четверг, 7 сентября 2017 г.

Хотел этот вариант, не знаю, войдет или нет

6.7 Мёссбауэровская спектроскопия
Мёссбауэровская спектроскопия основана на эффекте Мёссбауэра, физическая суть которого заключается в ядерной гамма-резонансной флуоресценции без отдачи излучающих или поглощающих ядер, которые находятся в твердых телах.

Эффект Мёссбауэра был открыт в 1958 году, в экспериментах по излучению и поглощению гамма излучения ядрами изотопа иридия-191. При бета-распаде радиоактивного осмия-191, схема которого показана на рис.35, образуется возбужденное ядро иридия-191 у которого имеется три ядерных уровня: два возбужденных (E_ex1, E_ex2) и одно основное (E_g).


Рис. 35. Схема распада осмия-191 в иридий-191, справа от уровней указаны их энергии, спин и чётность.

При переходе в основное состояние ядро 191Ir излучает два гамма кванта, с энергиями 41,7 кэВ и 129,6 кэВ. Если в качестве поглотителя будет взят материал содержащий тот же изотоп  191Ir с теми же квантовыми ядерными уровнями, то по аналогии с оптической флюоресценцией, должно произойти резонансное поглощение гамма-излучения. Однако при нормальных условиях, особенно когда ядра находятся в свободных атомах, этого поглощения обнаружить нельзя. Гамма-квант обладающий высокой энергией E=h*nu, также обладает и большим импульсом p=E/c. Поэтому свободное ядро излучающее такой квант, приобретает импульс отдачи в направлении противоположном излучению, таким образом часть энергии гамма-кванта теряется. В свою очередь при поглощении, свободное ядро приобретает импульс по ходу излучения, поэтому энергия поглощаемого гамма-кванта должна быть несколько выше, чем естественная энергия квантового ядерного перехода. С учетом того, что сдвиги энергии ( 10^-2 ÷ 10^2 эВ) при излучении и поглощении значительно превышают естественную ширину линии ( 10^-8 ÷ 10^-4 эВ) Gamma, и линии излучения и поглощения не перекрываются, то это означает, что ядерную резонансную флуоресценцию невозможно наблюдать для свободных ядер, в жидком или газообразном состоянии.

Однако резонансное поглощение гамма-квантов ядрами возможно обнаружить в твердом теле. При исследовании поглощения в иридиевой фольге гамма-излучения с энергией 129,6 кэВ, испускаемого при бета-распаде изотопа 191Os, Рудольф Мёссбауэр обнаружил резкое уменьшение количества гамма-квантов зарегистрированных детектором при охлаждении источника и поглотителя до температуры жидкого кислорода. Доказательством того, что это была действительно ядерная резонансная флуоресценция, стал следующий эксперимент, проведенный Мёссбауэром, при котором был получен первый спектр ядерной гамма-резонансной флюоресценции. В этом эксперименте Мёссбауэр непосредственно определил зависимость интенсивности гамма-излучения, прошедшего через иридиевую фольгу от энергии гамма-излучения источника изменяемой за счет эффекта Допплера. На рис. 36 показан спектр от иридиевой фольги, толщиной около 0,4 мм. Верхняя шкала соответствует допплеровскому сдвигу энергии линии DeltaE=(v/c)*E_0 испускания относительно неподвижного источника, шкала под ней соответствующая этой энергии линейная скорость радиоактивного источника 191Os во вращающемся криостате. В экспериментальной установке, схема которой показана во вкладке на рис. 36, участок круговой траектории М приближенно соответствует поступательному движению источника. Гамма-излучение через свинцовый коллиматор расположенный напротив участка М, проходит через криостат А с иридиевой фольгой-поглотителем и регистрируется сцинтилляционным детектором D. При движении источника, энергия гамма кванта увеличивается или уменьшается, в зависимости от линейной скорости и направления движения на участке поступательного движения.


Рис. 36. Первый мёссбауэровский спектр иридиевой фольги и схема экспериментальной установки спектрометра: А — криостат с поглотителем; Q — вращающийся криостат с источником; D — сцинтилляционный детектор; M — участок круговой траектории источника, используемый при измерениях.

Поскольку ширина линии 129,6 кэВ порядка 10^-6 эВ, то для измерения линии поглощения  достаточно изменения скорости в пределах ±10 см/с, что довольно легко осуществить технически. В настоящее время метод вращения источника, для модулирования энергии гамма-кванта, не используется. Современные мёссбауэровские спектрометры используют систему движения основанной на электромеханическом принципе, подобный тому, который используется в электромеханическом громкоговорителе. В этом случае, источник или поглотитель, крепится к штоку системы движения и движется по особому закону движения управляемый электрическими сигналами.

Причина, по которой возможно наблюдать ядерную гамма-резонансную флуоресценцию в твердых телах, заключается в квантовомеханическом характере взаимодействия излучения с кристаллом или аморфным телом. Хотя атом содержащий резонансное ядро жестко связан в кристаллической решетке, при поглощении или излучении гамма-кванта, он также испытывает отдачу. Однако передача механической энергии отдельного атома в кристаллической решетке квантуется, то есть передается порциями — фононами. При этом существует вероятность того, что при отдаче фононы не образуются, в этом случае энергия гамма-кванта воспринимает вся кристаллическая решетка, масса которой много больше отдельного ядра и поэтому нет изменения энергии гамма-кванта при поглощении или излучении. Вероятность безфононного поглощения или излучения называют фактором Лэмба-Мёссбауэра f и он сильно зависит от температуры. В частности, поэтому Мёссбауэру удалось обнаружить эффект резонансного поглощения в иридии только при низкой температуре. Также величина отдачи зависит от энергии гамма-кванта, поэтому для мягкого гамма-излучения, фактор f будет выше. Так для изотопа железа 57Fe, энергия мессбауэровского перехода составляет 14,4 кэВ, и фактор f при комнатной температуре может достигать очень высоких значений (например, для источника 57Co в матрице хрома около 0,7).

Эффект Мёссбауэра можно наблюдать на изотопах элементов начиная с калия. Однако после калия до железа, мессбауэровские изотопы не встречаются, также как и после железа не все элементы являются мёссбауэровскими. Наиболее удобным мессбауэровским изотопом является 57Fe, на нем было сделано большинство опубликованных работ. Также довольно удобными в работе являются следующие мёссбауэровские изотопы: 129I, 119Sn и 121Sb.

Несмотря на довольно ограниченное число изотопов, пригодных для мёссбауэровских исследований, этот метод занял очень важное место среди физических методов в материаловедении, химии и геологии. При помощи этого метода был сделан большой вклад в исследование магнитных оксидных полупроводников — ферритов. имеющее большое значение для современной электроники. В настоящее время этим методом активно изучаются металлоорганические соединения переходных металлов, жидкие кристаллы, магнитные наночастицы для лечения рака. Наиболее потрясающим применением эффекта Мёссбауэра было получение спектров с поверхности Марса, автоматическим ровером «Оппортьюнити».
Рис. 37. Первый мёссбауэровский спектр на изотопе 57Fe верхнего слоя грунта Марса полученный с ровера «Оппортьюнити».

На рисунке 37 показан первый спектр полученный с поверхности Марса из кратера Гусева. В мёссбауэровских спектрах с Марса были обнаружены силикаты, оливины, оксиды железа, а также выявлены следы минерала сульфата железа, известного как ярозит, который формируется только в воде.