер (атомов), когда потери энергии на отдачу по отношению к невелики, справедлива для оптического резонанса и совершенно неприменима для ядерного. Гамма-кванты, излучаемые в ядерных переходах, имеют значительно более высокую энергию – десятки и сотни кэВ (по сравнению с несколькими десятками эВ для квантов видимой области). При сопоставимых значениях времени жизни и, соответственно, близких значениях естественной ширины электронных и ядерных уровней в ядерном случае гораздо более существенную роль при испускании и поглощении играет энергия отдачи:

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

Поэтому в оптическом случае и резонанс на свободных ядрах не наблюдается (см. рис. 1.13 б и в).

Рудольф Мессбауэр, изучая поглощение -квантов, излученных изотопом Ir, в кристалле Ir обнаружил, в противоположность предсказаниям классической теории, увеличение рассеяния -квантов при низких температурах (T≈77K). Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением -квантов ядрами атомов Ir и дал объяснение его природы.

В экспериментах по эффекту Мессбауэра измеряются не сами по себе линии испускания (или поглощения), а кривые резонансного поглощения (мессбауэровские спектры). Уникальные применения метода ядерного гамма-резонанса в химии и физике твердого тела обусловлены тем, что ширина составляющих мессбауэровский спектр индивидуальных резонансных линий меньше энергий магнитного и электрического взаимодействий ядра с окружающими его электронами. Эффект Мессбауэра – эффективный метод исследования широкого круга явлений, влияющих на эти взаимодействия.

Простейшая схема наблюдения эффекта Мессбауэра в геометрии пропускания включает источник, поглотитель (тонкий образец исследуемого материала) и детектор г-лучей (рис. 1.14).

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

Источник -лучей должен обладать определенными свойствами: иметь большой период полураспада ядра, в случае распада которого рождается ядро резонансного изотопа в возбужденном состоянии. Энергия мессбауэровского перехода должна быть относительно малой (чтобы энергия отдачи не превысила энергию, необходимую для смещения атома и узла кристаллической решетки), линия излучения – узкой (это обеспечивает высокое разрешение) и вероятность бесфонного излучения – большой. Источник г-квантов чаще всего получают введением мессбауэровского изотопа в металлическую матрицу посредством диффузионного отжига. Материал матрицы должен быть диа- или парамагнитным (исключается магнитное расщепление ядерных уровней).

В качестве поглотителей используют тонкие образцы в виде фольги или порошков. При определении необходимой толщины образца нужно учитывать вероятность эффекта Мессбауэра (для чистого железа оптимальная толщина ~20 мкм). Оптимальная толщина является результатом компромисса между необходимостью работать с тонким поглотителем и иметь высокий эффект поглощения. Для регистрации -квантов, прошедших через образец, наиболее широко применяются сцинтилляционные и пропорциональные счетчики.

Получение спектра резонансного поглощения (или мессбауэровского спектра) предполагает изменение условий резонанса, для чего необходимо модулировать энергию -квантов. Применяющийся в настоящее время метод модуляции основан на эффекте Доплера (чаще всего задают движение источника г-квантов относительно поглотителя).

Энергия г-кванта за счет эффекта Доплера изменяется на величину

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

Поскольку в эксперименте угол принимает только два значения =0 и , то ∆E = (положительный знак соответствует сближению, а отрицательный – удалению источника от поглотителя).

В отсутствие резонанса, например, когда в поглотителе отсутствует ядро резонансного изотопа или когда доплеровская скорость очень велика (, что соответствует разрушению резонанса из-за слишком большого изменения энергии -кванта), максимальная часть излучения, испущенного в направлении поглотителя, попадает в расположенный за ним детектор. Сигнал от детектора усиливается, и импульсы от отдельных -квантов регистрируются анализатором. Обычно регистрируют число -квантов за одинаковые промежутки времени при различных . В случае резонанса г-кванты поглощаются и переизлучаются поглотителем в произвольных направлениях (рис. 1.14). Доля излучения, попадающего в детектор, при этом уменьшается.

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

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

Вероятность эффекта Мессбауэра определяется фононным спектром кристаллов. В области низких температур () вероятность достигает значений, близких к единице, а в области высоких () она очень мала. При прочих равных условиях вероятность бесфонного поглощения и излучения больше в кристаллах с высокой температурой Дебая (определяет жесткость межатомной связи).

Вероятность эффекта определяется спектром упругих колебаний атомов в решетке кристалла. Мессбауэровская линия интенсивна, если амплитуда колебаний атомов невелика по сравнению с длиной волны г-квантов, т.е. при низких температурах. В этом случае спектр излучения и поглощения состоит из узкой резонансной линии (бесфонные процессы) и широкой компоненты, обусловленной изменением колебательных состояний решетки при излучении и поглощении г-квантов (ширина последней на шесть порядков больше ширины резонансной линии).

Анизотропия межатомной связи в решетке обусловливает анизотропию амплитуды колебаний атомов и, следовательно, различную вероятность бесфонного поглощения в различных кристаллографических направлениях. Для монокристаллов, таким образом могут быть измерены не только усредненные, но и угловые зависимости.

В приближении тонкого поглотителя вероятность бесфонных переходов пропорциональна площади под кривой резонансного поглощения.

Ядерный гамма-резонанс может быть использован для изучения колебательных свойств решетки твердого тела или примесных атомов в этой решетке. Наиболее удобным экспериментальным параметром в этом случае является площадь спектра S, так как она является интегральной характеристикой и не зависит от формы спектра испускания резонансных квантов и самопоглощения в источнике. Эта площадь сохраняется при расщеплении спектра на несколько компонент в результате сверхтонких взаимодействий.

Простейший спектр резонансного поглощения тонкого поглотителя представляет собой одиночную линию лоренцевской формы. Интенсивность прошедшего через поглотитель излучения минимальна в максимуме поглощения.

В качестве примера на рис. 1.15 приведены мессбауэровские спектры чистого железа.

Рис. 1.15 Мессбауэровские спектры чистого железа.

Из того факта, что спектры излучения атомных ядер возникают подобно спектрам излучения атомов и молекул, казалось почти очевидным, что атомные ядра, излучающие при переходе из возбужденного состояния в нормальное гамма-кванты с некоторой частотой должны в нормальном состоянии избирательно поглощать такие же кванты. Резонансное поглощение гамма-кванта должно переводить ядро в возбужденное состояние подобно тому, как поглощение света переводит в возбужденное состояние атом или молекулу. Однако попытки

экспериментального обнаружения резонансного поглощения гамма-квантов такими же атомными ядрами, какими эти кванты излучались, долгое время были безрезультатными.

Отрицательные результаты опытов по обнаружению резонансного поглощения гамма-квантов имеют простое объяснение. Если переход ядра из возбужденного состояния в нормальное состояние происходит путем излучения гамма-кванта, то энергия этого кванта не равна в точности разности энергий По закону сохранения импульса при излучении гамма-кванта атомное ядро приобретает импульс, равный импульсу излученного гамма-кванта и направленный в противоположную сторону. Ядро испытывает при излучении фотона отдачу подобно орудию при выстреле. В связи с этим освобожденная энергия распределяется между гамма-квантом и ядром. Следовательно, энергия фотона меньше разности на величину кинетической энергии ядра, испытавшего отдачу:

Понятно, что энергия этого гамма-кванта меньше энергии, необходимой для перевода такого же ядра из нормального состояния в возбужденное:

Немецкий физик Р. Мессбауэр в 1958 г. показал, что в некоторых кристаллах можно создать такие условия, при которых импульс отдачи при излучении гамма-кванта сообщается не отдельному ядру, а всему кристаллу в целом. При этом изменение кинетической энергии кристалла из-за большой его массы (по сравнению с массой одного ядра) приближается к нулю, а энергия излученного гамма-кванта оказывается почти в точности равной разности При пропускании пучка таких гамма-квантов через образец, содержащий атомные ядра того же изотопа, наблюдается резонансное поглощение.

Замечательной особенностью эффекта Мессбауэра является необычайно малая ширина спектральной линии поглощения, т. е. узость резонансного пика поглощения. Например, при использовании изотопа железа резонанс нарушается при изменении частоты гамма-кванта на величину составляющую от его частоты

Это значит, что появляется возможность зарегистрировать изменение энергии гамма-кванта на величину, составляющую от ее первоначального значения!

Использование эффекта Мессбауэра позволило осуществить один из самых тонких экспериментов современной физики - обнаружение гравитационного красного смещения спектральных

линий. Существование гравитационного красного смещения предсказано общей теорией относительности. Приводим здесь упрощенное объяснение этого эффекта, основанное на использовании закона взаимосвязи массы и энергии.

Гамма-фотон с энергией обладает массой.