П.Б. Фабричный, К.В. Похолок - Мессбауэровская спектроскопия и ее применение для химической диагностики неорганических материалов (1133891), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На анализе этихосцилляций и основана μSR-спектроскопия [7].(а)(б)Рис. 1. Изменение скорости счета позитронов, испущенных положительнымимюонами, остановленными в твердом веществе, в зависимости от времени:а) при отсутствии возмущений, б) в присутствии магнитного поля, приводящего кзатухающим осцилляциям (μSR-спектр) [7].Для выяснения происхождения указанных осцилляций необходимоучесть два следующих обстоятельства.
Первое - заключается в том, чтопучки μ+-мезонов сильно поляризованы (как минимум на 80%), т.е.бóльшая часть спинов Sμ = 1/2 направлена в одном и том же направлении.Второе - связано с анизотропным характером процесса испусканияпозитрона, зависящего от направления спина мюона.
Функциявероятности W(θ) того, что позитрон будет испущен под углом θ кнаправлению спина Sμ, записывается какW(θ) = 1 + a cosθ,(1.5)где а ≈ 1/3 .В присутствии внешнего магнитного поля Нext спины Sμпрецессируют в плоскости перпендикулярной направлению магнитногополя с частотой ωμ = γμНμ, где γμ - гиромагнитное отношение μ+ (13,5511МГц/кГс) и Нμ - эффективное магнитное поле, “ощущаемое” мюоном(рис. 2). Следует учитывать, что Нμ обычно отличается от Нext. Этообусловлено тем, что ядра, содержащиеся в твердом теле, имеютмагнитные моменты, создающие в позиции, занимаемой μ+,дополнительное магнитное поле за счет дипольного взаимодействия.Когда эти моменты ориентированы случайным образом, вместоединственной частоты прецессии ωμ появляется набор очень близколежащих частот, что приводит к затуханию осцилляций, отражающемудеполяризацию совокупности мюонов.Рис.
2. Схема μSR-эксперимента в поперечном магнитном поле. Детектор «старт»регистрирует входящий мюон; детектор «стоп» регистрирует уходящий позитрон.W(θ) – угловое распределение позитронов. Длина радиальных стрелокпропорциональна вероятности испускания е+ в соответствующем направлении.Внешнее поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.В этом случае скорость счета позитронов, измеряемая в заданномнаправлении, в зависимости от времени t, определяется выражениемN(t) = N0 exp(-t/τμ) [1 + AP(t) cos(ωμt + φ) ],(1.6)↓↓затухание осцилляциигде N0 – нормировочная константа, τμ - среднее время жизни μ+, А - эффективнаяанизотропия распада, Р(t) - функция поперечной релаксации, описывающаяизменение поляризации, ωμ - частота ларморовой прецессии, φ - фазовая постоянная,определяющаяся положением детектора позитронов.12При диффузии мюонов в твердом теле функция затухания Р(t) засреднее время жизни мюонов может быть аппроксимирована формулойАбрагамаР(t) = exp[-σ2τC2{exp(-t/τC) – 1 + t/τC}],(1.7)где τC – время корреляции пропорциональное времени пребывания мюона в даннойпозиции и σ2 – второй момент распределения ωμ.Можно выделить два режима диффузии мюонов:- быстрая диффузия: σ2τC2 << 1 и P(t) ∼ exp(-σ2τCt);- диффузия в “замороженном” состоянии: σ2τC2 >> 1 и P(t) ∼ exp(-σ2t2/2).В первом случае профиль затухания имеет лоренцевскую форму, а вовтором – гауссовскую.Позиции локализации мюонаПоложительный знак заряда μ+ позволяет ожидать, что мюоны будутлокализоваться в междоузельных позициях.
Определение конкретноготипа позиций, занимаемых мюоном, становится возможным благодаряизучению степени деполяризации μ+, остановленного в монокристалле,помещенном во внешнее магнитное поле. Так например, еслипредположить, что мюон априори может занимать либо тетраэдрические,либо октаэдрические междоузлия, то степень его деполяризации в этихдвух случаях будет различаться в зависимости от того, вдоль какогокристаллографического направления приложено поле Нext. Экспериментпозволяет отдать предпочтение одному из указанных предположений.Диффузия мюонаМюон обычно не остается на одном месте, а перемещается из однойпозиции в другую, причем даже при низких температурах.
Этопредоставляет возможность исследовать зависимость процесса диффузииμ+ от структурных и внешних факторов. Поскольку механизмы диффузиимюона и водорода имеют между собой много общего, применение μSRспектроскопии открывает интересные перспективы для решения рядаважных технологических проблем, таких как, например, выяснениепричин возникновения “водородной коррозии”, приводящей квнезапному появлению хрупкости у металлических изделий [9](например, труб газопроводов).Эффективное магнитное полеПолучение физико-химической информации методом μSR возможноне только посредством анализа затухания осцилляций (т.е. путемопределения степени деполяризации, зависящей от разброса значений13локальных полей ΔНμ).
В случае магнитных материалов не меньшийинтерес представляет исследование абсолютного значения поля Нμ (т.е.экспериментально определяемого значения γμωμ). Величина магнитногополя, «ощущаемого мюоном», в общем случае является суммой вкладов,имеющих различное происхождение:Нμ = Нext + Нdem + НL + Нdip + Нhf,(1.8)где Нext – внешнее поле, Нdem – размагничивающее поле, НL – лоренцевское поле,Нdip – дипольное поле и Нhf – сверхтонкое поле.При анализе экспериментальных значений Нμ следует учитывать, чтоони относятся к позициям внедрения, а не к позициям замещения, как этоимеет место в других методах ядерной спектроскопии.
Значения Нμ оченьмалы (порядка нескольких килогаусс) по сравнению с наблюдающимисяядерными сверхтонкими полями. По этой причине метод μSRобеспечивает значительно более точное определение вкладов вэффективное поле, имеющих электронное происхождение (НL и Нdip).Поскольку мюон не имеет электронной оболочки, Нhf может бытьобусловлено только поляризованными электронами проводимости, т.е.наблюдаться в образцах, обладающих металлическим типомпроводимости. Поляризация может возникать либо за счет внешнегополя, либо в результате существования локальной намагниченности (вслучае магнитных материалов).В настоящее время метод μSR стал эффективным инструментомизучения магнитного упорядочения в сложных системах, позволяяисследовать динамику быстрых процессов, обнаруживать существованиенеэквивалентных состояний и т.д.Метод возмущенных угловых корреляций (ВУК) [9,10]При последовательном испускании ядром двух гамма-квантов иличастиц промежуточное ядро будет сохранять компоненту моментаколичества движения в направлении излучения первой частицы, а вектормомента - прецессировать вдоль этого направления.
В результате угол θмежду направлением испускания первой и второй частицы перестаетявляться случайной величиной. Степень отклонения значений θ отслучайного распределения характеризуют коэффициентом анизотропииW ( π)(1.9)− 1,W (π / 2)где W(θ) – число случаев, приходящихся на единицу телесного угла, когда уголмежду направлением последовательно испущенных частиц равен θ.А=14Если на рассматриваемое ядро действуют внутренние поля (магнитныеи/или электрические), взаимодействие магнитного и/или квадрупольногомоментов ядра с внутренним полем приведет к изменению направленияпрецессии. В результате произойдет ослабление анизотропии, т.е.проявится «возмущение», анализ которого позволит определить величинулокального поля.
Следует учитывать, что этот эффект будет проявлятьсялишь при условии, что время жизни промежуточного ядерного состоянияпревышает характеристическое время прецессии ядерного момента. Вметоде ВУК одним из наиболее часто используемых нуклидов является111mCd, образующийся при электронном захвате в 111In. Претерпеваяраспад, 111mCd испускает два каскадных гамма-кванта, исследованиеуглового распределения которых (рис. 3) позволяет получитьинформацию о локальном окружении атомов кадмия в изучаемомвеществе.Рис. 3. Схемы распада 111In и 111mCd и блок-схема установки для исследования ВУК(1 – источник; 2,3 – детекторы; 4 – схема совпадений).Достоинством метода ВУК является то, что он позволяет исследоватьобразцы, находящиеся в любом агрегатном состоянии (т.е.
не толькотвердые вещества, но также жидкости и газы). Химические примененияметода ВУК остаются, однако, в настоящее время достаточноограниченными. Сверхтонкие взаимодействия, упоминавшиеся прирассмотрении перечисленных выше методов, будут подробно обсуждены15в основной части курса,резонансной спектроскопии.посвященноймессбауэровскойгамма-Лекция 2Эффект МессбауэраЭффект Мессбауэра – физическое явление, наблюдающееся в твердыхтелах.
Оно состоит в испускании гамма-луча радиоактивным атомом,находящимся в связанном состоянии, без потери части энергиигамма-излучения за счет эффекта отдачи ядра и резонансномпоглощении испущенного гамма-луча ядром стабильного атома,также находящегося в связанном состоянии.Это открытие, отмеченное Нобелевской премией по физике, былосделано в 1958 г.
немецким аспирантом Рудольфом Мессбауэром [12],диссертационная работа которого была посвящена изучению влияниятемпературы на поглощение гамма-излучения ядрами. В своей работе ониспользовал радиоактивный нуклид осмий-191, претерпевающий βраспад с образованием радиоактивного иридия-191, переход которого встабильное состояние сопровождается испусканием гамма-лучей.Неожиданный эффект, проявившийся в эксперименте, заключался в том,что вопреки ожиданию, понижение температуры приводило к усилениюядерной флуоресценции.
Мессбауэру этого оказалось достаточным,чтобы понять, что речь идет о новом физическом явлении. Правильностьпредложенного им объяснения, несмотря на то, что на первый взгляд онопредставлялось по меньшей мере странным, вскоре была подтвержденасуществованиедругимиработами,продемонстрировавшимианалогичного эффекта для других нуклидов. Дальнейшие исследования вэтом направлении быстро привели к созданию нового метода физикохимической диагностики твердых веществ, получившего название«мессбауэровская спектроскопия».К настоящему времени эффект Мессбауэра наблюдался более, чемдля 40 элементов. Наиболее часто применяющиеся мессбауэровскиеизотопы указаны в табл. 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
