Мессбауера ефект
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Мессбауера ефект

Мессбауера ефект, резонансне поглинання g-квантів атомними ядрами, спостережуване, коли джерело і поглинач g-віпромінювання — тверді тіла, а енергія g-квантів невелика (~ 150 кев ). Інколи М. е. називається резонансним поглинанням без віддачі, або ядерним гамма-резонансом (ЯГР).

загрузка...

  При опроміненні речовини g-квантамі поряд із звичайними процесами взаємодії (див. Гамма-випромінювання ) можливе резонансне поглинання g-квантів ядрами, при якому g-квант зникає, а ядро збуджується, тобто переходить в стан з більшою внутрішньою енергією. Це явище аналогічно резонансному поглинанню світлових квантів ( фотонів ) атомами (див. Атом, Квантова електроніка ) . Необхідна умова резонансного поглинання полягає в тому, щоб енергія, яку квант витрачає на збудження ядра, дорівнювала б в точності енергії квантового переходу, тобто різниці внутрішніх енергій ядра в збудженому і основному станах. На перший погляд ця умова автоматично задовольняється, коли випромінюючі і поглинаючі ядра однакові ( мал. 1 ). Проте g-квант з енергією E володіє імпульсом p = E/с (де з — швидкість світла, див.(дивися) Корпускулярно-хвильовий дуалізм ) , і за законом збереження імпульсу при випромінюванні або поглинанні кванта ядром останнє випробовує віддачу. Випромінююче ядро маси М-коду, отримавши імпульс набуває кінетичної енергії D E = р 2 /2М   = E 2 / 2Мс 2 . Т. о., частина енергії g-переходу трансформується в кінетичну енергію ядра і енергія випущеного кванта менше повної енергії g-переходу на величину D E . Така ж енергія D E передається вільному (що покоїться) ядру і в процесі поглинання. Тому для досягнення резонансу падаючий на ядро g-квант повинен мати енергію на величину D E більшу, ніж енергія переходу. В результаті лінії випускання і поглинання виявляються зміщеними один відносно одного на величину 2d E = E 2 / Мс 2 ( мал. 2 ).

  Величина D E складає вельми невелику долю від енергії переходу E , проте D E завжди значно перевершує ширину лінії випромінювання. Тому лінії випускання і поглинання майже не перекриваються і вірогідність резонансного поглинання g-квантів надзвичайно мала. Наприклад, для g-віпромінювання 14,4 кев (ядра 57 Fe) D E » 2´10 -3 ев , тоді як природна ширина лінії G » 4,6´10 -9 ев (див. Ширіна спектральних ліній ) .

  Зазвичай ядра входять до складу твердих тіл або рідин, тобто не є вільними, проте в більшості випадків втрата енергії D E із-за віддачі практично не відрізняється від розглянутого вище випадку вільних і нерухомих ядер. Крім того, ширина ліній g-віпромінювання зазвичай істотно перевершує природну ширину G унаслідок доплеровського розширення, що виникає при тепловому русі атомів (див. Доплера ефект ) . Проте при кімнатній температурі перекриття ліній випускання і поглинання залишається все ж незначним. При спостереженні резонансного поглинання світла атомами аналогічна трудність, як правило, не виникає: із-за малої енергії фотона енергія віддачі мала і зсуви ліній випускання і поглинання незначні. Щоб зробити резонансне поглинання g-квантів спостережуваним, доводиться штучно збільшувати перекриття ліній випускання і поглинання. Для цього використовують зрушення ліній за рахунок ефекту Доплера, при зустрічному русі випромінюючого і поглинаючого ядер. У здійснених експериментах необхідна швидкість руху (сотні м/сек ) повідомлялася одним з трьох способів: шляхом механічного переміщення джерела або поглинача; за рахунок віддачі, що випробовується ядром, якщо випромінюванню g-кванта передує a- або b-розпад; за рахунок нагрівання джерела і поглинача до високої температури.

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

  Це явище, що отримало найменування М. е., обумовлено колективним характером руху атомів в твердому телі. Завдяки сильній взаємодії атомів в твердих тілах енергія віддачі передається не окремому ядру, а перетворюється на енергію коливань кристалічної решітки, іншими словами, віддача приводить до народженню фононів . Але якщо енергія віддачі (розрахована на одне ядро) менше середньої енергії фонона, характерної для даного кристала, то віддача не кожного разу приводитиме до народження фонона. У таких «бесфононних» випадках віддача не змінює внутрішньої енергії кристала. Кінетична ж енергія, якої набуває кристал в цілому, сприймаючи імпульс віддачі g-кванта, нехтує мала. Передача імпульсу в цьому випадку не супроводитиметься передачею енергії, а тому положення ліній випускання і поглинання точно відповідатиме енергії E переходу.

  Вірогідність такого процесу досягає декількох десятків %, якщо енергія g-переходу досить мала; практично М. е. спостерігається лише при D E » 150 кев (із збільшенням E вірогідність народження фононів при віддачі зростає). Вірогідність М. е. сильно залежить також від температури. Часто для спостереження М. е. необхідно охолоджувати джерело g-квантів і поглинач до температури рідкого азоту або рідкого гелію, 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) М. е. можна спостерігати аж до температур, що перевищують 1000 °С. За інших рівних умов вірогідність М. е. тим більше, чим сильніше взаємодія атомів в твердому телі, тобто чим більше енергія фононів. Тому вірогідність М. е. тим вище, чим більше Дебая температура кристала.

  Істотною властивістю резонансного поглинання без віддачі, що перетворила М. е. з лабораторного експерименту у важливий метод дослідження, є надзвичайно мала ширина лінії. Відношення ширини лінії до енергії g-кванта при М. е. складає, наприклад, для ядер 57 Fe величину »3´10 -13 , а для ядер 67 Zn »5,2´10 -16 . Така ширина ліній не досягнута навіть в газовому лазері, що є джерелом найвужчих ліній в інфрачервоному і видимому діапазоні електромагнітних хвиль. За допомогою М. е. виявилося можливим спостерігати процеси, в яких енергія g-кванта на надзвичайно малу величину (»G або навіть невеликих доль G) відрізняється від енергії переходу ядер поглинача. Такі зміни енергії приводять до зсуву ліній випускання і поглинання один відносно одного, що спричиняє за собою зміну величини резонансного поглинання, яке може бути виміряне.

  Можливості методів, заснованих на використанні М. е., добре ілюструє експеримент, в якому удалося виміряти в лабораторних умовах передбачене відносності теорією зміна частоти кванта електромагнітного випромінювання в гравітаційне поле Землі. У цьому експерименті (Р. Паунда і Г. Ребки, США, 1959) джерело g-віпромінювання було розташоване на висоті 22,5 м-коду над поглиначем. Відповідна зміна гравітаційного потенціалу повинна була привести до відносної зміни енергії g-кванта на величину 2,5´10 -15 . Зрушення ліній випускання і поглинання виявилося відповідно до теорії.

  Під впливом внутрішніх електричних і магнітних полів, що діють на ядра атомів в твердих тілах (див. Кристалічне поле ) , а також під впливом зовнішніх чинників (тиск, зовнішні магнітні поля) можуть відбуватися зсуви і розщеплювання рівнів енергії ядра, а отже зміни енергія переходу. Т. до. величини цих змін пов'язані з мікроскопічною структурою твердих тіл, вивчення зсуву ліній випускання і поглинання дає можливість отримати інформацію про будову твердих тіл. Ці зрушення можуть бути виміряні за допомогою месбауерівських спектрометрів ( мал. 3 ). Якщо g-кванті випускаються джерелом, рухомим із швидкістю v відносно поглинача, то в результаті ефекту Доплера енергія g-квантів, падаючих на поглинач, змінюється на величину Ev/c (для ядер, зазвичай вживаних при спостереженні М. е., 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 месбауерівського резонансного поглинання), знаходять те значення швидкості, при якому лінії випускання і поглинання знаходяться в точному резонансі, тобто коли поглинання максимальне. По величині v визначають зсув D E між лініями випускання і поглинання для нерухомого джерела і поглинача.

  На мал. 4 , а показаний спектр поглинання, що складається з однієї лінії: лінії випускання і поглинання не зміщені один відносно одного, тобто знаходяться в точному резонансі при v = 0. Форма спостережуваної лінії може бути з достатньою точністю описана лоренцової кривої (або Брейта — Вігнера формулою) з шириною на половині висоти 2g. Такий спектр спостерігається лише у тому випадку, коли речовини джерела і поглинача хімічно тотожні і коли на ядра атомів в цих речовинах не діє ні магнітне, ні неоднорідне електричне поля. У більшості ж випадків в спектрах спостерігаються декілька ліній (надтонка структура), обумовлених взаємодією атомних ядер 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 випромінюючі і поглинаючі ядра.

  Найважливішими типами взаємодій атомного ядра з позаядерними полями є електричне монопольне, електричне квадрупольне і магнітне дипольне взаємодії. Електрична монопольна взаємодія є взаємодія ядра з електростатичним полем, що створюється в області ядра електронами, що оточують його; воно приводить до виникнення в спектрі поглинання зрушення лінії d ( мал. 4 , би), якщо джерело і поглинач хімічно не тотожні або якщо розподіл електричного заряду в ядрі неоднаково в основному і збудженому станах (див. Ізомерія атомних ядер ) . Цей т. н. ізомерне або хімічне зрушення пропорційне електронній щільності в області ядра, і його величина є важливою характеристикою хімічному зв'язку атомів в твердих тілах (див. Крісталлохимія ) . По величині цього зрушення можна судити про іонний і ковалентний характер хімічного зв'язку, про ефективні заряди атомів в хімічних з'єднаннях, про електронегативність атомів, що входять до складу молекул, і т.д. Дослідження хімічних зрушень дозволяє також отримувати зведення про розподіл заряду в атомних ядрах.

  Електрична квадрупольна взаємодія — взаємодія квадрупольного моменту ядра з неоднорідним електричним полем приводить до розщеплювання ядерних рівнів, внаслідок чого в спектрах поглинання спостерігається не одна, а декілька ліній. Наприклад, для ядер 57 Fe, 119 Sn і 125 Te в спектрах поглинання спостерігаються дві лінії (квадрупольний дублет, мал. 4 , в). Різниця енергії між компонентамі дублету D пропорційна твору квадрупольного моменту ядра на градієнт електричного поля в області ядра. Т. до. величина градієнта електричного поля є характеристикою симетрії зарядів, що оточують ядро в твердому телі, те дослідження квадрупольної взаємодії дозволяє отримати інформацію про електронні конфігурації атомів і іонів, про особливості структури твердих тіл, а також про квадрупольні моменти атомних ядер.

  Магнітна дипольна надтонка взаємодія зазвичай спостерігається в магнітоупорядоченних (ферро-, антіферро- феррімагнітних) речовинах, в яких на ядра атомів діють сильні магнітні поля Н, що досягають величини »10 6 е (див. Магнетизм, Феромагнетизм і ін.). Енергія магнітної дипольної взаємодії пропорційна твору магнітного моменту ядра на Н і залежить від орієнтації магнітного поля. Тому магнітне дипольне взаємодія приводить до розщеплювання основного і збуджених рівнів ядер, внаслідок чого в спектрі поглинання спостерігаються декілька ліній, число яких відповідає числу можливих g-переходів між магнітними підрівнями основного і збуджених станів (див. Зеемана ефект ) . Наприклад, для ядра 57 Fe число таких переходів дорівнює 6 ( мал. 4 , г). По відстані між компонентамі магнітної надтонкої структури можна визначити напруженість магнітного поля, що діє на ядро в твердому телі. Величини цих полів дуже чутливі до особливостей електронної структури твердого тіла, до складу магнітних матеріалів, тому дослідження магнітної надтонкої структури широко використовується для вивчення магнітних властивостей кристалів.

  Важливою для фізики твердого тіла характеристикою М. е. є також його вірогідність. Вимір вірогідності М. е. і її залежності від температури дозволяє отримати зведення про особливості взаємодії атомів в твердих тілах і про коливання атомів в кристалічній решітці. Виміри, в яких використовується М. е., відрізняються високою вибірковістю, т.к. в кожному експерименті резонансне поглинання спостерігається лише для ядер одного сорту. Ця особливість методу дозволяє ефективно використовувати М. е. у тих випадках, коли атоми, на ядрах яких спостерігається М. е., входять до складу твердих тіл у вигляді домішок. М. е. успішно використовується для дослідження електронних станів домішкових атомів в металах і напівпровідниках і для вивчення особливостей коливань домішкових атомів в кристалах.

  М. е. знаходить також вживання в біології (наприклад, дослідження електронної структури гемоглобіну ), в геологічній розвідці (експрес-аналіз руд), для цілей хімічного аналізу, для виміру швидкостей і вібрацій і т.п. М. е. спостерігався для 73 ізотопів 41 елементу; найлегшим серед них є 40 K, найважчим, — 243 At.

 

  Літ.: Ефект Мессбауера. Сб. ст., під ред. Ю. Кагана, М., 1962; Мессбауер Р., Ефект RK і його значення для точних вимірів, в збірці: Наука і людство, М., 1962; Фрауенфельдер Р., Ефект Мессбауера, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Вертхейм Р., Ефект Мессбауера, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Шпінель Ст С., Резонанс гамма-променів в кристалах, М., 1969; Хімічні вживання месбауерівської спектроскопії, пер.(переведення) з англ.(англійський) під ред. В. І. Гольданського [і ін.], М., 1970; Ефект Мессбауера. Сб. переведень статей, під ред. Н. А. Бургова і В. Ст Ськляревського, пер.(переведення) з англ.(англійський), йому.(німецький), М., 1969.

  Н. Н. Делягин.

Мал. 3. Спрощена схема месбауерівського спектрометра; джерело g-квантів за допомогою механічного або електродинамічного пристрою приводиться в зворотно-поступальний рух із швидкістю v відносно поглинача. За допомогою детектора g-віпромінювання вимірюється залежність від швидкості v інтенсивності потоку g-квантів, що пройшли через поглинач.

Мал. 4. Спектри месбауерівського резонансного поглинання g-квантів: I — інтенсивність потоку g-квантів, що пройшли через поглинач, v — швидкість руху джерела g-квантів; а — одиночні лінії випускання і поглинання, не зміщені один відносно одного при v = 0; би — ізомерне або хімічне зрушення лінії. Зрушення d пропорційне електронній щільності в області ядра і міняється в залежності від особливостей хімічного зв'язку атомів в твердому телі; у — квадрупольний дублет, спостережуваний для ізотопів 57 Fe, 119 Sn, 125 Te і ін. Величина розщеплювання D пропорційна градієнту електричного поля в області ядра: г — магнітна надтонка структура, спостережувана в спектрах поглинання для магнітоупорядоченних матеріалів. Відстань між компонентамі структури пропорційно напруженості магнітного поля, що діє на ядра атомів в твердому телі.

Мал. 1. Схематичне зображення процесів випромінювання і резонансного поглинання g-квантів; випромінююче і поглинаюче ядра однакові, тому енергії їх збуджених станів E '' і E '''' рівні.

Мал. 2. Зсув ліній випускання і поглинання відносно енергії E g-переходу; Г — ширина ліній.