Mossbauer effekti. Nüvə qamma-rezonans spektroskopiyasının fiziki əsasları və onun

Atom nüvələrinin emissiya spektrlərinin atomların və molekulların emissiya spektrlərinə bənzər şəkildə yaranmasından demək olar ki, aydın görünürdü ki, atom nüvələri həyəcanlı vəziyyətdən normal vəziyyətə keçid zamanı müəyyən tezlikli qamma kvantları buraxan, normal vəziyyətdə eyni kvantları seçici şəkildə qəbul etməlidir. Qamma kvantının rezonanslı udulması nüvəni həyəcanlı vəziyyətə köçürməlidir, necə ki işığın udulması atom və ya molekulu həyəcanlı vəziyyətə gətirir. Bununla belə, cəhdlər

Bu kvantların buraxıldığı eyni atom nüvələri tərəfindən qamma kvantlarının rezonanslı udulmasının eksperimental aşkarlanması uzun müddət nəticəsiz qaldı.

Qamma kvantlarının rezonans udulmasının aşkarlanması üzrə təcrübələrin mənfi nəticələrinin sadə izahı var. Əgər nüvənin həyəcanlanmış vəziyyətdən normal vəziyyətə keçməsi qamma kvantının emissiyası ilə baş verirsə, onda bu kvantın enerjisi enerji fərqinə tam bərabər deyil.İmpulsun saxlanması qanununa əsasən, qamma kvant buraxılır, atom nüvəsi buraxılan qamma kvantının impulsuna bərabər olan və əks istiqamətə yönəldilmiş bir impuls əldə edir. Nüvə, atəş zamanı silah kimi bir foton yayarkən geri çəkilmə hiss edir. Bu baxımdan, ayrılan enerji qamma kvant və nüvə arasında paylanır. Nəticə etibarı ilə, foton enerjisi geri çəkilməyə məruz qalmış nüvənin kinetik enerjisinin miqdarı ilə fərqdən azdır:

Aydındır ki, bu qamma kvantının enerjisi eyni nüvəni köçürmək üçün lazım olan enerjidən azdır. normal vəziyyət həyəcanlı:

Alman fiziki R. Mössbauer 1958-ci ildə göstərmişdir ki, bəzi kristallarda qamma kvantının emissiyası zamanı geri çəkilmə impulsunun ayrı-ayrı nüvəyə deyil, bütövlükdə bütün kristala ötürülməsi üçün şərait yaratmaq mümkündür. Bu halda kristalın kinetik enerjisindəki dəyişiklik, böyük kütləsinə görə (bir nüvənin kütləsi ilə müqayisədə) sıfıra yaxınlaşır və buraxılan qamma kvantlarının enerjisi demək olar ki, tam fərqə bərabər olur. belə qamma kvantlarının şüasını həmin izotopun atom nüvələri olan nümunədən keçirərkən rezonans udma müşahidə olunur.

Mössbauer effektinin diqqətəlayiq xüsusiyyəti udma spektral xəttinin qeyri-adi kiçik eni, yəni rezonans udma zirvəsinin darlığıdır. Məsələn, dəmir izotopundan istifadə edərkən, qamma kvantının tezliyi onun tezliyinin bir komponenti ilə dəyişdikdə rezonans pozulur.

Bu o deməkdir ki, qamma kvantının enerjisindəki dəyişikliyi onun ilkin dəyərinin bir hissəsi olan bir miqdarla qeyd etmək mümkün olur!

Mössbauer effektinin istifadəsi müasir fizikada ən incə təcrübələrdən birini - spektrin cazibə qırmızı sürüşməsinin kəşfini həyata keçirməyə imkan verdi.

xətlər. Qravitasiyanın qırmızı sürüşməsinin mövcudluğu proqnozlaşdırılır ümumi nəzəriyyə nisbilik. Biz burada kütlə və enerji arasındakı əlaqə qanununun istifadəsinə əsaslanaraq bu effektin sadələşdirilmiş izahını təqdim edirik.

Enerjisi olan qamma fotonun kütləsi var.

Nüvələrin enerjisi kvantlanır. Nüvə həyəcanlı vəziyyətdən əsas vəziyyətə keçdikdə, enerji ilə - kvant buraxılır. Sonsuz ağır sərbəst nüvə üçün bu enerjinin ən çox ehtimal olunan dəyəri onun yer və həyəcanlanmış hallarının enerjiləri arasındakı fərqə bərabərdir: . Əks proses enerjiyə yaxın olan g-kvantının udulmasına uyğun gəlir.

Eyni nüvələrin toplusu eyni səviyyəyə qədər həyəcanlandıqda, buraxılan kvantların enerjisi orta dəyər ətrafında bir qədər yayılma ilə xarakterizə olunacaq.

Şək. 1.13 Elektromaqnit kvantlarının (a) emissiyası və udulması ilə kvant keçidlərini və optik (b) və nüvə (c) hallarda emissiya və udma xətlərinin görünüşünü təsvir edən diaqram.

Absorbsiya xəttinin konturu emissiya xəttinin konturu ilə eyni əlaqə ilə təsvir olunur (şək. 1.13). Aydındır ki, həyəcanlanmış atomların elektronlarının əsas elementə keçidi zamanı optik kvantlar buraxıldıqda, elektromaqnit şüalanmasının optik diapazonda rezonanslı udulmasının təsiri. elektron səviyyələr, eyni növ atomları olan bir maddə tərəfindən rezonansla udulur. Statik rezonans udma fenomeni, məsələn, natrium buxarında yaxşı müşahidə olunur.

Təəssüf ki, sərbəst nüvələrdə rezonanslı nüvə udma fenomeni müşahidə edilmir. Səbəb odur ki, geri çəkilmə nəticəsində enerji itkiləri nisbətən kiçik olduqda ağır nüvələrin (atomların) modeli optik rezonans üçün etibarlıdır və nüvə rezonansı üçün tamamilə tətbiq olunmur. Nüvə keçidlərində buraxılan qamma şüaları əhəmiyyətli dərəcədə yüksək enerjiyə malikdir - onlarla və yüzlərlə keV (görünən bölgədə kvantlar üçün bir neçə onlarla eV ilə müqayisədə). Müqayisə olunan ömür boyu dəyərləri və müvafiq olaraq, nüvə vəziyyətində elektron və nüvə səviyyələrinin təbii eninin yaxın dəyərləri ilə geri çəkilmə enerjisi emissiya və udmada daha əhəmiyyətli rol oynayır:

burada nüvənin geri çəkilmə impulsu böyüklüyünə görə buraxılan kvantın impulsuna bərabərdir, m nüvənin (atomun) kütləsidir.

Buna görə də, optik halda, sərbəst nüvələrdə rezonans müşahidə edilmir (bax. Şəkil 1.13 b və c).

Rudolf Mössbauer, proqnozların əksinə olaraq Ir kristalında kəşf edilən Ir izotopunun buraxdığı -kvantların udulmasını öyrənir. klassik nəzəriyyə, da fotonların səpilməsinin artması aşağı temperaturlar(T≈77K). O, müşahidə olunan effektin İr atomlarının nüvələri tərəfindən -kvantların rezonanslı udulması ilə bağlı olduğunu göstərmiş və onun təbiəti haqqında izahat vermişdir.

Mössbauer effekti üzərində aparılan təcrübələrdə emissiya (və ya udma) xətlərinin özləri deyil, rezonans udma əyriləri (Mössbauer spektrləri) ölçülür. Unikal Tətbiqlər Kimya və bərk cisim fizikasında nüvə qamma rezonansı metodu onunla bağlıdır ki, Mössbauer spektrini təşkil edən fərdi rezonans xətlərinin eni nüvənin onu əhatə edən elektronlarla maqnit və elektrik qarşılıqlı təsirlərinin enerjilərindən azdır. . Mössbauer effekti - təsirli üsul bu qarşılıqlı təsirlərə təsir edən geniş spektrli hadisələrin tədqiqi.

Ən sadə sxemötürmə həndəsəsində Mössbauer effektinin müşahidəsinə mənbə, absorber (tədqiq olunan materialın nazik nümunəsi) və q-ray detektoru daxildir (şək. 1.14).

düyü. 1.14 Mössbauer təcrübəsinin sxemi: 1 – elektrodinamik vibrator, quraşdırma müxtəlif mənalar mənbə sürəti; 2 – Mössbauer mənbəyi; 3 – tərkibində Mössbauer izotopunun nüvələri olan absorber; 4 – absorberdən keçən g-kvantanın detektoru (adətən mütənasib sayğac və ya fotoçoxaltıcı).

-şüaların mənbəyi müəyyən xüsusiyyətlərə malik olmalıdır: nüvənin uzun yarım ömrünə malik olmalıdır, çürüməsi halında rezonans izotopunun nüvəsi həyəcanlı vəziyyətdə doğulur. Mössbauer keçidinin enerjisi nisbətən aşağı olmalıdır (geri çəkilmə enerjisi atomu və kristal qəfəs yerini sıxışdırmaq üçün tələb olunan enerjidən çox olmamaq üçün), emissiya xətti dar olmalıdır (bu, yüksək ayırdetmə qabiliyyətini təmin edir) və fon ehtimalı. -sərbəst şüalanma yüksək olmalıdır. G-kvantının mənbəyi ən çox Mössbauer izotopunu diffuziya ilə yumşalma yolu ilə metal matrisə daxil etməklə əldə edilir. Matris materialı dia- və ya paramaqnit olmalıdır (nüvə səviyyələrinin maqnit parçalanması istisna olunur).

Emici kimi folqa və ya toz şəklində olan nazik nümunələr istifadə olunur. Tələb olunan nümunə qalınlığını təyin edərkən Mössbauer effektinin ehtimalı nəzərə alınmalıdır (saf dəmir üçün optimal qalınlıq ~20 µm-dir). Optimal qalınlıq nazik absorberlə işləmək və yüksək absorbsiya effektinə malik olmaq ehtiyacı arasında uzlaşmanın nəticəsidir. Nümunədən keçən fotonları qeyd etmək üçün sintillyasiya və mütənasib sayğaclar ən çox istifadə olunur.

Rezonans udma spektrinin (və ya Mössbauer spektrinin) əldə edilməsi rezonans şərtlərinin dəyişdirilməsini nəzərdə tutur ki, bunun üçün -kvantanın enerjisini modulyasiya etmək lazımdır. Hazırda istifadə olunan modulyasiya metodu Doppler effektinə əsaslanır (əksər hallarda g-ray mənbəyinin absorberə nisbətən hərəkəti dəqiqləşdirilir).

Doppler effektinə görə g-kvantının enerjisi miqdarı dəyişir

harada - absorberə nisbətən mənbənin hərəkət sürətinin mütləq qiyməti; с – vakuumda işığın sürəti; – mənbənin hərəkət istiqaməti ilə g-kvantanın emissiya istiqaməti arasındakı bucaq.

Təcrübədə bucaq cəmi iki =0 və , onda ∆E = qiymət aldığından (müsbət işarə yaxınlaşmaya, mənfi işarə isə mənbənin absorberdən məsafəsinə uyğundur).

Rezonans olmadıqda, məsələn, absorberdə rezonans izotopunun nüvəsi olmadıqda və ya Doppler sürəti çox yüksək olduqda (-kvant enerjisinin çox böyük dəyişməsi nəticəsində rezonansın məhvinə uyğundur). ), absorber istiqamətində buraxılan şüalanmanın maksimum hissəsi onun arxasında yerləşən radiasiyaya dəyir.detektor. Detektordan gələn siqnal gücləndirilir və ayrı-ayrı fotonlardan gələn impulslar analizator tərəfindən qeydə alınır. Adətən fotonların sayı müxtəlif vaxtlarda bərabər vaxtlarda qeydə alınır. Rezonans vəziyyətində g-kvantlar absorber tərəfindən ixtiyari istiqamətlərdə udulur və təkrar buraxılır (şək. 1.14). Detektora daxil olan radiasiyanın payı azalır.

Mössbauer təcrübəsi absorber vasitəsilə ötürülən şüalanmanın intensivliyinin (detektor tərəfindən qeydə alınan impulsların sayı) mənbənin nisbi sürətindən asılılığını araşdırır. Absorbsiya təsiri nisbəti ilə müəyyən edilir

burada Doppler sürət qiymətində detektor tərəfindən müəyyən vaxtda qeydə alınan g-kvantların sayı (təcrübədə diskret sürətlər toplusundan istifadə olunur); – rezonans udma olmadıqda eynidir. Asılılıqlar və dəmir ərintilərinin və birləşmələrinin rezonans udma əyrisinin formasını müəyyənləşdirir və ±10 mm/s daxilində yerləşir.

Mössbauer effektinin ehtimalı kristalların fonon spektri ilə müəyyən edilir. Aşağı temperatur bölgəsində () ehtimal birliyə yaxın dəyərlərə çatır və yüksək temperatur bölgəsində () çox azdır. Bütün digər şeylər bərabər olduqda, fonsuz udma və emissiya ehtimalı yüksək Debye temperaturu olan kristallarda daha böyükdür (bu, atomlararası bağın sərtliyini təyin edir).

Təsir ehtimalı kristal qəfəsdəki atomların elastik vibrasiyalarının spektri ilə müəyyən edilir. Mössbauer xətti sıxdır, əgər atom titrəyişlərinin amplitudası z-kvantanın dalğa uzunluğu ilə müqayisədə kiçikdirsə, yəni. aşağı temperaturda. Bu zaman emissiya və udma spektri dar rezonans xəttindən (fonsuz proseslər) və z-kvantların emissiyası və udulması zamanı şəbəkənin vibrasiya vəziyyətlərinin dəyişməsi ilə əlaqədar geniş komponentdən (sonuncunun eni) ibarətdir. rezonans xəttinin enindən altı dərəcə böyükdür).

Şəbəkədə atomlararası əlaqənin anizotropiyası atom vibrasiyalarının amplitudasının anizotropiyasını və nəticədə müxtəlif kristalloqrafik istiqamətlərdə fonsuz udulmanın müxtəlif ehtimalını müəyyən edir. Monkristallar üçün bu üsulla təkcə orta deyil, həm də bucaq asılılıqlarını ölçmək olar.

İncə uducunun yaxınlaşmasında fonsuz keçidlərin ehtimalı rezonans udma əyrisinin altındakı sahəyə mütənasibdir.

Nüvə qamma rezonansı bu qəfəsdəki bərk və ya çirkli atomların qəfəsinin vibrasiya xüsusiyyətlərini öyrənmək üçün istifadə edilə bilər. Bu vəziyyətdə ən əlverişli eksperimental parametr spektral sahə S-dir, çünki o, ayrılmaz bir xüsusiyyətdir və rezonans kvantlarının emissiya spektrinin formasından və mənbədə özünü udulmasından asılı deyildir. Bu sahə həddindən artıq incə qarşılıqlı təsirlər nəticəsində spektr bir neçə komponentə bölündükdə saxlanılır.

İncə uducunun ən sadə rezonans udma spektri Lorentsian formasının tək xəttidir. Absorber vasitəsilə ötürülən radiasiyanın intensivliyi udma maksimumunda minimaldır.

Şəkildə bir nümunə olaraq. Şəkil 1.15 saf dəmirin Mössbauer spektrlərini göstərir.

düyü. 1.15 Saf dəmirin Mössbauer spektrləri.

Plan:

Giriş

• 1 Effektin təbiəti
  • 1.1 Effektin təfsiri
• 2 Mössbauer izotopları
• 3 Təsiri və onun əhəmiyyətini kəşf etmək
  • 3.1 Fon
  • 3.2 Gözləmə
  • 3.3 Aşkarlama
  • 3.4 Əsaslandırma
  • 3.5 Tanınma
• 4 Mössbauer effektinin tətbiqi
  • 4.1 Mössbauer effektinə əsaslanan təcrübələr

Giriş

Mössbauer effekti və ya nüvə qamma rezonansı, 1957 və ya 1958-ci ildə institutda Rudolf Mössbauer tərəfindən kəşf edilmişdir. M. Plank Heydelberqdə (Almaniya), müvafiq olaraq şüalanma emitentinin və ya absorberinin fonon spektrini dəyişdirmədən qamma fotonların rezonans emissiyasından və ya udulmasından ibarətdir. Başqa sözlə, Mössbauer effekti qamma şüalarının geri çəkilmədən rezonans emissiyası və udulmasıdır. O, mahiyyətcə kvant xarakterinə malikdir və tərkibində 46 elementin 87 izotopundan birini olan kristal, amorf və toz nümunələri öyrənilərkən müşahidə olunur.

1. Effektin xarakteri

Qamma kvant buraxıldıqda və ya udulduqda, impulsun saxlanması qanununa əsasən, sərbəst kütlə nüvəsi M geri çəkilmə impulsunu alır səh = E 0 / c və bu impulsa uyğun gələn geri çəkilmə enerjisi. Nüvə səviyyələri arasındakı enerji fərqi ilə müqayisədə eyni miqdarda az olduğu ortaya çıxır E 0 buraxılan qamma kvantının enerjisidir və enerjiyə bərabər olan fotonlar üçün rezonans udma müşahidə olunur. E 0 + R. Nəticədə, eyni nüvələr üçün emissiya və udma xətləri 2 miqdarı ilə ayrılır. R və rezonans şərti yalnız bu xətlər birləşdirildikdə və ya qismən üst-üstə düşdükdə təmin edilə bilər. Qazlarda geri çəkilmə enerjisi bir şüalanan kütləvi nüvə tərəfindən qəbul edilir M, bərk cisimlərdə olduğu halda, fononların geri çəkilmə enerjisi hesabına həyəcanlandığı proseslərə əlavə olaraq, müəyyən şərtlərdə yalnız bir atomun və ya kiçik bir atom qrupunun yerdəyişməsi qeyri-mümkün olur və yalnız bütün kristal geri çəkilə bilər. Kristalın kütləsi bir çox böyüklük sırasına malikdir daha çox kütlə nüvələr və buna görə də ölçüsü Rəhəmiyyətsiz dərəcədə kiçik olur. Qamma kvantlarının geri çəkilmədən emissiya və udulması proseslərində foton enerjiləri spektral xəttin təbii eninə bərabərdir.

1.1. Effektin təfsiri

2000-ci ildə jurnalda Hiper incə qarşılıqlı əlaqə Mössbauer təsirin aydın şərhini verdi:

Vəziyyət… xatırladırşəxs, dəqiq qayıqdan daş atmaq. Enerjinin çox hissəsi impulsun saxlanması qanununa görə alır asan daş, lakin enerjinin kiçik bir hissəsi atmaq daxil olur kinetik enerji qayığı qəbul edən qayıq. Yayda qayıq sadəcə geri çəkilməyə uyğun müəyyən bir hərəkət əldə edəcək və uzaqlaşacaq. istiqamətində, əks istiqamət atmaq. Ancaq qışda göl donduqda qayığı buz tutacaq və atmanın demək olar ki, bütün enerjisi daşa, qayığa keçəcək ( donmuş göl və onun sahilləri ilə birlikdə) əhəmiyyətsiz bir pay alacaq enerji atmaq. Beləliklə, geri qaytarılacaq təkcə gəmi deyil, həm də bütün göl və atış "geri çəkilmədən" ediləcək.

Əgər insan elə məşq edilibsə ki, atışda həmişə eyni enerji sərf etsin və o, sərt yerdə ondan eyni məsafədə dayanaraq uzaqda yerləşən hədəfi vura bilirsə, qayıqdan daş atarkən. , geri çəkilmə “alt nöqtəyə” gətirib çıxaracaq. Bu təsvirdə termal genişlənmə göldəki həyəcana uyğundur ki, bu da hədəflənmiş daşların səpələnməsini artırır və idmançının öz qaçılmaz məcburi səhvləri emissiya/udma spektral xəttinin təbii eninə bənzər atışların təbii səpilməsi və ya qruplaşması ilə xarakterizə olunur. və nüvənin müvafiq həyəcanlı vəziyyətinin ömrü.

2. Mössbauer izotopları

3. Təsir və onun mənasının kəşfi

3.1. Fon

Təxminən 1852-ci ildə J.G.Stoks ilk dəfə flüoresanlığı müşahidə etdi - düşən işığın flüorit tərəfindən udulması, sonra isə absorber tərəfindən işığın yayılması. Sonradan müxtəlif materiallarla oxşar tədqiqatlar aparıldı.

1900-cü ildə P. Willard qamma şüalarını - radiumun buraxdığı monoxromatik şüaları kəşf etdi. elektromaqnit şüalanması yüksək foton enerjisi ilə.

1904-cü ildə R. Vud eyni tezlikli şüalanma şəklində udulmuş işıq enerjisinin emissiyası ilə xarakterizə olunan rezonanslı optik flüoresanlığı nümayiş etdirdi. Onun tədqiq etdiyi natrium sarı dubletinin rezonans flüoresansı xüsusilə geniş şəkildə tanınır.

3.2. Gözləmə

1929-cu ildə V.Kun imkan təklif etdi və nüvə fizikasında optik flüoresansın analoqu kimi qamma şüalarının rezonanslı udulmasını müşahidə etməyə cəhd etdi. Stasionar mənbə və şüa uducu ilə aparılan təcrübələrdə qamma kvantlarının rezonanslı udulmasını aşkar etmək cəhdləri uğursuz oldu. Bununla belə, Kuhnun işi qiymətlidir, çünki bu isveçrəli fiziki kimyaçı, udma zəifləməsinin üç əsas mənbəyini müəyyən edərək, onun uğursuzluğunun səbəblərini təhlil etməyə çalışdı:

• ilkin dar nüvə keçid xəttinin termal genişlənməsi;
• β-hissəciklərin emissiyası zamanı mümkün geri çəkilmə səbəbindən əlavə genişlənmə;
• səbəbiylə əhəmiyyətli xətt sürüşməsi yüksək enerjişərh ilə qamma fotonları yayarkən geri çəkilmə:

... Absorbsiyanı azaldan üçüncü töhfə qamma şüalarının emissiyası prosesindən irəli gəlir. Emissiya edən atom qamma şüasının emissiyası səbəbindən geri çəkilmə yaşayacaq. Beləliklə, radiasiyanın dalğa uzunluğu qırmızıya sürüşür; emissiya xətti udma xəttinə nisbətən yerdəyişir... Buna görə də mümkündür ki, əhəmiyyətli qamma sürüşməsi səbəbindən bütün emissiya xətti udma xəttinin bölgəsini tərk edir...

Kuhn burada isə Doppler effektinə və qamma fotonu udarkən nüvənin geri çəkilməsinə diqqət yetirmədən yalnız emissiya xəttinin yerdəyişməsini və genişlənməsini nəzərdən keçirdi.

3.3. Aşkarlama

1950-1951-ci illərdə İngilis fiziki F.B.Mun ilk dəfə təsirin eksperimental müşahidəsini təsvir etdiyi bir məqalə dərc etdi. Təcrübənin ideyası 198 Au qamma şüalanma mənbəyini ultrasentrifuqaya yerləşdirmək və bununla da spektral xəttin Doppler sürüşməsi ilə geri çəkilmə enerjisini kompensasiya etmək idi. Müşahidə olunan effektin qamma şüalarının rezonans nüvə səpələnməsi olduğunu nəzərə alaraq, rezonans nüvə flüoresansını təsvir etmişdir.

Təxminən eyni vaxtda isveçli alim K.Malmfurs 198 Au və 198 Hg-nin eyni kombinasiyasında qamma şüalarının udulmasını tədqiq edərək, qızılı alovda qızdırmaqla xətlərin termal genişlənməsi hesabına udulmanın artmasına nail olmağa çalışmışdır. üfleyici. Həqiqətən, sayların sayı bir qədər artdı və Malmfurs öz məqaləsində bildirdi

...Rezonans effektinin şərti o hallarda ödənilir ki, [mənbənin] uducuya doğru istiqamətlənmiş, səpələyici maddəyə (civə) tərəf yönəlmiş istilik sürəti komponenti nüvənin geri çəkilməsini kompensasiya edir...

3.4. Əsaslandırma

1953-cü ildə Münhendə professor texniki universitet Q.Mayer-Leybnits aspirantı Rudolf Mössbauerə magistrlik dissertasiyasının mövzusunu təyin etdi: 191 Os-dan istifadə etməklə Malmfurs tərəfindən qamma şüalarının temperaturdan asılı udulması üzrə tədqiqatın davam etdirilməsi və əlavə tapşırıq kimi o zaman naməlum olanın müəyyən edilməsi. osmiumun beta parçalanma enerjisinin dəyəri - 191. Mössbauer magistrlik dissertasiyasını müdafiə etdikdən sonra Mayer-Leibniz onu bu mövzuda işi davam etdirməyə, namizədlik dissertasiyası hazırlamağa dəvət etdi ( fəlsəfə doktoru) Heidelberg Tibbi Tədqiqatlar İnstitutunda. Maks Plank. Elmi rəhbərin Malmfurs metoduna riayət etmək və yüksək temperatur bölgəsində emissiya və udma xətlərinin üst-üstə düşməsini axtarmaq barədə israrlı göstərişlərinə baxmayaraq, Mössbauer müstəqillik nümayiş etdirərək, əksinə, sərinləmək üçün kriostat qurmaq daha əlverişli olacağını hesablayır. nümunələri maye azotun temperaturuna qədər. Eyni zamanda, o, belə müşahidə edəcəyini gözləyirdi temperaturdan asılılıq udma, bu zaman xətlərin üst-üstə düşməsi zəifləyir və absorberdən keçən radiasiya kvantlarının oxunma tezliyi artmalıdır. Əks nəticəni, yəni rezonanslı nüvə qamma flüoresansındakı artımı əldə edərək, həddindən artıq skeptisizminə qalib gəldi və nəticəni diqqətlə nəzərdən keçirdi. Nəticədə Mössbauer başa düşdü ki, nüvələrin sərbəst hissəciklər kimi buraxılması və udulması kimi yarımklassik konsepsiya bərk cisimlər üçün uyğun deyil: kristallarda atomlar bir-biri ilə möhkəm bağlıdır və mahiyyətcə kvant davranışı ilə xarakterizə olunur.

3.5. Etiraf

1961-ci ildə nüvə qamma rezonansı fenomeninin kəşfi və nəzəri əsaslandırılmasına görə R. L. Mössbauer mükafatlandırıldı. Nobel mükafatı fizikada (elektronların nüvələr tərəfindən səpilməsinə dair tədqiqatlarına görə mükafatı almış R. Hofstadterlə birlikdə).

4. Mössbauer effektinin tətbiqləri

Nüvə qamma-rezonans üsulu fiziki materialşünaslıqda, kimyada, mineralogiyada və biologiyada istifadə olunur (məsələn, zülallarda Fe tərkibli qrupların xüsusiyyətlərini təhlil edərkən). Radiasiya udulmasının təsiri nümunəni Mössbauer izotopları ilə zənginləşdirməklə, məsələn, eksperimental heyvanların qidasında 57 Fe tərkibini artırmaqla gücləndirilir. Mineralogiyada Mössbaur effekti əsasən Fe ionlarının struktur vəziyyətini təyin etmək və dəmirin oksidləşmə vəziyyətini təyin etmək üçün istifadə olunur.

Nüvələrin enerjisi kvantlanır. Nüvə həyəcanlı vəziyyətdən əsas vəziyyətə keçdikdə, enerji ilə - kvant buraxılır. Bunun daha mümkün mənası e sonsuz dayanıqlı sərbəst nüvənin enerjisi bərabərdir Yerin enerjiləri ilə həyəcanlı vəziyyətlər arasındakı fərq: . Əks proses enerjiyə yaxın olan g-kvantının udulmasına uyğun gəlir.

Oxşar nüvələr dəsti eyni səviyyəyə qədər həyəcanlandıqda, buraxılan kvantların enerjisi orta qiymət ətrafında müəyyən bir yayılma ilə xarakterizə olunacaq.

Şəkil 1.13 Elektrik kvantlarının (a) emissiyası və udulması ilə kvant keçidlərini və optik (b) və nüvə (c) hallarda emissiya və udma xətlərinin görünüşünü göstərən diaqram.

Absorbsiya zolağının konturu emissiya zolağının konturu ilə eyni əlaqə ilə təsvir olunur (şək. 1.13). Aydındır ki, optik spektrin elektrik radiasiyasının rezonanslı udulmasının təsiri optik olduqda həyəcanlanmış atomların elektronlarının altında yatanlara keçidi zamanı buraxılan kvantlar elektrik səviyyələri eyni tip atomları olan bir maddə tərəfindən rezonansla udulur. Statik rezonans udma fenomeni, məsələn, natrium buxarında aydın şəkildə müşahidə olunur.

Təəssüf ki, sərbəst nüvələrdə rezonanslı nüvə udma fenomeni müşahidə edilmir. Səbəb odur ki, geri çəkilmə üçün enerji itkiləri nisbətən kiçik olduqda, zəif nüvələr (atomlar) modeli optik rezonans üçün etibarlıdır və nüvə rezonansı üçün tamamilə tətbiq edilmir. Nüvə keçidlərində yayılan qamma şüaları əhəmiyyətli dərəcədə yüksək enerjiyə malikdir - onlarla və yüzlərlə keV(görünən bölgədə kvantlar üçün bir neçə onlarla eV ilə müqayisədə). Müqayisə edilə bilən ömür dəyərləri və müvafiq olaraq, nüvə vəziyyətində elektrik və nüvə səviyyələrinin təbii eninin yaxın dəyərləri ilə geri çəkilmə enerjisi emissiya və udmada daha da əhəmiyyətli rol oynayır:

burada nüvənin geri çəkilmə impulsu böyüklüyünə görə buraxılan kvantın impulsuna bərabərdir, m nüvənin (atomun) kütləsidir.

Buna görə də, optik halda, sərbəst nüvələrdə rezonans müşahidə edilmir (bax. Şəkil 1.13 b və c). Rudolf Mössbauer, peyğəmbərliklərin əksinə olaraq, İr kristalında tapılan İr izotopunun buraxdığı -kvantların udulmasını öyrənir. radiasiya nəzəriyyəsi, artan səpilmə-aşağı temperaturda kvant (T≈77K). O, müşahidə olunan effektin İr atomlarının nüvələri tərəfindən -kvantların rezonanslı udulması ilə bağlı olduğunu göstərmiş və onun xarakterini izah etmişdir.

Mössbauer effekti üzərində aparılan təcrübələrdə emissiya (və ya udma) zolaqlarının özləri deyil, rezonans udma əyriləri (Mössbauer diapazonları) ölçülür. Nüvə qamma-rezonans metodunun kimya və bərk cisim fizikasında unikal tətbiqi onunla əsaslandırılır ki, Mössbauer diapazonunun komponentlərinin eni l. fiziki rezonans xətləri maqnitin enerjilərindən azdır və nüvənin onu əhatə edən elektronlarla elektron qarşılıqlı əlaqəsi. Mössbauer effekti - təsirli yoldur bu qarşılıqlı təsirlərə təsir edən geniş spektrli hadisələrin tədqiqi.

Mössbauer effektini g-də müşahidə etmək üçün sadə sxem ötürücü həndəsə mənbə, absorber (tədqiq olunan materialın dar standartı) və g-ray sensoru daxildir (şək. 1.14).

düyü. 1.14 Mössbauer təcrübəsinin sxemi: 1 – elektrodinamik vibrator, quraşdırma müxtəlif mənalar mənbə sürəti; 2 – Mössbauer mənbəyi; 3 – tərkibində Mössbauer izotopunun nüvələri olan absorber; 4 – absorberdən keçən g-kvanta sensoru (adətən mütənasib sayğac və ya fotoçoxaltıcı).

-şüaların mənbəyi müəyyən keyfiyyətlərə malik olmalıdır: nüvənin uzun yarı ömrünə malik olmalıdır, çürüməsi halında rezonans izotopunun nüvəsi həyəcanlı vəziyyətdə doğulur. Mössbauer keçidinin enerjisi nisbətən aşağı olmalıdır ( geri çəkilmə enerjisi kristal qəfəsin atomunu və düyününü sıxışdırmaq üçün lazım olan enerjidən çox olmasın), emissiya xətti dardır (bu, ən yüksək ayırdetmə qabiliyyətini təmin edir) və fonsuz şüalanma ehtimalı böyükdür. G-kvantının mənbəyi əksər hallarda Mössbauer izotopunun diffuziya ilə bağlanma yolu ilə dəmir matrisinə daxil edilməsi ilə əldə edilir. Matris materialı dia- və ya paramaqnit olmalıdır (nüvə səviyyələrinin maqnit parçalanması istisna olunur).

Emici kimi folqa və ya toz şəklində nazik standartlar istifadə olunur. Müəyyən edərkən tələb olunan qalınlıq Standart üçün Mössbauer effektinin mümkünlüyünü nəzərə almaq lazımdır (ləklənməmiş dəmir üçün ən yaxşı qalınlıq ~20 µm-dir). Ən yaxşı qalınlıq I dar bir emici ilə işləmək ehtiyacı arasında bir kompromis nəticəsidir və ən yüksək absorbsiya effektinə malikdir. Standartdan keçən fotonları qeyd etmək üçün sintillyasiya və mütənasib sayğaclardan daha geniş istifadə olunur.

Rezonans udma diapazonunun (və ya Mössbauer diapazonunun) əldə edilməsi rezonans meyarının dəyişdirilməsini nəzərdə tutur, buna görə də -kvantların enerjisini modulyasiya etmək lazımdır. Hazırda tətbiq olunur vaxt modulyasiya metoduna əsaslanır Doppler effektinə əsaslanır (əksər hallarda q-ray mənbəyinin absorberə nisbətən hərəkəti dəqiqləşdirilir).

Doppler effektinə görə g-kvantının enerjisi miqdarı dəyişir

harada - absorberə nisbətən mənbənin hərəkət sürətinin mütləq qiyməti; с – vakuumda işığın sürəti; – mənbənin hərəkət istiqaməti ilə g-kvantanın emissiya istiqaməti arasındakı bucaq.

Təcrübədə bucaq yalnız iki =0 və ∆E = dəyərini qəbul etdiyindən (müsbət simvol yanaşmaya uyğundur, və mənfi– mənbənin absorberdən çıxarılması).

Rezonans olmadıqda, məsələn, absorberdə rezonans izotopunun nüvəsi olmadıqda və ya Doppler sürəti çox yüksək olduqda (bu, enerji-kvantının çox böyük konfiqurasiyasına görə rezonansın məhvinə uyğundur) , absorber istiqamətində buraxılan radiasiyanın ən böyük hissəsi nim sensorunun arxasında yerləşən sensora dəyir.

Sensordan gələn siqnal gücləndirilir və ayrı-ayrı fotonlardan gələn impulslar analizator tərəfindən qeydə alınır. Adətən qeydə alınan nömrə - müxtəlif vaxtlarda vahid dövrlər üçün kvantlar. Rezonans vəziyyətində g-kvantlar uducu tərəfindən təsadüfi istiqamətlərdə udulur və təkrar buraxılır (şək. 1.14). Eyni zamanda, sensora daxil olan radiasiya miqdarı miniatürləşdirilir.

Mössbauer təcrübəsində absorber vasitəsilə ötürülən şüalanmanın intensivliyinin (datçik tərəfindən qeydə alınan impulsların sayı) mənbənin nisbi sürətindən asılılığı öyrənilir. Absorbsiya təsiri əlaqəsi ilə müəyyən edilir

Doppler sürətinin qiymətində müəyyən bir zamanda sensor tərəfindən qeydə alınan g-kvantaların sayı haradadır (təcrübədə). diskret sürətli yığımdan istifadə edin ci); – rezonans udma olmadıqda eynidir. Asılılıqlar və dəmir ərintilərinin və birləşmələrinin rezonans udma əyrisinin formasını təyin edin və ±10 mm/s hüdudlarında yatın.

Mössbauer effektinin mümkünlüyü kristalların fonon diapazonu ilə müəyyən edilir. Aşağı temperatur () bölgəsində birliyə yaxın dəyərlərə çatma ehtimalı, yüksək () bölgəsində isə çox azdır. Bütün digər şeylər bərabərdir meyarlar fonsuz udma imkanı və kristallarda daha çox şüalanma var ən yüksək temperatur Debye (atomlararası bağın sərtliyini təyin edir).

Effektin mümkünlüyü kristal qəfəsdəki atomların elastik vibrasiya diapazonu ilə müəyyən edilir. Mössbauer xətti sıxdır, əgər atom vibrasiyalarının amplitudası r-kvantanın dalğa uzunluğu ilə müqayisədə kiçikdirsə, yəni. aşağı temperaturda. Bu vəziyyətdə emissiya və udma diapazonundan ibarətdir dar rezonans zolağı (fonsuz proseslər) və geniş komponentlər, g-kvantların emissiyası və udulması zamanı qəfəsin vibrasiya hallarının konfiqurasiyasına görə (sonuncunun eni rezonans zolağının enindən 6 dərəcə böyükdür).

Şəbəkədə atomlararası əlaqənin anizotropiyası atom vibrasiyalarının amplitudasının anizotropiyasını və aşağıdakı kimi müxtəlif kristalloqrafik istiqamətlərdə fonsuz udulmanın fərqli imkanlarını müəyyən edir. Tək kristallar üçün bu yolla təkcə orta deyil, həm də bucaq asılılıqları ölçülə bilər.

Dar absorber yaxınlaşmasında fonsuz keçidlərin mümkünlüyü rezonans udma əyrisinin altındakı sahəyə mütənasibdir. Nüvə qamma rezonansı bərk qəfəsin vibrasiya parametrlərini və ya bu qəfəsdəki çirkli atomları öyrənmək üçün istifadə edilə bilər. Daha rahat eksperimental təcrübə Bu vəziyyətdə parametr S diapazonunun sahəsidir, çünki ayrılmaz xüsusiyyətdir və rezonans kvantlarının emissiya diapazonunun formasından və mənbədə öz-özünə udulmasından asılı deyildir. Bu sahə hiper incə qarşılıqlı təsirlər nəticəsində diapazon bir neçə komponentə bölündükdə qorunur.

Dar bir absorberin sadə rezonans udma diapazonu Lorentsian formasının tək xəttidir. Keçmişin intensivliyi radiasiya absorber vasitəsilə maksimum kiçikdir udma. Şəkildə bir nümunə olaraq. Şəkil 1.15 çirklənməmiş dəmirin Mössbauer diapazonunu göstərir.

düyü. 1.15 Saf dəmirin Mössbauer diapazonları.