М.И. Афанасов и др. - Основы радиохимии и радиоэкологии (Практикум) (2016) (1133852), страница 22
Текст из файла (страница 22)
10.3. Схема ядерных уровней 57Fe: в отсутствие поля и градиента электрического поля (H=0;Vzz=0), в случае магнитного сверхтонкого (H>0; Vzz=0) икомбинированного электрического квадрупольного и магнитного сверхтонкого взаимодействия (H>0; Vzz 0;H >> eQVzz). ES - энергия перехода в ядрах источника; (1-6) – энергии переходов для ядер поглотителя. Мессбауэровский спектр соответствует случаю комбинированного взаимодействия.На рис. 10.3 представлена схема ядерных уровней 57Fe. В этом случае при поглощении резонансного -кванта ядро переходит из одного из подуровней основного со84стояния (Ig = 1/2) на один из четырех подуровней возбужденного состояния (Ie = 3/2).Шесть разрешенных дипольных переходов (m0, 1) приводят к появлению в мессбауэровском спектре магнитной СТС, состоящей из секстета линий.
Расстояниемежду компонентами магнитной СТС (с учетом соответствующих переходов и значений g) позволяет определить поле Н, действующее на резонансное ядро.При одновременном участии ядра в магнитном и квадрупольном взаимодействияхрасчет энергетических уровней и интенсивности соответствующих переходов усложняется.
В частном случае, когда магнитное взаимодействие намного сильнее квадрупольного и электрическое поле имеет аксиальную симметрию, линии магнитной СТСсдвигаются на величину:eQVzz 3 cos 2 142где - угол между направлениями Vzz и Н.Q (10.9),Если угол известен, спектр позволяет определить константу eQVzz. Например, при=0 значение eQVzz равно разности расстояний между линиями 1-2 и 5-6 спектра (рис.10.3).Величина внутреннего поля зависит от различных структурных и электронных параметров: числа неспаренных d-электронов, характера химической связи резонансного атома, состава и геометрии катионного окружения и т.д. Таким образом, проявление сверхтонкого магнитного расщепления значительно увеличивает информативность мессбауэровских спектров, позволяя сделать выводы об особенностях электронной, кристаллохимической и магнитных структур изучаемых соединений.Одна из важных задач, которая может быть решена с помощью мессбауэровскойспектроскопии, – идентификация соединений и фаз, образующихся в тех или иныхпроцессах.
Значения химического сдвига , константы квадрупольного взаимодействия eQVzz и поля H можно рассматривать как основные параметры, позволяющиеидентифицировать соединения. К настоящему времени получены спектры огромногочисла веществ и соответствующие параметры приведены в справочниках международного центра “Mössbauer Effect Data Center”. Сопоставление полученных результатов с данными международной базы позволяет во многих случаях однозначно охарактеризовать состав и структуру локального окружения мессбауэровского атома, а также идентифицировать соединения мессбауэровских элементов.10.2.
Получение мессбауэровских спектров соединений железа и олова.Цель работыПрактическое ознакомление с работой мессбауэровского спектрометра; определениестепени окисления и локального анионного окружения атомов железа (олова) в их соединениях.Оборудование и препаратыМессбауэровский спектрометр Ms-110Em (или МС1101Э).Источники резонансного -излучения: 57Cо(Rh) или Вa119mSnO3Стандартные поглотители для калибровки шкалы скорости: Na2[Fe(NO)(CN)5]2H2O;α-Fe; -Fe2O3.Исследуемые соединения железа (FeSO4, Fe2(SO4)3, K4[Fe(CN)6], K3[Fe(CN)6] и др.)или олова (SnO, SnO2, SnS2 и др.). Контрольные образцы смеси этих веществ.85Выполнение работыНастоящая работа выполняется, как правило, на двух занятиях.
На первом студентызнакомятся с устройством и работой спектрометра, методикой получения и обработкиспектров ЯГР, проводят калибровку скоростного диапазона. На втором проводят измерения и анализируют полученные спектры соединений железа или олова.1. Методика регистрации спектров ядерного гамма-резонансаМессбауэровские измерения проводятся на спектрометре Ms-110Em. Блок-схемаустановки представлена на рис. 10.4.Спектрометр функционирует в циклическом режиме: в пределах каждого цикладвижение модулятора (1) соответствует изменению скорости движения источника (2)от максимального отрицательного до максимального положительного значения.
Каждому iтому каналу памяти накопителя (блок USB - 4) соответствует свой (задаваемый заранее) интервал скорости (v = vi). В результате каждый цикл скоростной развертки позволяет получить «элементарный» мессбауэровский спектр, представляющий собой зависимость числа импульсов Ni, прошедших через исследуемое веществопоглотитель (3) при скорости vi и зарегистрированных детектором (5), от номера канала.Пересчет номеров каналов (n) в шкалу абсолютных скоростей (, мм/с) осуществляется по калибровочным спектрамэталонных поглотителей с хорошоизвестной структурой сверхтонкогорасщепления ядерных уровней. Впрограмме управления спектрометром амплитуда скорости движенияисточника задается в относительных единицах.
Например, запись«сod30» может соответствовать амплитуде от – 10 до +10 мм/с. Спектрэталона позволяет получить графиклинейной зависимости в координатах « - n» и определить канал, соответствующий скорости =0. Значения изомерных сдвигов , полученные при обработке спектров исследуемых образцов, пересчитывают относительно центров тяжестиРис. 10.4. Блок-схема мессбауэровской установки.спектров эталонных поглотителей,1 – модулятор;2 –источник -излучения;3 – поглотитель; 4 – адаптер USB (электронные находящихся при комнатной57темпе-Fe (для спектров Fе) имодули драйвера модулятора, накопителя импуль- ратуре:119119сов, управления детектором); 5 – детектор; 6 - Ba SnO3 (для спектров Sn)..
Для получения спектров исполькомпьютерзуются источники излучения:Ba119mSnO3 (спектрометрия 119Sn) и 57Co, внедренный в металлическую матрицу (Rhили Pd, спектрометрия 57Fе). Гамма-кванты регистрируются детектором сцинтилляционного типа, состоящим из тонкого (0,5 и 0,15 мм в случае 119Sn и 57Fe, соответственно) кристалла NaI(Tl) и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-93.86Интенсивность линий мессбауэровского спектра (а, следовательно, и качествоспектра) пропорциональна доле полезного (резонансного) излучения (см.
уравнение(10.3)). Поэтому при мессбауэровском измерении выходные сигналы с ФЭУ «направляются» на вход дискриминатора (блок USB - 4), с помощью которого из общего фотонного спектра выделяются импульсы, отвечающие резонансным -квантам. В случае 119Sn и 57Fe используются участки амплитудного спектра, включающие линии сэнергией 23,8 и 14,4 кэВ, соответственно.Исследуемые образцы (3) представляют собой порошкообразные вещества. Дляпроведения измерений их обычно помещают в кассету из органического стекла илизапрессовывают в алюминиевую фольгу.2. Подготовка спектрометра к работе2.1. Закрепить мессбауэровский источник на штоке драйвера, поместить исследуемыйобразец (поглотитель - 3) в держатель между источником и детектором.
В навеске исследуемого вещества должно содержаться примерно 25-50 мг железа или 10-20 мголова (при площади поглотителя от ~2 до ~ 4 см2).2.2. Включить компьютер (при этом одновременно подается электропитание на модули блока USB, детектор и модулятор). Включить блок USB.3. Программа управления спектрометром представлена ниже в сжатой форме. Необходимые детали подскажет преподаватель.3.1. Запустить управляющую программу Ms110Em.exe, которая обеспечивает управление всеми модулями спектрометра. При запуске на экране компьютера открываются 4 окна модулей (накопитель, дискриминатор, модулятор, криостат), из которых вкаждый момент времени активно только одно.3.2. Перейти в окно драйвера модулятора, в котором (по согласованию с преподавателем) выбрать и установить требуемую амплитуду скорости движения источника в зависимости от того, какое соединения предполагается исследовать. Нажать клавишу«пуск» - источник начнет движение по заданной программе.3.3.
Перейти в окно дискриминатора, задать напряжение на ФЭУ и коэффициент усиления детектора. Нажав клавишу «пуск», произвести измерение амплитудного спектра. Остановить набор и выделить, установив пороги дискриминации, рабочую область амплитудного спектра, отвечающую резонансным -квантам 14,4 кэВ (57Fe) или23,8 кэВ (119Sn). Повторить измерение, и убедившись в том, что окно сканированиявыбрано верно, остановить набор амплитудного спектра.3.4. Перейти в окно накопителя.
Записать название спектра (имя файла). Для началанабора мессбауэровского спектра нажать клавишу «пуск».3.5. Для остановки процесса измерения нажать клавишу «стоп» в окне накопителя, идля страховки сохранить спектр (хотя файл спектра автоматически запоминаетсякомпьютером в процессе съемки).4. Получение спектров и расчет их параметровСпектры исследуемых соединений железа (олова) набирают в изложенной вышепоследовательности (см. п.п. 2 и 3).
Для математической обработки спектров используют различные программные приложения, например, UnivemMC. Краткое описаниеметодики обработки спектра получают у преподавателя.87По калибровочным спектрам эталонных поглотителей определяют номер канала,соответствующий нулевой скорости, и интервал скорости, приходящийся на 1 канал(«цена деления канала»). Используя программное приложение и параметры калибровки, рассчитывают изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление и площади линий спектра.
Полученные значения параметров и сравнивают с литературнымиданными. Определяют степень окисления и возможный состав ближайшего анионного окружения мессбауэровских атомов. Если в исследуемом поглотителе обнаруженонескольких химических форм мессбауэровского элемента, определяют их содержаниепо площади соответствующих спектральных компонент, учитывая при этом значениеf-фактора (уравнение (10.3)).88РАБОТА 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КАЛИЯ В СОЛЯХ И ПРИРОДНЫХОБЪЕКТАХ ПО ЕГО РАДИОАКТИВНОСТИЭлемент калий помимо двух стабильных нуклидов 39К и 41К (массоваядоля 93,08 и 6,91%), содержит такжерадионуклид 40К (0,012 %).
Период полураспада 40К 1,28109 лет, то есть онсохранился на Земле с момента ее образования и является первичным естественным радионуклидом. При распаде40К с вероятностью 89,3 % испускаютсяβ-частицы с максимальной энергией1,314 МэВ и с вероятностью 10,7 % фотоны с энергией 1,46 МэВ (см. схемураспада на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
