Мёссбауэровская спектроскопия (B~vvQgrzjkfvtgx vhytmjkvtkhnx)

Перейти к навигации Перейти к поиску
Мёссбауэровская спектроскопия
Изображение
Названо в честь Мёссбауэр, Рудольф Людвиг
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе
Мёссбауэровский спектр железа-57 и схема энергетических уровней изомерного сдвига и сверхтонкого магнитного расщепления
Изомерный сдвиг энергии возбуждённого уровня ядра изотопа олова . По оси отложена относительная скорость источников излучения и поглощения гамма-квантов, вызывающая доплеровский сдвиг энергии гамма-кванта, по оси  — электроотрицательность лигандов иона гексагалогенида ( — атом галогена) олова .

Мёссбауэровская спектроскопия (от нем. Mößbauerspektroskopie) — метод я́дерного га́мма-резона́нса, основан на эффекте Мёссба́уэра, который заключается в резонансном поглощении без отдачи атомным ядром монохроматического гамма-излучения, испускаемого радиоактивным источником.

Метод ядерного гамма-резонанса используется в физическом материаловедении, геологии[1], химии и биологии.

Сущность метода

[править | править код]

В абсорбционной мёссбауэровской спектроскопии (наиболее часто применяемой разновидности метода) образец-поглотитель просвечивается гамма-квантами, излучаемыми возбуждённым железом-57 (57Fe), иридием-191 (191Ir) или другим мёссбауэровским изотопом. За поглотителем располагается детектор, с помощью которого измеряется коэффициент поглощения гамма-квантов образцом. Образец должен содержать такие же ядра (57Fe, 191Ir и т. д.). Возбуждённые ядра в источнике создаются при распаде соответствующего радиоактивного изотопа (например, 57Co, превращающийся в возбуждённое состояние 57Fe).

В обычных условиях ядро, излучающее гамма-квант, приобретает импульс отдачи из-за закона сохранения импульса, так как гамма-квант уносит импульс. Поглощающее ядро, захватив гамма-квант, также приобретает импульс отдачи. Как следствие, взаимная «точная настройка» источника и поглотителя сбивается на сотые доли электронвольта, что очень мало по сравнению с типичной энергией гамма-кванта (которая по порядку величины может быть от десятков кэВ до МэВ), но чрезвычайно много по сравнению с естественной шириной уровня распада ядра, которая по порядку величины равна эВ.

Однако ядра всё-таки можно настроить в резонанс друг с другом, поместив их в кристаллическую решётку при достаточно низкой температуре. Импульс отдачи ядра принимает на себя кристаллическая решётка образца и источника (то есть макроскопический объект), в результате доплеровский сдвиг гамма-линий становится пренебрежимо малым (значительно меньшим, чем естественная ширина гамма-линии). Благодаря этому обстоятельству, небольшое изменение относительной скорости источника и поглотителя (порядка см/с) позволяет разрешить тонкую структуру уровней ядра, которая зависит от его химического окружения. Зависимость уровней энергии от химического окружения называют изомерным сдвигом.

Зависимость коэффициента поглощения образца от относительной скорости движения источника и образца (то есть от энергии поглощаемого гамма-кванта) называется мёссбауэровским спектром поглощения. Этот спектр позволяет судить об электронной структуре атома в исследуемом веществе, окружающих его химических группах и о характере их взаимодействий[2][3][4].

Мёссбауэровский спектрометр

[править | править код]
Упрощённая схема спектрометра Мёссбауэра

Мёссбауэровский спектрометр предназначен для измерения мёссбауэровских спектров ядер мёссбауэровских изотопов в различных химических соединениях, сплавах для определения характера химической связи в образцах этих веществ.

Спектрометр состоит из трёх основных частей: радиоактивного источника, перемещаемого по направлению от и к образцу, коллиматора, формирующего параллельный пучок гамма-квантов из их расходящегося потока от источника, держателя исследуемого образца и детектора гамма-излучения. Перемещение источника осуществляется обычно электромагнитным механическим приводом, по принципу действия подобным электродинамическому громкоговорителю, сообщающим источнику колебательное синусоидальное перемещение.

Выходной сигнал детектора и сигнал скорости перемещения подаются на модифицированный многоканальный анализатор импульсов, причём номер канала анализатора импульсов, в котором накапливаются отсчёты от срабатываний детектора, соответствует скорости перемещения, в отличие от многоканальных анализаторах[уточнить] амплитуды импульсов, в которых номер канала соответствует амплитуде импульса. В результате работы такого анализатора получается зависимость поглощения гамма-квантов образцом от скорости перемещения, или, что то же самое, от энергии гамма-квантов, которая изменяется в результате эффекта Доплера.

Области применения

[править | править код]

Метод ядерного гамма-резонанса используется в физическом материаловедении, химии и биологии (например, при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках). Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца мёссбауэровскими изотопами, повышая, например, содержание 57Fe в корме подопытных животных.

Одним из впечатляющих применений этого метода стал эксперимент Паунда и Ребки[5], которые в 1960 г. измерили в лабораторных условиях гравитационное смещение гамма-квантов, предсказываемое общей теорией относительности.

Примечания

[править | править код]
  1. Макеев А. Б., Лютоев В. П., Второв И. П., Брянчанинова Н. И., Макавецкас А. Р. Состав и спектроскопия ксенокристов оливина из гавайских толеитовых базальтов // Учёные записки Казанского университета. Серия: Естественные науки. — 2020. — Т. 162, кн. 2. — С. 253—273. — doi: 10.26907/2542-064X.2020.2.253-273
  2. Weiner, R. Nuclear isomeric shift on spectral lines (неопр.) // Il Nuovo Cimento[англ.]. — 1956. — Т. 4, № 6. — С. 1587—1589. — ISSN 0029-6341. — doi:10.1007/BF02746390. — Bibcode1956NCim....4.1587W.
  3. Richard M. Weiner Analogies in Physics and Life, World Scientific 2008.
  4. S. L. Ruby in Mössbauer Isomer Shifts, editors G. K. Shenoy and F. E. Wagner, North Holland Publishing Company, 1978, p. 1.
  5. Pound R. V., Snider J. L. Effect of Gravity on Nuclear Resonance (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1964. — 2 November (vol. 13, no. 18). — P. 539—540. — doi:10.1103/PhysRevLett.13.539. — Bibcode1964PhRvL..13..539P.