Kesan Mossbauer. Asas fizikal spektroskopi resonans gamma nuklear dannya

Daripada fakta bahawa spektrum pelepasan nukleus atom timbul seperti spektrum pelepasan atom dan molekul, nampaknya hampir jelas bahawa nukleus atom, memancarkan gamma quanta dengan frekuensi tertentu semasa peralihan daripada keadaan teruja kepada keadaan normal, harus secara selektif menyerap kuanta yang sama dalam keadaan normal. Penyerapan resonan kuantum gamma harus membawa nukleus ke dalam keadaan teruja, sama seperti penyerapan cahaya meletakkan atom atau molekul ke dalam keadaan teruja. Namun, percubaan

pengesanan percubaan penyerapan resonan gamma quanta oleh nukleus atom yang sama seperti quanta ini dipancarkan, tidak berjaya untuk masa yang lama.

Keputusan negatif eksperimen terhadap pengesanan penyerapan resonan sinar gamma mempunyai penjelasan yang mudah. Jika peralihan nukleus daripada keadaan teruja kepada keadaan normal berlaku dengan memancarkan kuantum gamma, maka tenaga kuantum ini tidak betul-betul sama dengan perbezaan tenaga.sisi. Nukleus mengalami kemunduran apabila memancarkan foton, seperti pistol apabila ditembak. Dalam hal ini, tenaga yang dibebaskan diagihkan antara kuantum gamma dan nukleus. Akibatnya, tenaga foton adalah kurang daripada perbezaan dengan nilai tenaga kinetik nukleus yang telah mengalami mundur:

Adalah jelas bahawa tenaga kuantum gamma ini adalah kurang daripada tenaga yang diperlukan untuk memindahkan nukleus yang sama dari keadaan biasa menjadi teruja:

Ahli fizik Jerman R. Mössbauer pada tahun 1958 menunjukkan bahawa dalam sesetengah kristal adalah mungkin untuk mewujudkan keadaan sedemikian di mana momentum mundur semasa pancaran kuantum gamma disampaikan bukan kepada satu nukleus, tetapi kepada keseluruhan kristal secara keseluruhan. Dalam kes ini, perubahan dalam tenaga kinetik kristal disebabkan oleh jisimnya yang besar (berbanding dengan jisim satu nukleus) menghampiri sifar, dan tenaga kuantum gamma yang dipancarkan ternyata hampir sama dengan perbezaan Apabila a rasuk quanta gamma tersebut disalurkan melalui sampel yang mengandungi nukleus atom isotop yang sama, penyerapan resonan diperhatikan.

Satu ciri yang luar biasa bagi kesan Mössbauer ialah lebar luar biasa kecil garis spektrum penyerapan, iaitu, sempitnya puncak penyerapan resonans. Contohnya, apabila menggunakan isotop besi, resonans dilanggar apabila kekerapan kuantum gamma berubah mengikut nilai komponen frekuensinya.

Ini bermakna ia menjadi mungkin untuk mendaftarkan perubahan dalam tenaga kuantum gamma dengan jumlah yang sama dengan nilai asalnya!

Penggunaan kesan Mössbauer memungkinkan untuk menjalankan salah satu eksperimen fizik moden yang paling halus - pengesanan anjakan merah graviti spektrum

garisan. Kewujudan anjakan merah graviti diramalkan teori umum relativiti. Kami memberikan penjelasan ringkas tentang kesan ini, berdasarkan penggunaan hukum hubungan antara jisim dan tenaga.

Foton sinar gamma dengan tenaga mempunyai jisim.

Tenaga nukleus dikuantisasi. Apabila nukleus berpindah dari keadaan teruja ke keadaan dasar, foton dengan tenaga dipancarkan. Nilai yang paling berkemungkinan bagi tenaga ini untuk nukleus bebas yang tidak terhingga berat adalah sama dengan perbezaan antara tenaga tanah dan keadaan teruja: . Proses sebaliknya sepadan dengan penyerapan kuantum z dengan tenaga yang hampir dengan .

Apabila satu set nukleus yang sama teruja ke tahap yang sama, tenaga foton yang dipancarkan akan dicirikan oleh sebaran tertentu di sekitar nilai purata.

Rajah 1.13 Skim yang menggambarkan peralihan kuantum dengan pelepasan dan penyerapan kuanta elektromagnet (a) dan rupa garis pancaran dan penyerapan dalam kes optik (b) dan nuklear (c).

Kontur garisan serapan diterangkan oleh hubungan yang sama dengan kontur garisan pelepasan (Rajah 1.13). Adalah jelas bahawa kesan penyerapan resonan sinaran elektromagnet dalam julat optik, apabila kuanta optik dipancarkan semasa peralihan elektron atom teruja kepada asas. tahap elektronik, diserap secara resonan oleh bahan yang mengandungi atom sejenis. Fenomena penyerapan resonan statik diperhatikan dengan baik, contohnya, dalam wap natrium.

Malangnya, fenomena penyerapan nuklear resonan pada nukleus bebas tidak diperhatikan. Sebabnya ialah model nukleus berat (atom), apabila kehilangan tenaga untuk gegelung berhubung dengan kecil, adalah sah untuk resonans optik dan tidak boleh digunakan sepenuhnya untuk nuklear. Gamma quanta yang dipancarkan dalam peralihan nuklear mempunyai tenaga yang jauh lebih tinggi - berpuluh-puluh dan beratus-ratus keV (berbanding dengan beberapa puluh eV untuk quanta wilayah yang boleh dilihat). Untuk jangka hayat yang setanding dan, dengan itu, nilai rapat lebar semula jadi paras elektronik dan nuklear dalam kes nuklear, tenaga mundur memainkan peranan yang lebih penting dalam pelepasan dan penyerapan:

di mana ialah momentum mundur nukleus, sama dalam nilai mutlak dengan momentum -kuantum yang dipancarkan, m ialah jisim nukleus (atom).

Oleh itu, dalam kes optik, resonans pada nukleus bebas tidak diperhatikan (lihat Rajah 1.13 b dan c).

Rudolf Mössbauer, mengkaji penyerapan -quanta yang dipancarkan oleh isotop Ir, ditemui dalam kristal Ir, bertentangan dengan ramalan teori klasik, peningkatan dalam serakan -quanta at suhu rendah(T≈77K). Beliau menunjukkan bahawa kesan yang diperhatikan dikaitkan dengan penyerapan resonans -quanta oleh nukleus atom Ir dan memberi penjelasan tentang sifatnya.

Dalam eksperimen tentang kesan Mössbauer, bukan garis pelepasan (atau penyerapan) itu sendiri diukur, tetapi lengkung penyerapan resonan (spektra Mössbauer). Aplikasi unik kaedah resonans gamma nuklear dalam kimia dan fizik keadaan pepejal adalah disebabkan oleh fakta bahawa lebar garis resonans individu yang membentuk spektrum Mössbauer adalah kurang daripada tenaga interaksi magnetik dan elektrik nukleus dengan elektron di sekelilingnya. Kesan Mössbauer - kaedah yang berkesan kajian tentang pelbagai fenomena yang mempengaruhi interaksi ini.

Litar paling mudah pemerhatian kesan Mössbauer dalam geometri penghantaran termasuk sumber, penyerap (sampel nipis bahan yang dikaji) dan pengesan sinar-r (Rajah 1.14).

nasi. 1.14 Skim eksperimen Mössbauer: 1 - penggetar elektrodinamik yang menetapkan pelbagai maksud kelajuan sumber; 2 – sumber Mössbauer; 3 - penyerap yang mengandungi nukleus isotop Mössbauer; 4 - pengesan melalui penyerap g-quanta (biasanya pembilang berkadar atau photomultiplier).

Sumber sinaran mesti mempunyai sifat tertentu: ia mesti mempunyai separuh hayat nukleus yang panjang, sekiranya berlaku pereputan yang mana nukleus isotop resonans dilahirkan dalam keadaan teruja. Tenaga peralihan Mössbauer hendaklah agak kecil (supaya tenaga mundur tidak melebihi tenaga yang diperlukan untuk menyesarkan atom dan tapak kekisi), garis pancaran hendaklah sempit (ini memastikan resolusi tinggi), dan kebarangkalian pelepasan tanpa latar belakang sepatutnya menjadi besar. Sumber r-quanta paling kerap diperoleh dengan memasukkan isotop Mössbauer ke dalam matriks logam melalui penyepuhlindapan resapan. Bahan matriks mestilah dia- atau paramagnet (pemisahan magnet paras nuklear dikecualikan).

Sampel nipis dalam bentuk kerajang atau serbuk digunakan sebagai penyerap. Apabila menentukan ketebalan sampel yang diperlukan, kebarangkalian kesan Mössbauer mesti diambil kira (untuk besi tulen, ketebalan optimum ialah ~20 µm). Ketebalan Optimum adalah hasil daripada kompromi antara keperluan untuk bekerja dengan penyerap nipis dan mempunyai kesan penyerapan yang tinggi. Kilauan dan pembilang berkadar paling banyak digunakan untuk mendaftarkan kuanta yang telah melalui sampel.

Mendapatkan spektrum penyerapan resonans (atau spektrum Mössbauer) melibatkan perubahan keadaan resonans, yang mana ia adalah perlu untuk memodulasi tenaga kuanta. Kaedah modulasi yang digunakan pada masa ini adalah berdasarkan kesan Doppler (paling kerap, gerakan sumber r-quanta relatif kepada penyerap ditetapkan).

Tenaga r-kuantum disebabkan oleh kesan Doppler berubah mengikut nilai

di manakah nilai mutlak halaju sumber berbanding penyerap; c ialah kelajuan cahaya dalam vakum; ialah sudut antara arah gerakan sumber dan arah pancaran z-quanta.

Oleh kerana dalam eksperimen sudut mengambil hanya dua nilai = 0 dan , maka ∆E = (tanda positif sepadan dengan pendekatan, dan tanda negatif sepadan dengan jarak antara sumber dan penyerap).

Dalam ketiadaan resonans, contohnya, apabila tiada nukleus isotop resonan dalam penyerap atau apabila halaju Doppler sangat tinggi (sepadan dengan kemusnahan resonans akibat terlalu banyak perubahan dalam tenaga -kuantum), bahagian maksimum sinaran yang dipancarkan ke arah penyerap jatuh ke dalam yang terletak di belakangnya.pengesan. Isyarat daripada pengesan dikuatkan, dan denyutan daripada quanta individu direkodkan oleh penganalisis. Biasanya, bilangan -quanta direkodkan untuk selang masa yang sama pada . Dalam kes resonans, r-quanta diserap dan dipancarkan semula oleh penyerap dalam arah sewenang-wenangnya (Rajah 1.14). Pecahan sinaran yang memasuki pengesan berkurangan dalam kes ini.

Dalam eksperimen Mössbauer, pergantungan keamatan sinaran yang dihantar melalui penyerap (bilangan denyutan yang didaftarkan oleh pengesan) pada halaju relatif sumber dikaji. Kesan penyerapan ditentukan oleh nisbah

di manakah bilangan r-kuanta yang direkodkan oleh pengesan dalam masa tertentu pada nilai halaju Doppler (satu set halaju diskret digunakan dalam eksperimen); – sama untuk , apabila tiada penyerapan resonans. Kebergantungan dan tentukan bentuk lengkung penyerapan resonan aloi besi dan sebatian, terletak dalam ±10 mm/s.

Kebarangkalian kesan Mössbauer ditentukan oleh spektrum fonon bagi kristal. Di kawasan suhu rendah () kebarangkalian mencapai nilai yang hampir kepada perpaduan, dan di kawasan suhu tinggi () ia adalah sangat kecil. Ceteris paribus, kebarangkalian penyerapan dan pelepasan tanpa latar belakang adalah lebih besar dalam kristal dengan suhu Debye yang tinggi (menentukan ketegaran ikatan interatomik).

Kebarangkalian kesan ditentukan oleh spektrum getaran anjal atom dalam kekisi kristal. Garis Mössbauer adalah sengit jika amplitud getaran atom adalah kecil berbanding dengan panjang gelombang r-quanta, i.e. pada suhu rendah. Dalam kes ini, spektrum pelepasan dan penyerapan terdiri daripada garis resonans sempit (proses tanpa latar belakang) dan komponen yang luas disebabkan oleh perubahan dalam keadaan getaran kekisi semasa pancaran dan penyerapan z-quanta (lebar yang terakhir ialah enam urutan magnitud lebih besar daripada lebar garis resonans).

Anisotropi ikatan interatomik dalam kekisi menentukan anisotropi amplitud getaran atom dan, akibatnya, kebarangkalian berbeza penyerapan tanpa latar belakang dalam arah kristalografi yang berbeza. Untuk kristal tunggal, bukan sahaja purata, tetapi juga pergantungan sudut boleh diukur dengan cara ini.

Dalam anggaran penyerap nipis, kebarangkalian peralihan tanpa latar belakang adalah berkadar dengan kawasan di bawah lengkung penyerapan resonans.

Resonans gamma nuklear boleh digunakan untuk mengkaji sifat getaran kekisi atom pepejal atau bendasing dalam kekisi ini. Parameter eksperimen yang paling mudah dalam kes ini ialah kawasan spektrum S, kerana ia adalah ciri penting dan tidak bergantung pada bentuk spektrum pelepasan foton resonan dan penyerapan diri dalam sumber. Kawasan ini dikekalkan apabila spektrum dibahagikan kepada beberapa komponen hasil daripada interaksi hiperhalus.

Spektrum serapan resonan yang paling mudah bagi penyerap nipis ialah satu garisan Lorentzian. Keamatan sinaran yang dihantar melalui penyerap adalah minimum pada maksimum penyerapan.

Sebagai contoh, dalam rajah. 1.15 menunjukkan spektrum Mössbauer bagi besi tulen.

nasi. 1.15 Spektrum besi tulen Mössbauer.

Pelan:

pengenalan

• 1 Sifat kesan
  • 1.1 Tafsiran kesan
• 2 Isotop Mössbauer
• 3 Membuka kesan dan maksudnya
  • 3.1 Latar Belakang
  • 3.2 Menunggu
  • 3.3 Penemuan
  • 3.4 Rasional
  • 3.5 Pengiktirafan
• 4 Aplikasi kesan Mössbauer
  • 4.1 Eksperimen berdasarkan kesan Mössbauer

pengenalan

Kesan Mössbauer atau resonans gamma nuklear, ditemui pada tahun 1957 atau 1958 oleh Rudolf Mössbauer di Institut. M. Planck di Heidelberg (Jerman), terdiri daripada pelepasan resonan atau penyerapan foton gamma tanpa mengubah spektrum fonon pemancar atau penyerap sinaran, masing-masing. Dalam erti kata lain, kesan Mössbauer ialah pelepasan resonan dan penyerapan sinar gamma tanpa berundur. Ia mempunyai sifat kuantum pada asasnya dan diperhatikan dalam kajian sampel kristal, amorf dan serbuk yang mengandungi satu daripada 87 isotop daripada 46 unsur.

1. Sifat kesan

Apabila memancarkan atau menyerap kuantum gamma, mengikut undang-undang pengekalan momentum, nukleus jisim bebas M menerima momentum undur hlm = E 0 / c dan tenaga undur yang sepadan dengan impuls ini. Ia ternyata lebih kecil dengan nilai yang sama berbanding dengan perbezaan tenaga antara paras nuklear E 0 ialah tenaga kuantum gamma yang dipancarkan, dan penyerapan resonans diperhatikan untuk foton dengan tenaga yang sama dengan E 0 + R. Akibatnya, untuk nukleus yang sama, garis pelepasan dan penyerapan dipisahkan oleh 2 R dan keadaan resonans boleh dipenuhi hanya jika garisan ini digabungkan atau jika ia bertindih sebahagian. Dalam gas, tenaga mundur diterima oleh satu nukleus jisim yang memancar M, manakala dalam pepejal, sebagai tambahan kepada proses apabila fonon teruja kerana tenaga mundur, dalam keadaan tertentu anjakan hanya satu atom atau sekumpulan kecil atom menjadi mustahil, dan hanya seluruh kristal boleh mengalami mundur. Jisim kristal adalah banyak urutan magnitud lebih jisim kernel, dan oleh itu nilainya R menjadi sangat kecil. Dalam proses pelepasan dan penyerapan gamma quanta tanpa berundur, tenaga foton adalah sama sehingga lebar semulajadi garis spektrum.

1.1. Tafsiran kesan

Pada tahun 2000 dalam majalah Interaksi Hiperfine Mössbauer memberikan tafsiran visual kesannya:

Situasi… mengimbas kembali manusia, bertujuan melontar batu dari perahu. Kebanyakan tenaga mengikut undang-undang pengekalan momentum menerima ringan batu, tetapi sebahagian kecil daripada tenaga melontar masuk ke dalam tenaga kinetik bot menerima. Pada musim panas, bot hanya akan memperoleh jumlah gerakan tertentu yang sepadan dengan mundur dan belayar. dalam arah, arah bertentangan melontar. Walau bagaimanapun, pada musim sejuk, apabila tasik membeku, ais akan menahan bot, dan hampir semua tenaga lontaran akan dipindahkan ke batu, bot ( bersama tasik beku dan pantainya) akan mendapat bahagian yang tidak ketara membuang tenaga. Jadi mundur akan dipindahkan bukan hanya satu bot, tetapi seluruh tasik, dan lontaran akan dibuat "tanpa berundur".

Sekiranya seseorang dilatih sedemikian rupa sehingga dia sentiasa menghabiskan tenaga yang sama pada lontaran, dan dia boleh mengenai sasaran yang terletak pada jarak yang jauh, berdiri pada jarak yang sama darinya di atas tanah yang kukuh, kemudian apabila melontar batu dari perahu , mundur akan membawa kepada "balingan buruk". Pelebaran terma dalam perwakilan ini sepadan dengan gelombang di tasik, yang meningkatkan penyebaran batu yang ditujukan yang dibaling, dan kesilapan tidak paksaan atlet yang tidak dapat dielakkan sendiri dicirikan oleh penyebaran semula jadi atau kumpulan lontaran, serupa dengan lebar semulajadi pelepasan/penyerapan garis spektrum dan jangka hayat keadaan teruja nukleus yang sepadan.

2. Isotop Mössbauer

3. Penemuan kesan dan maksudnya

3.1. latar belakang

Sekitar tahun 1852, J. G. Stokes mula-mula memerhatikan pendarfluor - penyerapan cahaya kejadian oleh fluorit, diikuti oleh pancaran cahaya oleh penyerap. Selepas itu, kajian serupa telah dijalankan dengan bahan yang berbeza.

Pada tahun 1900, P. Willard menemui sinar gamma - sinaran monokromatik yang dipancarkan oleh radium radiasi elektromagnetik dengan tenaga foton yang tinggi.

Pada tahun 1904, R. Wood menunjukkan pendarfluor optik resonan, yang dicirikan oleh pelepasan tenaga cahaya yang diserap dalam bentuk sinaran frekuensi yang sama. Pendarfluor resonan bagi doublet natrium kuning yang dikaji olehnya diketahui secara meluas.

3.2. Jangkaan

Pada tahun 1929, W. Kuhn mencadangkan kemungkinan itu dan membuat percubaan untuk memerhatikan penyerapan resonan sinar gamma sebagai analog pendarfluor optik dalam fizik nuklear. Percubaan untuk mengesan penyerapan resonan sinar gamma dalam eksperimen dengan sumber pegun dan penyerap tidak berjaya. Walau bagaimanapun, kerja Kuhn adalah berharga kerana di dalamnya ahli fizik-kimia Switzerland ini cuba menganalisis sebab kegagalannya, mengenal pasti tiga sumber utama kelemahan penyerapan:

• pelebaran terma garis peralihan nuklear yang pada mulanya sempit;
• pelebaran tambahan kerana kemungkinan berundur semasa pelepasan zarah-β;
• peralihan talian yang ketara disebabkan oleh tenaga yang hebat berundur apabila memancarkan foton gamma dengan ulasan:

… Sumbangan ketiga, yang mengurangkan penyerapan, timbul berkaitan dengan proses pelepasan sinar gamma. Atom pemancar akan mengalami kemunduran akibat pancaran sinar gamma. Oleh itu, panjang gelombang sinaran dianjak merah; garis pelepasan dianjak relatif kepada garis penyerapan ... Oleh itu, mungkin disebabkan oleh peralihan gamma yang ketara, keseluruhan garisan pelepasan meninggalkan kawasan garisan penyerapan ...

Kuhn di sini, walau bagaimanapun, hanya menganggap peralihan dan perluasan garis pelepasan, tidak memberi perhatian kepada kesan Doppler dan kemunduran nukleus semasa penyerapan foton sinar gamma.

3.3. Pengesanan

Pada tahun 1950-1951, ahli fizik British F. B. Moon menerbitkan artikel di mana dia pertama kali menerangkan pemerhatian eksperimen kesannya. Idea eksperimen adalah untuk meletakkan sumber sinaran 198 Au gamma pada ultracentrifuge, dengan itu memberikan pampasan untuk tenaga mundur oleh anjakan Doppler garis spektrum. Memandangkan kesan yang diperhatikan sebagai penyerakan nuklear resonan sinar gamma, beliau menerangkan pendarfluor nuklear resonan.

Pada masa yang sama, saintis Sweden K. Malmfurs mengkaji penyerapan sinar gamma dalam gabungan 198 Au dan 198 Hg yang sama, cuba meningkatkan penyerapan akibat pelebaran garis haba dengan memanaskan emas dalam api. sumpitan. Malah, bilangan bacaan meningkat sedikit, dan Malmfurs melaporkan dalam makalahnya bahawa

... Keadaan kesan resonans dipenuhi dalam kes tersebut apabila komponen halaju terma [sumber] diarahkan ke penyerap, diarahkan ke bahan serakan (merkuri), mengimbangi kemunduran nukleus ...

3.4. Rasional

Pada tahun 1953 seorang profesor di Munich universiti teknikal G. Mayer-Leibniz menugaskan pelajar pasca siswazahnya Rudolf Mössbauer topik tesis sarjananya: kesinambungan kajian tentang penyerapan sinaran gamma yang bergantung kepada suhu, yang dimulakan oleh Malmfurs menggunakan 191 Os dan, sebagai tugas tambahan, penentuan masa itu. tidak diketahui nilai tenaga pereputan beta osmium-191. Selepas mempertahankan tesis sarjana Mössbauer, Mayer-Leibniz menjemputnya untuk terus mengerjakan topik ini, menyediakan disertasi untuk doktor falsafah ( PhD) di Institut Heidelberg untuk Penyelidikan Perubatan. Max Planck. Walaupun arahan mendesak penyelia untuk mengikuti kaedah Malmfurs dan mencari garis pelepasan dan penyerapan yang bertindih pada suhu tinggi, Mössbauer menunjukkan kebebasan, mengira bahawa ia akan menjadi lebih mudah, sebaliknya, untuk mereka bentuk cryostat untuk menyejukkan sampel kepada nitrogen cecair suhu. Pada masa yang sama, dia menjangkakan akan melihatnya pergantungan suhu penyerapan, di mana garis bertindih menjadi lebih lemah, dan kekerapan pengiraan kuantiti sinaran yang dihantar melalui penyerap harus meningkat. Setelah memperoleh hasil yang bertentangan, iaitu, peningkatan dalam pendarfluor gamma nuklear resonans, dia mengatasi keraguan yang berlebihan dan mempertimbangkan hasilnya dengan teliti. Akibatnya, Mössbauer menyedari bahawa konsep semiklasik yang digunakan untuk memancar dan menyerap nukleus sebagai zarah bebas tidak sesuai untuk pepejal: dalam kristal, atom terikat kuat antara satu sama lain dan dicirikan oleh kelakuan kuantum pada dasarnya.

3.5. Pengakuan

Pada tahun 1961, untuk penemuan dan pengesahan teori fenomena resonans gamma nuklear, R. L. Mössbauer telah dianugerahkan hadiah Nobel dalam fizik (bersama-sama dengan R. Hofstadter, yang menerima hadiah untuk penyelidikannya mengenai penyerakan elektron oleh nukleus).

4. Aplikasi kesan Mössbauer

Kaedah resonans gamma nuklear digunakan dalam sains bahan fizikal, kimia, mineralogi dan biologi (contohnya, dalam analisis sifat kumpulan yang mengandungi Fe dalam protein). Kesan penyerapan sinaran dipertingkatkan dengan memperkayakan sampel dengan isotop Mössbauer, meningkatkan, sebagai contoh, kandungan 57 Fe dalam makanan haiwan eksperimen. Dalam mineralogi, kesan Mössbaur digunakan terutamanya untuk menentukan kedudukan struktur ion Fe dan untuk menentukan keadaan pengoksidaan besi.

Tenaga nukleus dikuantisasi. Apabila nukleus berpindah dari keadaan teruja ke keadaan dasar, foton dengan tenaga dipancarkan. Makna yang lebih mungkin ini e tenaga untuk nukleus bebas tak terhingga lesu adalah sama dengan perbezaan antara tenaga tanah dan keadaan teruja: . Proses sebaliknya sepadan dengan penyerapan kuantum z dengan tenaga yang hampir dengan .

Apabila teruja, satu set nukleus yang serupa pada tahap yang sama, tenaga foton yang dipancarkan akan dicirikan oleh sebaran tertentu di sekitar nilai purata .

Rajah 1.13 Skim yang menggambarkan peralihan kuantum dengan pelepasan dan penyerapan kuanta elektrik (a) dan rupa garis pancaran dan penyerapan dalam kes optik (b) dan nuklear (c).

Kontur jalur serapan diterangkan oleh hubungan yang sama dengan kontur jalur pelepasan (Rajah 1.13). Adalah jelas bahawa kesan penyerapan resonan sinaran elektrik spektrum optik, apabila optik quanta yang dipancarkan semasa peralihan elektron atom teruja kepada asas e aras elektrik diserap secara resonan oleh jirim yang mengandungi atom jenis yang sama. Fenomena penyerapan resonan statik diperhatikan dengan sempurna, sebagai contoh, pada wap natrium.

Malangnya, fenomena penyerapan nuklear resonan pada nukleus bebas tidak diperhatikan. Sebabnya ialah model nukleus berat (atom), apabila kehilangan tenaga untuk gegelung berkenaan dengan kecil, adalah sah untuk resonans optik dan tidak boleh digunakan sepenuhnya untuk nuklear. Sinar gamma yang dipancarkan dalam peralihan nuklear mempunyai tenaga yang jauh lebih tinggi - 10s dan ratusan keV(berbanding dengan beberapa puluh eV untuk kuanta wilayah yang boleh dilihat). Untuk jangka hayat yang setanding dan, oleh itu, nilai rapat lebar semula jadi paras elektrik dan nuklear dalam kes nuklear, tenaga mundur memainkan peranan yang lebih penting dalam pelepasan dan penyerapan:

di mana ialah momentum mundur nukleus, sama dalam nilai mutlak dengan momentum -kuantum yang dipancarkan, m ialah jisim nukleus (atom).

Oleh itu, dalam kes optik, resonans pada nukleus bebas tidak diperhatikan (lihat Rajah 1.13 b dan c). Rudolf Mössbauer, mengkaji penyerapan -quanta yang dipancarkan oleh isotop Ir, ditemui dalam kristal Ir, bertentangan dengan nubuatan t teori konvensional, peningkatan penyebaran-kuanta pada suhu rendah (T≈77K). Beliau menunjukkan bahawa kesan yang diperhatikan dikaitkan dengan penyerapan resonans -quanta oleh nukleus atom Ir dan memberi penjelasan tentang sifatnya.

Dalam eksperimen tentang kesan Mössbauer, bukan jalur pelepasan (atau penyerapan) itu sendiri diukur, tetapi lengkung penyerapan resonans (jalur Mössbauer). Pelaksanaan unik kaedah resonans gamma nuklear dalam kimia dan fizik keadaan pepejal dibenarkan oleh fakta bahawa lebar komponen julat Mössbauer l garisan resonans adalah kurang daripada tenaga magnet dan interaksi elektronik nukleus dengan elektron di sekelilingnya. Kesan Mössbauer - cara yang berkesan kajian tentang pelbagai fenomena yang mempengaruhi interaksi ini.

Skim mudah untuk memerhatikan kesan Mössbauer dalam g geometri penghantaran termasuk sumber, penyerap (standard sempit bahan yang dikaji) dan sensor g-ray (Rajah 1.14).

nasi. 1.14 Skim eksperimen Mössbauer: 1 - penggetar elektrodinamik yang menetapkan makna yang berbeza kelajuan sumber; 2 – sumber Mössbauer; 3 - penyerap yang mengandungi nukleus isotop Mössbauer; 4 - sensor melepasi penyerap g-quanta (biasanya pembilang berkadar atau photomultiplier).

Sumber sinaran mesti mempunyai kualiti tertentu: ia mesti mempunyai separuh hayat nukleus yang panjang, sekiranya berlaku pereputan yang mana nukleus isotop resonans dilahirkan dalam keadaan teruja. Tenaga peralihan Mössbauer sepatutnya agak kecil ( supaya tenaga mundur tidak melebihi tenaga yang diperlukan untuk menyesarkan atom dan nod kekisi kristal), garis pelepasan adalah sempit (ini memberikan resolusi tertinggi) dan kemungkinan pelepasan bebas latar belakang adalah besar. Dalam kebanyakan kes, sumber r-quanta diperoleh dengan memasukkan isotop Mössbauer ke dalam matriks besi melalui penyepuhlindapan resapan. Bahan matriks hendaklah dia- atau paramagnet (pemisahan magnet paras nuklear dikecualikan).

Piawaian nipis dalam bentuk kerajang atau serbuk digunakan sebagai penyerap. Apabila menentukan ketebalan yang dikehendaki standard, adalah perlu untuk mengambil kira kemungkinan kesan Mössbauer (untuk besi tidak bernoda, ketebalan terbaik ialah ~20 μm). Ketebalan Terbaik saya adalah hasil daripada kompromi antara keperluan untuk bekerja dengan penyerap sempit dan mempunyai kesan penyerapan yang paling tinggi. Kilauan dan pembilang berkadar lebih banyak digunakan untuk mendaftar -kuanta yang telah melepasi piawaian.

Mendapatkan julat penyerapan resonans (atau julat Mössbauer) membayangkan perubahan dalam kriteria resonans, mengapa perlu memodulasi tenaga -quanta. semasa kaedah modulasi masa berasaskan pada kesan Doppler (dalam kebanyakan kes, pergerakan sumber r-quanta relatif kepada penyerap ditetapkan).

Tenaga r-kuantum disebabkan oleh kesan Doppler berubah mengikut nilai

di manakah nilai mutlak halaju sumber berbanding penyerap; c ialah kelajuan cahaya dalam vakum; ialah sudut antara arah gerakan sumber dan arah pancaran g-quanta.

Oleh kerana dalam eksperimen sudut mengambil hanya dua nilai \u003d 0 dan , maka ∆E = (simbol positif sepadan dengan pendekatan, dan negatif– penyingkiran sumber daripada penyerap).

Dalam ketiadaan resonans, sebagai contoh, apabila tiada nukleus isotop resonan dalam penyerap, atau apabila halaju Doppler sangat tinggi (sepadan dengan kemusnahan resonans akibat konfigurasi tenaga -kuantum yang sangat besar), kebanyakannya daripada sinaran yang dipancarkan ke arah penyerap masuk terletak di belakangnya sensor.

Isyarat daripada sensor dikuatkan, dan denyutan daripada quanta individu direkodkan oleh penganalisis. Biasanya nombor itu direkodkan - quanta untuk selang masa seragam pada berbeza . Dalam kes resonans, r-quanta diserap dan dipancarkan semula oleh penyerap dalam arah rawak (Rajah 1.14). Pecahan sinaran yang memasuki sensor dikecilkan dalam kes ini.

Dalam eksperimen Mössbauer, pergantungan keamatan sinaran yang dihantar melalui penyerap (bilangan denyutan yang didaftarkan oleh sensor) pada halaju relatif sumber dikaji. kesan penyerapan ditentukan oleh hubungan

di manakah bilangan r-kuanta yang direkodkan oleh penderia dalam masa tertentu pada nilai halaju Doppler (dalam eksperimen gunakan set kelajuan yang diskret ke); – sama untuk , apabila tiada penyerapan resonans. Kebergantungan dan tentukan bentuk lengkung penyerapan resonan aloi besi dan sebatian dan terletak dalam ±10 mm/s.

Kemungkinan kesan Mössbauer ditentukan oleh julat fonon kristal. Di kawasan suhu rendah () kemungkinan mencapai nilai yang hampir kepada perpaduan, dan di kawasan tinggi () ia sangat kecil. Perkara lain adalah sama dengan syarat untuk kemungkinan penyerapan tanpa latar belakang dan sinaran lebih besar dalam kristal dengan suhu tertinggi Debye (menentukan kekerasan ikatan antara atom).

Kemungkinan kesannya ditentukan oleh julat getaran anjal atom dalam kekisi kristal. Garis Mössbauer adalah sengit jika amplitud getaran atom adalah kecil berbanding dengan panjang gelombang z-quanta, i.e. pada suhu rendah. Dalam kes ini, julat pelepasan dan penyerapan terdiri daripada jalur resonan sempit (proses tanpa telefon) dan komponen luas, disebabkan oleh konfigurasi keadaan getaran kekisi semasa pancaran dan penyerapan z-quanta (lebar yang terakhir ialah 6 susunan magnitud lebih besar daripada lebar jalur resonans).

Anisotropi ikatan interatomik dalam kekisi menentukan anisotropi amplitud getaran atom dan, seperti berikut, kemungkinan berbeza penyerapan tanpa latar belakang dalam arah kristalografi yang berbeza. Untuk kristal tunggal, bukan sahaja purata, tetapi juga pergantungan sudut boleh diukur dengan cara ini.

Dalam anggaran penyerap sempit, kemungkinan peralihan tanpa latar belakang adalah berkadar dengan kawasan di bawah lengkung penyerapan resonans. Resonans gamma nuklear boleh digunakan untuk mengkaji parameter getaran kekisi atom pepejal atau bendasing dalam kekisi ini. Eksperimen yang lebih selesa parameter dalam kes ini ialah kawasan julat S, kerana ia adalah ciri penting dan tidak bergantung pada bentuk julat pancaran kuanta resonan dan penyerapan diri dalam sumber. Kawasan ini dikekalkan apabila julat dibahagikan kepada beberapa komponen akibat interaksi hiperhalus.

Julat penyerapan resonan mudah penyerap sempit ialah garis Lorentzian tunggal. Keamatan masa lalu melalui penyerap adalah kecil pada maksimum penyerapan. Sebagai contoh, dalam rajah. 1.15 menunjukkan julat Mössbauer bagi besi tidak ternoda.

nasi. 1.15 Julat Mössbauer daripada besi tulen.