Рис. 8. (а) Переходы между первым и основным уровнями железа 57Fe при учете сверхтонкого расщепления. (б) Мессбауэровская кривая для железа 57Fe
Впервые сверхтонкое расщепление ядерных уровней было обнаружено у изотопов железа 57Fe. На рис. 8, а показаны возможные переходы между первым и основным уровнями, испытавшими сверхтонкое расщепление. Такую структуру подуровней имеют как ядра излучателя, так и ядра поглотителя. Поэтому картина зависимости резонансного поглощения от скорости движения источника должна быть очень сложной. Для ее упрощения ядра излучателей включают в диамагнитную решетку из нержавеющей стали, из-за чего сверхтонкое расщепление для них отсутствует и число минимумов на мессбауэровской кривой совпадает с числом переходов в ядре поглотителя (рис. 8, б).
Расшифровка мессбауэровского спектра позволяет вычислить расщепления для основного ДEосн и возбужденного ДEвоз состояний. Это позволяет по измеренному значению ДEосн и известному значению магнитного момента изотопа 57Fe в основном состоянии мnосн ? 2.8•10?9 эВ/Тл вычислить среднее магнитное поле электронов в районе ядра: He =33.3 Тл. Далее, зная He и ДEвоз, можно вычислить магнитный момент ядра в возбужденном состоянии: мnвоз ? ?4.8•10?9 эВ/Тл [1].
Измерение изомерного сдвига
Изомерный сдвиг проявляется в виде смещения центра тяжести спектра от нулевой скорости и обусловлен электростатическим взаимодействием ядра с окружающими электронами. Энергия этого взаимодействия различна для основного и возбужденного состояний, между которыми происходит г-переход. Для того чтобы понять причину неравенства энергий перехода в источнике и поглотителе, требуется учесть, что ядра имеют конечный радиус. При этом у одних изотопов испускание г-кванта может приводить к уменьшению, а у других - к увеличению размера ядра. Изменение радиуса ядра сопровождается изменением пространственного заряда ядра, что приводит к изменению энергии кулоновского взаимодействия ядерного заряда с электронным зарядом в месте нахождения ядра. Если химическое состояние мессбауэровских атомов источника и поглотителя одинаково (например, источником и поглотителем является SnO2), то смещение ядерных уровней в источнике и поглотителе за счет изменения радиуса ядра будет одинаковым. А потому энергии перехода между смещенными основным и возбужденным состояниями в источнике Es и поглотителе Ea будут тоже одинаковыми. Если же атомы в источнике и поглотителе находятся в химически различных состояниях (например, источником является SnO2, а поглотителем SnCl2), электронный заряд, с которым будет взаимодействовать ядро в атомах источника и поглотителя, будет различным. В результате Es будет отличаться от Ea и максимум резонансного поглощения проявится при v ? 0.
Для изомерного сдвига справедливо следующее выражение:
где R = (Rосн + Rвоз)/2 - среднее значение радиуса ядра в возбужденном Rвоз и основном Rосн состояниях; ДR = Rвоз - Rосн; Шs и Шa - волновые функции электронных оболочек атомов источника и поглотителя соответственно. Измерение изомерного сдвига позволяет исследовать изменение электронной структуры атомов в разных химических соединениях.
В качестве примера измерения изомерного сдвига на рис. 9 показаны мессбауэровские спектры для случаев, когда источником является б-модификация олова (“серое” олово), а поглотителями - SnCl2 и BaSnO3 [3].
Рис. 9. Мессбауэровские спектры двух соединений олова, полученные с источником б-модификация олова
Исследования по физике твердого тела
Процессы, происходящие в атомных оболочках, оказывают ничтожное влияние на внутриядерные явления. С помощью эффекта Мессбауэра это влияние удается обнаружить. Линии мессбауэровских спектров заметно сдвигаются и меняются по ширине при переходе от одного химического соединения к другому, при изменении температуры, при наложении механических напряжений и т.д. Поэтому эффект Мессбауэра широко используется в исследованиях по физике твердого тела. Например, он оказался незаменимым для изучения фазовых переходов второго рода, при которых не меняется плотность, но меняется структура решетки.
Влияние кристаллической структуры на мессбауэровское излучение хорошо видно на рис. 10, а-г, где приведены мессбауэровские спектры изотопа железа 57Fe, снятые на различных железосодержащих образцах. На нержавеющей стали получается одиночная линия. На соединении FeCO3 эта линия раздваивается за счет действия градиента электрического поля. На окиси железа Fe2O3 получается уже шесть линий за счет расщепления внутренним магнитным полем. Еще большее количество линий имеет спектр магнетита Fe3O4. Здесь сказывается то, что в магнетите для атомов железа в решетке имеются два неэквивалентных положения. Грубо говоря, магнетит представляет собой комбинацию решеток Fe2O3 и FeO, вставленных друг в друга. Соответственно и мессбауэровский спектр магнетита состоит из двух наложенных друг на друга спектров Fe2O3 и FeO [2].
Рис. 10. Мессбауэровские спектры для изотопа железа 57Fe на различных железосодержащих образцах: (а) нержавеющая сталь, (б) гематит Fe2O3, (в) сидерит FeCO3, (г) магнетит Fe3O4
Заключение
Эффект Мессбауэра - резонансное возбуждение ядерных уровней фотонами от источника из того же вещества. Трудность наблюдения резонансного возбуждения связана с тем, что естественная ширина ядерных уровней значительно мала по сравнению с энергиями отдачи ядра-излучателя или ядра-поглотителя.
Мессбауэр, исследуя явление резонансного поглощения г_квантов, понизил температуру источника и обнаружил, что число поглощенных фотонов существенно увеличилось. Он объяснил это тем, что ядро-излучатель и ядро-поглотитель не были свободными ядрами, а находились в кристаллах. В кристалле импульс отдачи, полученный отдельным ядром, сложным образом перераспределяется между соседними ядрами. А с уменьшением температуры кристалла и уменьшением энергии отдачи увеличивается относительное число ядерных переходов с передачей импульса отдачи всему кристаллу.
Эффект Мессбауэра нашел многочисленные применения в разных областях науки. Например, с помощью эффекта Мессбауэра были измерены ширины уровней мессбауэровских ядер, было проверено соотношение неопределенностей, была измерена зависимость энергии фотона от высоты источника за счет силы тяжести. Расшифровка мессбауэровских спектров позволяет идентифицировать химический состав и выявить особенности кристаллических структур веществ.
Литература
1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Книга 1, часть 1. // М., Энергоамтоиздат, 1993.
2. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. // М., «Наука», 1980.
3. Фабричный П.Б., Похолок, К.В. Мессбауэровская спектроскопия и ее применение для химической диагностики неорганических материалов.
Ссылки:
www.chem.msu.ru/rus/teaching/radio/fabrichn2012.pdf
https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Мессбауэра