3. Методи ядерної геофізики.

1) Радіометричні методи. Вони вивчаються природні радіоактивні поля чи природні радіоактивні елементи.

Аеро-γ-зйомка

Вивчення γ-поля гірських порід із повітря. Метод застосовується для геологічного картування, для вивчення зон розломів та тектонічних порушень, для пошуків радіоактивних та нерадіоактивних (для яких встановлено генетичний зв'язок з радіоактивними) елементів. Метод має дуже високу продуктивність. За робочий день зйомка може бути покрита до 200 км2. У зв'язку з цим метод не ставитиметься до дорогих. Метод має і суттєві недоліки:

1) Мінімальна глибинність способу;

2) Мала чутливість за наявності екрануючих пухких відкладень;

3) Мала чутливість при польотах великих висотах.

Проте цей метод дуже широко застосовується на практиці.

Авто-γ-зйомка

Метод має багато спільного з аеро-γ-зйомкою, застосовується практично для вирішення тих самих завдань. Має ті ж недоліки і ті ж переваги. Зйомка може бути маршрутною, може бути майданною. Маршрутна носить рекогносцирувальний характер, зазвичай проводиться перед площею. Площа ширше застосовується, вона зазвичай проводиться на перспективних ділянках. І при деталізації аеро-γ-аномалії.

Пішохідна γ-зйомка

Найбільш простий вид проведення γ-зйомки. Застосовується для вирішення всіх завдань, про які ми вже говорили, але у великих масштабах і при деталізаціях. Далі застосовується під час роботи у важкодоступних районах, де не можна скористатися ні автомобілем, ні літаком. А також застосовується у неспеціалізованих геологічних загонах (не геофізики, а геологи).

Еманаційна зйомка

Це вивчення концентрації радіоактивних газів (еманацій) у ґрунтовому повітрі або у повітрі, витягнутому з гірських порід. При розпаді в радіоактивних сімействах утворюються радіоактивні гази:

Ці гази безперервно утворюються в гірських породах, бо там є їхні родоначальники. Метод застосовується для пошуків радіоактивних уранових та торієвих руд; вивчення зон розломів, тектонічних порушень; для вирішення багатьох інженерно-геологічних завдань, пов'язаних з тріщинуватістю порід і з ослабленими ділянками (закарстованими, зсувними); на вирішення екологічних завдань (по радону).

Уранометрична зйомка (літогеохімічна)

Це вивчення вмісту урану в корінних або пухких гірських породах. Цей метод належить до геохімічних. Це прямий спосіб на уран. Вміст урану в гірських породах становить приблизно 10-5 - 10-4%, це так зване геохімічне тло. У деяких тілах концентрація може підвищуватися до перших одиниць відсотків та утворюється рудне тіло. Рудне тіло піддається процесам вивітрювання і навколо нього утворюється ареол розсіювання. 9.2. Тому зйомка полягає у пошуку потоків розсіювання, потім ореолів розсіювання. Під час зйомки відбираються проби гірських порід. Аналіз цих проб ґрунтується на властивості фтористого натрію NaF люмінесцувати під впливом ультрафіолетового випромінювання.

Радіогідрогеологічна зйомка (гідрогеохімічна зйомка)

Це вивчення вмісту радіоактивних елементів, а найчастіше урану, радію і радону, у водах. Вона полягає в тому, що радіоактивні елементи, особливо радій, дуже добре мігрують в окисному середовищі і тому переносяться великі відстані від самої поклади. Завдяки цьому виявляються сліпі (залягають на глибині, їх не видно) рудні тіла, глибиною до 50-70 м, а в гірських районах і більше.

Біогеохімічна зйомка

Вивчення вмісту радіоактивних елементів у золі рослин. Або знаходження рослин, на які сприятливо чи пригнічують будь-які елементи. Класичний приклад: деякі види острогалу ростуть лише на ґрунтах із підвищеним вмістом селену. А селен супутник урану. Звичайно, такий метод виконується в комплексі з основним методом. При визначенні вмісту радіоактивних елементів будують карту в ізолініях, визначають фон та аналізують.

Недоліком геохімічних методів є трудомісткість та висока вартість аналізів. Позитивними властивостями є точність і більша глибинність.

2) Ядерно-геофізичні методи

Це методи, в яких проводитися опромінення гірських порід або γ-джерелом, або нейтронним джерелом, і вивчаються ці поля, що пройшли через гірську породу, або явища, що виникають при такому опроміненні.

Гамма-гамма метод

Це вивчення γ-поля від джерела, що пройшов через гірську породу. Застосовується вивчення щільності гірських порід (ГГМ-п) і ефективного атомного номери середовища (ГГМ-с). Цей метод, як і більшість ядерно-геофізичних методів, використовується в каротажному варіанті, що дуже важливо для визначення параметрів в умовах природного залягання. При опроміненні гірських порід γ-джерелом зменшення інтенсивності пов'язане зі зміною речовинного складу порід і щільності. В основному ці два фактори впливають на інтенсивність випромінювання. Встановлено, що комптонівський ефект пов'язаний переважно зі зміною щільності породи. У той час, як речовий склад практично не впливає. Тому вивчення щільності порід використовується джерело γ-квантів середніх енергій (від 0,5 до 1,5 МеВ). З меншою енергією переважатиме фотоефект, а з більшою – утворення пар

Рентгеннорадіометричний метод (РРМ або РРК)

Полягає в опроміненні гірських порід гамма-квантами малих енергій і реєстрація характеристичного рентгенівського випромінювання, що виникло при цьому. Застосовується вивчення речовинного складу, тобто. для аналізу більшість елементів з z>30, і навіть деякі елементи z = 20 – 30, визначення більшості металів. Метод ґрунтується на тому, що при опроміненні гірських порід γ-квантами малих енергій (5 – 120 КеВ). При цьому поряд із фотоефектом виникає характеристичне рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі 10-5 - 10-12 см. Причому ймовірність виникнення випромінювання зростає зі збільшенням відношення ЕС/Еγ. Зв'язку це енергія електрона на оболонці. Цей дріб правильний. Зв'язки для кожного елемента суворо визначена, тому для вивчення окремого елемента слід суворо підбирати випромінювач.

Метод ядерного гамма-резонансу (ЯГР)

Заснований цей метод на ефект Мессбауера, який полягає в тому, що при опроміненні γ-квантами малих енергій (менше 50 КэВ), у деяких ядрах поряд з фотопоглинанням відбувається резонансне поглинання та розсіювання γ-квантів. Цей ефект називають ефектом Мессбауера. Мессбауерськими ядрами, зокрема, є олово, тому метод використовують на визначення каситериту SnO2, ізотоп Sn119. Крім того, Мессбауерськими ядрами є деякі лантаноїди: 66Dy161 (диспрозій), 68Er151 (ербій). Fe57. При температурі рідкого азоту (-194°С) багато ядер є Мессбауерскими.

Фотонейтронний метод (гамма-нейтронний метод ГНМ)

Полягає в опроміненні гірських порід γ-квантами високих енергій та реєстрації нейтронного поля, що виникло. Нейтрони всередині ядра пов'язані ядерними силами, але при опроміненні γ-квантами високих енергій нейтрони вибиваються з ядер.

Нейтрон-нейтронний метод (ННМ, ННК)

Опромінення гірських порід нейтронами та вивчення цього поля після проходження його через гірську породу. Використовується вивчення змістів нейтроно-поглощающих елементів й у вивчення деяких фізичних властивостей гірських порід (переважно коефіцієнта пористості). При проходженні нейтронів через речовину вони спочатку сповільнюються і потім поглинаються нейтронопоглинаючими елементами. Зокрема, бором, хлором, йодом, марганцем та ін. Часто використовується як у польовому варіанті, так і в каротажному. Найчастіше метод застосовується при каротажі свердловин.

Нейтронний гама метод

Має багато спільного з ННМ, оскільки використовуються ті ж самі нейтронні джерела, а вимірюється гама-поле, що виникло при цьому. Метод застосовується на вирішення тих самих завдань, як і ННМ: вивчення фізичних властивостей гірських порід, вивчення коефіцієнта пористості та вивчення нейтронопоглощающих елементів.

Активаційний аналіз

Це один із ядерно-геофізичних методів. Полягає в опроміненні стабільних елементів гірських порід джерелом γ-квантів або n, і вивченні швидкості розпаду радіоактивних ізотопів, що утворилися. На підставі цього аналізу визначається радіоактивний ізотоп, що утворився, знаючи джерело опромінення, визначається вихідний, нерадіоактивний ізотоп, що міститься в породі. А на підставі еталонних вимірювань цього елемента визначається і концентрація цього нерадіоактивного ізотопу. А знаючи поширеність цього ізотопу в загальній суміші ізотопу елемента, визначають концентрацію самого елемента.

Енергія ядер квантована. При переході ядра з збудженого стану в основне випромінюється квант з енергією. Більш можливе значення цієї е енергії для нескінченно важкого вільного ядра ірізниці енергій його основного та збудженого станів: . Оборотний процес відповідає поглинанню г-кванту з енергією, близькою до .

При збудженні сукупність подібних ядер на той самий рівень енергія випущених квантів характеризуватиметься деяким розкидом близько середнього значення.

Рис 1.13 Схема, що ілюструє квантові переходи з випромінюванням та поглинанням електричних квантів (а) та вид ліній випромінювання та поглинання в оптичному (б) та ядерному (в) випадках.

Контур смуги поглинання описується тим самим співвідношенням, як і контур смуги випромінювання (Рис. 1.13). Зрозуміло, що ефект резонансного поглинання електричного випромінювання оптичного спектра, коли оптичні кванти, що випускаються при переході електронів збуджених атомів на нижчележачіе електричні рівні, резонансно поглинаються речовиною, що містить атоми такого ж сорту. Явище статичного резонансного поглинання добре спостерігається, наприклад на парах натрію.

На жаль, явище резонансного ядерного поглинання на вільних ядрах немає. Причина полягає в тому, що модель важких ядер (атомів), коли енерговтрати на віддачу по відношенню до невеликі, справедлива для оптичного резонансу і непридатна для ядерного. Гамма-кванти, що випромінюються в ядерних переходах, мають значно більш високу енергію - десятки і сотні кеВ(Порівняно з декількома десятками еВ для квантів видимої області). При порівнянних значеннях часу життя і, відповідно, близьких значеннях природної ширини електричних та ядерних рівнів у ядерному випадку ще більш істотну роль при випромінюванні та поглинанні грає енергія віддачі:

де - імпульс віддачі ядра рівний за модулем імпульсу випромінюваного -кванта, m - маса ядра (атома).

Тому в оптичному випадку і резонанс на вільних ядрах немає (див. рис. 1.13 б і в). Рудольф Мессбауер, вивчаючи поглинання -квантів, випромінюваних ізотопом Ir, у кристалі Ir знайшов, на противагу пророцтвам т радіаційної теорії, підвищення розсіювання-квантів при низьких температурах (T 77K). Він показав, що ефект пов'язаний з резонансним поглинанням -квантів ядрами атомів Ir і віддав пояснення його природи.

У експериментах по ефекту Мессбауера вимірюються не самі собою лінії випромінювання (або поглинання), а криві резонансного поглинання (мессбауерівські діапазони). Унікальні застосування методу ядерного гамма-резонансу в хімії та фізиці твердого тіла обґрунтовані тим, що ширина складових мессбауеровський діапазон л Інших резонансних ліній менше енергій магнітногота електронної взаємодії ядра з навколишніми його електронами. Ефект Мессбауера – ефективний метод дослідження широкого кола явищ, які впливають ці взаємодії.

Проста схема спостереження ефекту Мессбауера в р еометрії пропусканнявключає джерело, поглинач (вузький еталон досліджуваного матеріалу) та сенсор г-променів (рис. 1.14).

Рис. 1.14 Схема мессбауеровського досвіду: 1 електродинамічний вібратор, що задає різні значення швидкості джерела; 2 – мессбауерівське джерело; 3 - поглинач, що містить ядра мессбауеровського ізотопу; 4 - сенсор пройшли через поглинач г-квантів (зазвичай пропорційний лічильник або фотоелектронний помножувач).

Джерело -променів має володіти певними якостями: мати великий період напіврозпаду ядра, у разі розпаду якого народжується ядро ​​резонансного ізотопу у збудженому стані. Енергія мессбауеровського переходу має бути відносно малою ( щоб енергія віддачі не перевищила енергію, необхідну для зміщення атома та вузла кристалічної решітки), лінія випромінювання – вузької (це забезпечує високу роздільну здатність) і можливість безфонового випромінювання – великий. Джерело г-квантів здебільшого отримують введенням мессбауеровського ізотопу в металеву матрицю засобом дифузійного відпалу. Матеріал матриці повинен бути діа-або парамагнітним (виключається магнітне розщеплення ядерних рівнів).

Як поглиначів використовують тонкі зразки як фольги чи порошків. При визначенні необхідної товщини зразка необхідно враховувати можливість ефекту Мессбауера (для чистого заліза найкраща товщина ~20 мкм). Найкраща товщина я є результатом компромісу між необхідністю працювати з тонким поглиначемі мати високий ефект поглинання. Для реєстрації -квантів, що пройшли через стандарт, найбільш широко застосовуються сцинтиляційні та пропорційні лічильники.

Отримання діапазону резонансного поглинання (або мессбауеровського діапазону) передбачає зміну умов резонансу, навіщо необхідно модулювати енергію -квантів. Застосовується в поточний час спосіб модуляції заснованийна ефект Доплера (у більшості випадків задають рух джерела г-квантів щодо поглинача).

Енергія г-кванта за рахунок ефекту Доплера змінюється на величину

де - Абсолютне значення швидкості руху джерела щодо поглинача; с – швидкість світла у вакуумі; - Кут між напрямком руху джерела і напрямок випромінювання г-квантів.

Так як у досвіді кут сприймає лише два значення =0 і , то ∆E = (позитивний символ відповідає зближенню, а негативний- Видалення джерела від поглинача).

Без резонансу, наприклад, як у поглиначі відсутня ядро ​​резонансного ізотопу чи коли доплерівська швидкість дуже велика (, що відповідає руйнації резонансу через дуже великої зміни енергії -кванта), максимальна частина випромінювання, випущеного у бік поглинача, потрапляє у розташований за ним сенсор.

Сигнал від сенсора посилюється, і імпульси від окремих квантів реєструються аналізатором. Зазвичай реєструють число квантів за однакові проміжки часу за різних.У разі резонансу г-кванти поглинаються та перевипромінюються поглиначем у випадкових напрямках (рис. 1.14). Частка випромінювання, що потрапляє в детектор, при цьому зменшується.

У мессбауеровском досвіді досліджується залежність інтенсивності випромінювання, що пройшло через поглинач (числа зареєстрованих сенсором імпульсів) від відносної швидкості джерела . Ефект поглинання визначається ставленням

де число г-квантів, зареєстрованих сенсором за певний час при значенні доплерівської швидкості (в досвіді Використовують дискретний набір швидкостій); – те саме при , коли резонансне поглинання відсутнє. Залежно і задають вигляд кривої резонансного поглинання сплавів та сполук заліза, лежать у межах ±10 мм/с.

Можливість ефекту Мессбауера визначається фононним діапазоном кристалів. У сфері низьких температур () можливість досягає значень, близьких до одиниці, а області великих () вона дуже мала. За інших рівних до ритерія можливість безфонового поглинанняі випромінювання більше в кристалах з високою температурою Дебая (визначає жорсткість міжатомного зв'язку).

Можливість ефекту визначається діапазоном пружних коливань атомів у ґратах кристала. Мессбауеровская лінія інтенсивна, якщо амплітуда коливань атомів невелика проти довжиною хвилі г-квантов, тобто. за низьких температур. В даному випадку діапазон випромінювання та поглинання складається з вузької резонансної лінії (безфонові процеси) і широкої складової,обумовленою конфігурацією коливальних станів решітки при випромінюванні та поглинанні г-квантів (ширина останньої на 6 порядків більша за ширину резонансної смуги).

Анізотропія міжатомного зв'язку в решітці обумовлює анізотропію амплітуди коливань атомів і, отже, різну можливість безфонового поглинання у різних кристалографічних напрямах. Для монокристалів, таким чином можуть бути виміряні не тільки усереднені, але і кутові залежності.

У наближенні тонкого поглинача можливість безфонових переходів пропорційна площі під кривою резонансного поглинання. Ядерний гамма-резонанс можна використовувати для вивчення коливальних властивостей решітки твердого тіла чи домішкових атомів у цій решітці. Більш комфортним експериментальним п араметром у цьому випадку є площа діапазону S, тому щовона є інтегральною рисою і не залежить від форми діапазону випромінювання резонансних квантів і самопоглинання в джерелі. Ця площа зберігається при розщепленні діапазону на кілька компонентів у результаті надтонких взаємодій.

Простий діапазон резонансного поглинання вузького поглинача є одиночною лінією лоренцевської форми. Інтенсивність минулого через поглинач випромінювання мала в максимуміпоглинання. Як приклад на рис. 1.15 наведені мессбауерівські діапазони чистого заліза.

Рис. 1.15 Мессбауерівські діапазони чистого заліза.

Месба уера ефект,резонансне поглинання g-квантів, що спостерігається, коли джерело і поглинач g-випромінювання – тверді тіла, а енергія g-квантів невелика (~ 150 кев). Іноді Мессбауера ефект називається резонансним поглинанням без віддачі або ядерним гамма-резонансом (ЯГР).

У 1958 р. Мессбауер виявив, що для ядер, що входять до складу твердих тіл, при малих енергіях g-переходів може відбуватися випромінювання та поглинання g-квантів без втрати енергії на віддачу. У спектрах випромінювання і поглинання спостерігаються незміщені лінії з енергією, точності рівної енергії g -переходу, причому ширини цих ліній рівні (або дуже близькі) природній ширині G . У цьому випадку лінії випромінювання та поглинання перекриваються, що дозволяє спостерігати резонансне поглинання g-квантів.

Це явище, що отримало найменування Мессбауера ефекту, обумовлено колективним характером руху у твердому тілі. Завдяки сильній взаємодії в твердих тілах енергія віддачі передається не окремому ядру, а перетворюється на енергію коливань кристалічних ґрат, іншими словами, віддача призводить до народження фононів. Але якщо енергія віддачі (розрахована на одне ядро) менша за середню енергію фонону, характерну для даного, то віддача не щоразу призводитиме до народження фонону. У таких «безфононних» випадках віддача не змінює. Кінетична ж енергія, яку набуває в цілому, сприймаючи імпульс віддачі g-кванта, нехтує малою. Передача імпульсу в цьому випадку не буде супроводжуватися передачею енергії, а тому положення ліній випромінювання та поглинання точно відповідатиме енергії E переходу.

Імовірність такого процесу досягає кількох десятків %, якщо енергія g-переходу досить мала; Фактично Месбауера ефект спостерігається тільки при D E » 150 кев (зі збільшенням E ймовірність народження фононів при віддачі зростає). Імовірність Мессбауера ефекту залежить також від . Часто для спостереження Мессбауера ефекту необхідно охолоджувати джерело g-квантів і поглинач до рідкого або рідкого, проте для g-переходів дуже низьких енергій (наприклад, E = 14,4 кев для g-переходу ядра 57 Fe або 23,8 кев для g- переходу ядра 119 Sn) Мессбауера ефект можна спостерігати аж до , що перевищують 1000 °С. За інших рівних умов ймовірність Мессбауера ефекту тим більша, чим сильніша взаємодія в твердому тілі, тобто чим більша енергія фононів. Тому ймовірність Мессбауера ефекту тим вища, що більше.

Істотною властивістю резонансного поглинання без віддачі, що перетворило Мессбауера ефект з лабораторного експерименту на важливий метод дослідження, є надзвичайно мала ширина лінії. Відношення ширини лінії до енергії g-кванта при Мессбауера ефекту становить, наприклад, для ядер 57 Fe величину 3' 10 -13 , а для ядер 67 Zn 5,2 ' 10 -16 . Таких ширин ліній не досягнуто навіть у газовому , що є джерелом найвужчих ліній в інфрачервоному і видимому діапазоні електромагнітних хвиль. За допомогою Мессбауера ефекту виявилося можливим спостерігати процеси, в яких енергія g -кванта на надзвичайно малу величину (G або навіть невеликих часток G ) відрізняється від енергії переходу ядер поглинача. Такі зміни енергії призводять до зміщення ліній випромінювання та поглинання один щодо одного, що спричиняє зміну величини резонансного поглинання, яке може бути виміряне.

Можливості методів, заснованих на використанні Мессбауера ефекту, добре ілюструє експеримент, у якому вдалося виміряти в лабораторних умовах передбачену відносності теорією зміну частоти кванта електромагнітного випромінювання у гравітаційному полі Землі. У цьому експерименті (Р. Паунда та Г. Ребки, США, 1959) джерело g-випромінювання було розташоване на висоті 22,5 м над поглиначем. Відповідна зміна гравітаційного потенціалу мала призвести до відносної зміни енергії g-кванта на величину 2,5' 10 -15 . Зсув ліній випромінювання та поглинання виявився відповідно до теорії.

Під впливом внутрішніх електричних та магнітних полів, що діють на ядра в твердих тілах (див. ), а також під впливом зовнішніх факторів ( , зовнішні магнітні поля) можуть відбуватися зміщення та розщеплення рівнів енергії ядра, а отже, зміни енергія переходу. Т. до. величини цих змін пов'язані з мікроскопічною структурою твердих тіл, вивчення зсуву ліній випромінювання та поглинання дає можливість отримати інформацію про будову твердих тіл. Ці зрушення можуть бути виміряні за допомогою мессбауерівських спектрометрів ( Рис. 3). Якщо g -кванти випускаються джерелом, що рухається зі швидкістю v щодо поглинача, то в результаті ефекту Доплера енергія g -квантів, що падають на поглинач, змінюється на величину Ev/c (для ядер, які зазвичай застосовуються при спостереженні Мессбауера ефекту, зміна енергії E на величину G відповідає значенням швидкостей v від 0,2 до 10 мм/сек). Вимірюючи залежність величини резонансного поглинання від v (спектр мессбауеровського резонансного поглинання), знаходять значення швидкості, при якому лінії випромінювання і поглинання знаходяться в точному резонансі, тобто коли поглинання максимально. За величиною v визначають зсув D E між лініями випромінювання та поглинання для нерухомих джерела та поглинача.

На Рис. 4, а показаний спектр поглинання, що складається з однієї лінії: лінії випромінювання і поглинання не зміщені один щодо одного, тобто знаходяться в точному резонансі при v = 0. Форма лінії, що спостерігається, може бути з достатньою точністю описана лоренцовою кривою (або Брейта - Вігнера формулою) із шириною на половині висоти 2G . Такий спектр спостерігається тільки в тому випадку, коли джерела і поглинача хімічно тотожні і коли на ядра в них не діють магнітне, ні неоднорідне електричне поля. У більшості випадків у спектрах спостерігаються кілька ліній (надтонка структура), обумовлених взаємодією з позаядерними електричними і магнітними полями. Характеристики надтонкої структури залежать як від властивостей ядер в основному і збудженому станах, так і від особливостей структури твердих тіл, до складу яких входять ядра, що випромінюють і поглинають.

Найважливішими типами взаємодій із позаядерними полями є електрична монопольна, електрична квадрупольна та магнітна дипольна взаємодія. Електрична монопольна взаємодія являє собою взаємодію ядра з електростатичним полем, створюваним в області ядра оточуючими його; воно призводить до виникнення в спектрі поглинання зсуву лінії d ( Рис. 4б), якщо джерело і поглинач хімічно не тотожні або якщо розподіл електричного заряду в ядрі неоднаковий в основному і збудженому станах (див. ). Цей т.зв. ізомерний або хімічний зсув пропорційний області ядра, і його величина є важливою характеристикою в твердих тілах (див. ). За величиною цього зсуву можна судити про іонний і ковалентний характер, про, про, що входять до складу, і т.д. Дослідження хімічних зрушень дозволяє також отримувати відомості про розподіл заряду.

Важливою для фізики твердого тіла характеристикою Мессбауера ефекту є його ймовірність. Вимірювання ймовірності Мессбауера ефекту та її залежності від атомів ізотопів 41 елемента; найлегшим серед них є 40 K, найважчим – 243 At.

Літ.: Ефект Мессбауера. Зб. ст., за ред. Ю. Кагана, М., 1962; Мессбауер Р., Ефект RK та його значення для точних вимірів, у збірнику: Наука та людство, М., 1962; Фрауенфельдер Р., Ефект Мессбауера, пров. з англ., М., 1964; Вертхейм Р., Ефект Мессбауера, пров. з англ., М., 1966; Ст С., Резонанс гамма-променів, М., 1969; Хімічні застосування, пров. з англ., за ред. Ст І. Гольданського [та ін.], М., 1970; Ефект Мессбауера. Зб. перекладів статей, за ред. Н. А. Бургова та В. В. Скляревського, пров. з англ., Нім., М., 1969.

Н. Н. Делягін.

Рис. 3. Спрощена схема мессбауеровського спектрометра; джерело g-квантів за допомогою механічного або електродинамічного пристрою наводиться у зворотно-поступальний рух зі швидкістю v щодо поглинача. За допомогою детектора g-випромінювання вимірюється залежність від швидкості v інтенсивності потоку g-квантів, що пройшли через поглинач.

Рис. 4. Спектри мессбауеровського резонансного поглинання g-квантів: I – інтенсивність потоку g-квантів, що пройшли через поглинач, v – швидкість руху джерела g-квантів; а - одиночні лінії випромінювання та поглинання, не зміщені одна щодо одної при v = 0; б - ізомерний чи хімічний зсув лінії. Зсув d пропорційний області ядра і змінюється залежно від особливостей у твердому тілі; в - квадрупольний дублет, що спостерігається для 57 Fe, 119 Sn, 125 Te та ін. Величина розщеплення D пропорційна градієнту електричного поля в області ядра: г - магнітна надтонка структура, що спостерігається в спектрах поглинання для магнітоупорядкованих матеріалів. Відстань між компонентами структури пропорційно до напруженості магнітного поля, що діє на ядра в твердому тілі.

Рис. 1. Схематичне зображення процесів випромінювання та резонансного поглинання g-квантів; випромінюючий і поглинаючий ядра однакові, тому енергії їх збуджених станів E" і E"" рівні.

Рис. 2. Зміщення ліній випромінювання та поглинання щодо енергії Eg-переходу; Г – ширини ліній.

те, що Мессбауера ефект.

Дивитись значення Ядерний Гамма-резонансв інших словниках

Гамма- ж. італ. нотна азбука, сходи, скеля у музиці, ряд, порядок звуків. | Таблиця нот, із позначенням аплікатури.
Тлумачний словник Даля

Гамма- Гами. Третя літера грецького алфавіту. - промені, гамма-промені, од. ні (фіз.) - те, що рентгенівські.
Тлумачний словник Ушакова

Резонанс- М. франц. зик, гул, рай, відгук, відгул, гул, віддача, удар; звучність голосу, за місцевістю, за розмірами кімнати; звучність, дзвінкість музичного знаряддя, по устройству........
Тлумачний словник Даля

Ядерний- Ядерна, ядерне (спец.). 1. Дод. до ядро ​​в 1 та 5 знач. сік. вага. 2. Дод., по знач. пов'язане з атомним ядром або з ядром клітини (фіз., біол.). Ядерна фізика. Ядерна структура бацил.
Тлумачний словник Ушакова

Гамма-- 1. Перша частина складних слів, що вносить значення: пов'язаний з електромагнітним випромінюванням, що випромінюється радіоактивними речовинами (гамма-промені, гамма-спектрометр, гамма-терапія тощо).
Тлумачний словник Єфремової

Гамма-глобулін М.— 1. Один із білків плазми крові, що містить антитіла та застосовується як лікувально-профілактичний препарат при деяких інфекційних захворюваннях.
Тлумачний словник Єфремової

Гамма-випромінювання Порівн.- 1. Короткохвильове електромагнітне випромінювання, що випромінюється радіоактивними речовинами.
Тлумачний словник Єфремової

Гамма-квант М.- 1. Квант гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Єфремової

Гамма-промені Мн.- 1. Те ​​саме, що: гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Єфремової

Гамма-установка- 1. Апарат для застосування спрямованого, регульованого пучка гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Єфремової

Резонанс М.- 1. Порушення коливань одного тіла коливаннями іншого тієї ж частоти, а також звучання у відповідь одного з двох тіл, налаштованих в унісон. 2. Здатність посилювати.
Тлумачний словник Єфремової

Гамма-- Перша частина складних слів. Вносить зн.: пов'язаний з електромагнітним випромінюванням (гамма-випромінюванням), що випромінюється радіоактивними речовинами. Гамма-аналіз, гамма-спалах,........
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-астрономія- ) -і; ж. Розділ астрономії, пов'язаний із дослідженнями космічних тіл щодо їх гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-сплеск-) -а; м. Короткочасне посилення космічного гамма-випромінювання. Спостерігати гамма-сплески.
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-глобулін-) -а; м. Один із білків плазми крові, що містить антитіла (застосовується як лікувально-профілактичний препарат при деяких інфекційних захворюваннях).
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-дефектоскопія- ) -і; ж. Метод перевірки матеріалів та виробів, заснований на вимірюванні поглинання гамма-променів, що випромінюються радіоактивними ізотопами металів (застосовується для виявлення прихованих дефектів).
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-випромінювання--я; пор. Фіз. Короткохвильове електромагнітне випромінювання, що випромінюється радіоактивними речовинами. Р. радію.
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-квант--а; м. Квант гамма-випромінювання. Потік гамма квантів. Поглинання гамма-квантів атомними ядрами.
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-лазер--а; м. Генератор індукційного гамма-випромінювання; газерів. Створити
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-промені- ) -ей; мн. Фіз. = Гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-щільномір-) -а; м. Прилад для вимірювання густини речовини за допомогою гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-поле-) -я; пор.
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-спектрометр-) -а; м. Прилад для вимірювання енергії (енергетичного спектра) гамма-випромінювання.
Тлумачний словник Кузнєцова

Гамма-спектроскопія- ) -і; ж. Розділ ядерної фізики, пов'язаний із вивченням спектрів гамма-випромінювання та різних властивостей збуджених станів атомних ядер.
Тлумачний словник Кузнєцова

ЗМІСТ: Історія відкриття Ядерне резонансне поглинання гамма випромінювання Техніка месбауеровського експерименту Надтонкі взаємодії та мессбауерівські параметри Практичні застосування методу: - Фазовий аналіз у матеріалознавстві та геохімії - Аналіз поверхні - Динамічні ефекти

Історія відкриття ядерного гамма резонансу (ефект Мессбауера) Атомний резонансний процес в оптичному діапазоні довжин хвиль добре відомий. Він був передбачений Д. Релеєм і знайшов своє експериментальне підтвердження в 1904 р. у відомому досвіді Роберта Вуда, в якому Вуд використовував жовте світло, що випускається атомами натрію (так звані D-лінії натрію), який можна отримати, помістивши в полум'я невелику кількість кухонної солі. Кожний D – лінії відповідає власна частота коливань атома натрію, чи, точніше, зовнішніх електронів цього атома. Щоб спостерігати резонанс, необхідно мати інші атоми натрію, що не перебувають у полум'ї. Вуд використовував скляний балон, що містить невелику кількість металевого натрію. Тиск парів натрію такий, що при нагріванні вище за кімнатну температуру кількість парів натрію в балоні була достатньою для проведення досвіду. Якщо світло від натрієвого полум'я сфокусувати на балон, можна спостерігати появу слабкого жовтого світіння. Атоми натрію в колбі діють аналогічно до налаштованого камертону. Вони поглинають енергію падаючого пучка жовтого світла, а потім висвічують її в різні боки.

П'ятдесят років тому, 1958 року, німецький фізик 1958 року Рудольф Людвіг Мессбауер, працюючи над дисертацією доктора філософії в Інституті ім. М. Планка в Гейдельберзі, представив у німецький фізичний журнал статтю під назвою «Ядерна резонансна флуоресценція гама випромінювання в Ir 191», що була опублікована в середині того ж року. А вже восени 1958 року виконав перші експерименти, в яких для сканування резонансних ліній використав ефект Доплера. Наприкінці 1958 року він опублікував отримані експериментальні дані, що заклали основу нового експериментального методу – ядерної гамма-резонансної спектроскопії, яка часто називається Мессбауерівською спектроскопією (МС). У 1961 році за відкриття та теоретичне обґрунтування цього явища Рудольфу Мессбауеру було присуджено Нобелівську премію з фізики.

Вплив ефекту віддачі при поглинанні та випромінюванні гама випромінювання ядрами Енергія віддачі: 57 Fe Енергія Допплера: : ET = 14. 4 ке. В, t 1/2 = 98 нс, Г = 4. 6 · 10 -9 е. В, → ER~ 2· 10 -3 е. В

Для ядер вільних атомів Для ядер атомів у кристалічній решітці при низьких температурах

Порівняння основних параметрів між електронними та ядерними переходами Параметри переходів Енергія переходу, ЕТ (е. В) Середня пора життя збудженого стану, (сек) Природна ширина резонансної лінії, Γ=ħ/τ (е. В) Енергетичний дозвіл, Г/ЕТ Енергія віддачі, ЕR (е. В) Ставлення ЕR/Г Електронний перехід для D-лінії Na Ядерний перехід 57 Fe Ядерний перехід 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

Ядерні параметри основних Мессбауерівських ізотопів Ізотоп 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, ке. У Гr/(ммс-1) =2 Гест Ig Ie 14. 41 67. 40 23. 87 37. 15 35. 48 57. 60 27. 72 22. 5 21. 6 26. 65 73. 0 77 . 54 0. 192 0. 78 0. 626 2. 1 5. 02 2. 54 0. 59 1. 60 1. 44 0. 37 0. 60 1. 87 0. 0067 1/23/21/2+ /2+ 7/2+ 7/25/2+ 3/2+ 5/2+ 3/25/23/2+ 7/2+ 5/2+ 5/27/2+ 5/21/2+ 5 /2 - α 8. 17 0. 12 5. 12 ~10 12. 7 3. 70 5. 3 ~12 29 ~2. 5 ~6 4. 0 1. 06 Природний вміст % 2. 17 1. 25 8. 58 57. 25 6. 99 100 nil 13. 9 47. 8 18. 88 61. 5 100 nil Розпад ядра 57 d) 61 Co (ß-99 m) 119 m. Sn (ІТ 50 d) 121 m. Sn (ß-76 y) 125 м (EC 60 d) 127 m. Te (ß-109d) 129m. 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) ЄС-електронне захоплення, β-бета розпад, IT-ізомерний перехід, α-альфа розпад

Схеми радіоактивного розпаду, у яких виникає заселеність мессбауеровского рівня на ядрах 57 Fe і 119 m. Sn

Можливість резонансного процесу без віддачі. Фактор Лемба-Мессбауера f – ймовірність процесу поглинання або випромінювання гама квантів без віддачі f – залежить від коливальних властивостей кристалічної решітки, тобто від ймовірності збудження фонів у твердому тілі - середній квадрат амплітуди коливань у напрямку випромінювання гама кванта ядра у збудженому стані λ– довжина хвилі гама кванта

Вплив фононних процесів на поглинання або розсіювання без віддачі а б у Коливальні спектри грат твердого тіла а – модель Ейнштейна, б-модель Дебая, в-модель Борна-Кармана

СВЕРХТОНКІ ВЗАЄМОДІЇ МЕССБАУЕРІВСЬКІ ПАРАМЕТРИ Мессбауеровський Тип взаємодії параметр Ізомерний зсув Електричне монопольне (кулонівське) між ядрами і δ(мм/с) протонами Витягана інформація Спиновий стан атома (HS, LS, с ) Електрична квадрупольна взаємодія між квадрупольним моментом ядра і неоднорідним електричним полем Молекулярна симетрія Характеристика зонної структури Спіновий стан атома (HS, LS, IS) Магнітне розщеплення ΔЕМ(мм/с) (феромагнетизм, антиферомагнетизм і т.д.

Ізомерний зсув у залізовмісних сполуках При експериментальному вимірі ізомерних хімічних зрушень завжди важливо, який використовується стандарт, щодо якого будуть визначатися ці зрушення. Так для вимірювань на Fe 57 офіційним стандартом є з'єднання цього ізотопу Na 2 або металеве залізо. На 119 m. Sn загальноприйнятим стандартом є Sn. O 2.

Електрична квадрупольна взаємодія Квадрупольне розщеплення ΔЕQ ΔEQ де: m. I=+I, +I-1, …, -I Для 57 Fe Iв=3/2 , Io=1/2 при η=0

Комбінована магнітна дипольна та електрична квадрупольна взаємодія Зазвичай Для 57 Fe та осьової симетрії (η=0) :

Процес розряджання ядра 57 Fe після резонансного збудження. Тип випромінювання, що випускається E ке. В Інтенсивність (відн. ед.) Глибина виходу Мессбауерівське випромінювання 14, 4 0, 10 20 мкм Рентгенівське Випромінювання К-оболонки 6, 4 0, 28 20 мкм К-конверсійні електрони 7, 3 0, 79 0 електрони 13, 6 0, 08 20 нм 1, 3 мкм М-конверсійні електрони …………… 14, 3 0, 01 20 нм 1, 5 мкм K – LL – Оже електрони 5, 5 0, 63 7 нм 400 L – MM – Оже електрони 0, 53 0, 60 1 нм 2 нм

Динаміка надтонких взаємодій та релаксація Серед методів дослідження залізовмісних магнітних властивостей наночастинок, однією з найінформативніших є мессбауерівська спектроскопія. На відміну від магнітних вимірів, мессбауерівська спектроскопія може виявити магнітну динаміку наночастинок у частотному діапазоні 107 - 1010 с-1, характерних для мессбауеровського «вікна». Форма експериментальних мессбауеровских спектрів низькорозмірних об'єктів сильно ускладнюється проти спектрами для масивних об'єктів. Причинами цього можуть бути: або суперпозиція статичного набору надтонких структур, обумовлена ​​різницею в локальному оточенні резонансних атомів, або впливом різного роду динамічних процесів (наприклад, дифузія, парамагнітна, спін-спинова, спін-решіткова релаксації тощо).

Форма мессбауерівських спектрів магнітоупорядкованих матеріалів 1. Випадок добре дозволеної надтонкої структури: 2. Випадок суперпозиції великого набору надтонких структур: 3. Випадок суперпарамагнітної релаксації: тут- p-ймовірність переорієнтації магнітного моменту атома на кут /2 між осями легко- перевороту в одиницю часу

Селективне збудження підрівнів магнітної надтонкої структури а) - схема переходів між ядерними підрівнями основного та збудженого станів -Fe; б) - експериментальний КЕМ спектр для тонкої плівки -Fe; в) - енергетичний спектр розсіяного випромінювання при збудженні рівня -3/2, г) енергетичний спектр розсіяного випромінювання за порушення рівня +1/2.

а) - спектр поглинання алюмозамещенного гетиту (8 мол. %) і спектри селективного збудження (згори донизу). в) - спектр на поглинання алюмозаміщеного гетиту (2 мол. %) та спектри селективного збудження (зверху вниз). Стрілка показує енергії збуджуючого випромінювання.