Interested Article - Мёссбауэровская спектроскопия

Мёссбауэровский спектр железа-57 и схема энергетических уровней изомерного сдвига и сверхтонкого магнитного расщепления

Изомерный сдвиг энергии возбуждённого уровня ядра изотопа олова ${\ce {^{119}Sn}}$ . По оси $y$ отложена относительная скорость источников излучения и поглощения гамма-квантов, вызывающая доплеровский сдвиг энергии гамма-кванта, по оси $x$ — электроотрицательность лигандов иона гексагалогенида ( ${\ce {Xa}}$ — атом галогена) олова ${\ce {[SnXa6]^{2-}}}$ .

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 , химии и биологии.

Сущность метода

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

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 $10^{-6}$ 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 .

Мёссбауэровский спектрометр

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

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 ⁵⁷ Fe в корме подопытных животных.

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

Примечания

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:
Weiner, R. Nuclear isomeric shift on spectral lines (неопр.) // (англ.) ( . — 1956. — Т. 4 , № 6 . — С. 1587—1589 . — ISSN . — doi : . — Bibcode : .
Richard M. Weiner Analogies in Physics and Life, World Scientific 2008.
S. L. Ruby in Mössbauer Isomer Shifts, editors G. K. Shenoy and F. E. Wagner, North Holland Publishing Company , 1978, p. 1.
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 : . — Bibcode : .