П.Б. Фабричный, К.В. Похолок - Мессбауэровская спектроскопия и ее применение для химической диагностики неорганических материалов (1133891), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Ядерная предыстория мессбауэровскогоуровня (схема распада материнского ядра), условия проведенияэкспериментов и структура спектров для различных нуклидов могутсильно отличаться. Однако общим во всех случаях являетсясуществование ядерного изомерного перехода, при котором находящеесяв источнике (s) радиоактивное ядро, испуская гамма-квант, переходит встабильное состояние. Этим излучением облучают поглотитель (а),16содержащий соответствующие ядра в стабильном состоянии, с целью ихперевода в возбужденное состояние (образование изомера, распавшегосяв источнике). Когда этот переход удается осуществить, имеет место«ядерный гамма-резонанс». Сказанное схематически изображено нарис. 4 применительно к мессбауэровскому переходу с энергией Еγ = 23,88119кэВ на ядрах Sn.Таблица 2.Изотопы, для которых наблюдался эффект Мессбауэра, и соответствующее числопубликаций с их использованием (данные на начало 2004 г.
[13])Изотопы, применявшиеся в более 1000 работах: 57Fe, 119SnИзотопы, использовавшиеся в от 100 до 1000 статьях: 61Ni, 67Zn, 99Ru,125Te, 129I, 181Ta, 182W, 191Ir, 197Au, 151Eu, 155Gd, 166Er, 169Tm, 170Yb, 237Np121Sb,Элементы, имеющие мессбауэровские изотопы, но фактически неприменяющиеся на практике: K, Mn, Ge, Kr, Tc, Ag, Xe, Cs, Ba, La, Hf, Re, Os,Pt, Hg, Pr, Nd, Pm, Sm, Tb, Dy, Ho, Lu, Th, Pa, U, Pu, AmРис.
4. Схематическая иллюстрация принципа ядерного гамма-резонанса на примере119Sn.На первый взгляд, наблюдение ядерного гамма-резонанса представляетсяневозможным. Действительно, ядерный изомер 119mSn (имеющий спин Iе =3/2) существует лишь в течение некоторого промежутка времени, чтосогласно принципу Гайзенберга приводит к появлению неопределенностив энергии испущенных гамма-квантов. Иными словами, в энергии гамма17квантов имеется некоторый разброс (т.е. «ширина ядерного состояния» Гне равна нулю). В свою очередь неопределенность во временипроявляется в том, что находящийся в возбужденном состоянии изомерможет быть охарактеризован лишь средним временем жизни τ.
Согласнопринципу неопределенности(2.1)Гτ = h .Используя соотношение между τ и периодом полураспада T1/2, получаемГ=(ln 2)h 0,693h=.T1 / 2T1 / 2(2.2)Для 119mSn период полураспада Т1/2 = 1,85⋅10-8 с. Таким образом, в этомслучае ширина распределения гамма-квантов Г = 2,47⋅10-8 эВ. Посравнению со значением Еγ = 23,88 кэВ разброс по энергии настолько мал,что он не может наблюдаться экспериментально. Полученная оценкавеличины Г дает, однако, представление об исключительно высокой«требовательности» ядер к энергии гамма-квантов, пригодных длярезонансного поглощения.
Для перевода ядра из основного состояния (соспином Ig = 1/2) в первое возбужденное состояние (Ie = 3/2) энергия,необходимая для перестройки ядра, должна ему быть передана сточностью порядка величины Г. Именно это обстоятельство позволялоусомниться в возможности наблюдения ядерного гамма-резонанса. Всамом деле, при испускании гамма-кванта, уносящего основную частьэнергии ядерного превращения (т.е. энергии, выделившейся приобразовании изомера с I =1/2), часть ее, хотя и очень незначительная,должна остаться у образовавшегося ядра в виде энергии отдачи(приводящей к увеличению его кинетической энергии).
Энергия отдачи ЕR(и соответствующее уменьшение энергии гамма-кванта, испущенного “сотдачей”) может быть рассчитана из соотношенияER =E γ22Mc 2,(2.3)где М – масса ядра, с – скорость света.Подстановка в (2.3) значений, отвечающих γ-переходу в 119Sn,показывает, что ЕR ∼ 10-3 эВ. Таким образом, потеря энергии за счетэффекта отдачи примерно в 100000 раз превышает значение Г.Аналогичный вывод справедлив и при рассмотрении поглощения гаммалуча стабильным ядром. Это означает, что линии испускания ипоглощения будут отстоять друг от друга на величину равную 2ЕR, чтоисключает возможность их перекрывания из-за чрезвычайной узости18соответствующих распределений по энергии (рис. 5).
Такое рассмотрениеправомерно, если ядра, участвующие в гамма-резонансе, можно считатьсвободными (присутствующими в несвязанном состоянии), например,когда речь идет о ядрах олова, находящегося в виде пара. Однакоситуация оказывается иной, когда распадающиеся ядра и ядра,облучаемые соответствующим гамма-излучением, входят в составкристаллической решетки (или принадлежат какой-то другойтвердофазной системе, образованной достаточно большим числомвзаимодействующих атомов).Рис. 5. Иллюстрация последствий эффекта отдачи при испускании и поглощении γкванта свободными ядрами [14].В таких системах мессбауэровские атомы, являясь составной частьюбольшого ансамбля атомов, участвуют в тепловых колебаниях, характеркоторых зависит от природы межатомных взаимодействий, структурывещества, температуры и других факторов.Рассмотрим случай, когда мессбауэровский атом находится вкристалле, описывающимся эйнштейновской моделью тепловыхколебаний.
В этой модели кристалл, образованный N атомами,рассматривается в виде совокупности 3N осцилляторов, имеющиходинаковуючастотуω.Различныеэнергетическиеуровни«энштейновского» твердого тела, задаются квантовыми числамиосцилляторов. Увеличение энергии колебаний происходит дискретно, т.е.посредством поглощения фонона с энергией hω (обычно составляющейвеличину порядка 10-2 эВ).
Это означает, что передача энергии отдачи19кристаллу при вылете гамма-кванта осуществляется порциями кратнымиhω . Поэтому, если ЕR < hω , кристалл сможет поглотить энергию толькопри испускании нескольких γ-квантов, некоторые из которых должны,соответственно, покинуть кристалл «без потери энергии за счет эффектаотдачи» (рис.
6). В результате в спектре γ-излучения источникапоявляется «бесфононный» пик, ширина которого («естественнаяширина» Г) определяется только принципом неопределенностиГайзенберга. Гамма-кванты, отвечающие этому пику (пригодные дляРис. 6. Изменение колебательного состояния кристалла при испускании γ-квантовнаходящимися в нем мессбауэровскими атомами (ЕR < hω ) [14].резонансного поглощения), характеризуются рекордно высокимотносительнымразрешением по энергии. Так, для случаямессбауэровского перехода на ядрах 119Sn имеем:−8Г= 2,5 ×10 эВ ≈ 10-12.Eγ23,88 ×103 эВ(2.4)Это означает, что энергию таких мессбауэровских гамма-лучей можноконтролировать с точностью порядка 10-12.Долю переходов без эффекта отдачи, называют «f-фактором» (дляисточника используется обозначение fs, для поглотителя - fa).
Иными20словами, при ядерном гамма-резонансе из общего числа испущенных безотдачи γ-квантов (их доля равна fs) лишь некоторые (fa) вызовут переходоблученных стабильных ядер в возбужденное состояние. Рассмотрение(2.3) показывает, что увеличение энергии гамма-излучения приводит кболее быстрому увеличению энергии отдачи (ЕR ∼ E γ2 ) и, соответственно,уменьшению f-фактора, чем соответствующие изменения, происходящиепри уменьшении массы резонансного ядра (ЕR ∼ 1 ).MЧтобы перейти от эффекта Мессбауэра (явления ядерного гаммарезонанса) к мессбауэровской спектроскопии, потребовалось найтикакой-то способ модулировать энергию гамма-лучей по величине. Этазадача была изящно решена с помощью эффекта Допплера: движениеисточника γ-излучения в направлении наблюдателя (каковым вмессбауэровском эксперименте, как правило, является поглотитель) илиот него со скоростью v (имеющей, соответственно, знак + или -) приводитк изменению энергии поглощаемого гамма-кванта на величину± δD =±vE ,c γ(2.5)где c - скорость света.Подстановка Eγ (119Sn) = 23,88 кэВ в (2.5) показывает, что изменениеэнергии, отвечающее допплеровской скорости v = 1 мм/с, составляетпримерно 10-7 эВ, т.е.
для рассматриваемого мессбауэровского переходаоно сопоставимо по порядку величины с Г = 0,25×10-7 эВ.Мессбауэровские эксперименты могут осуществляться различнымиспособами (рис. 7). На практике их чаще всего проводят «в геометриипропускания». Источник s (спрессованный радиоактивный порошок илифольга, помещенные в герметически закрытую кювету) закрепляют наштоке, приводимом в движение вибратором (генератором механическихколебаний).
Процесс испускания гамма-квантов источником происходитизотропно, т.е. с равной вероятностью во всех направлениях. С помощьюсвинцового экрана, имеющего отверстие, пучок гамма-квантов«коллимируют» в направлении детектора. На пути пучка устанавливаютпоглотитель а. Поглотитель чаще всего представляет собой небольшоеколичество анализируемого порошкообразного вещества, равномернораспределенного по поверхности (объему) измерительной ячейки. Еслиисследуемого вещества недостаточно для заполнения поверхности ячейки(так, чтобы на ней не осталось незаполненных участков), перед21проведением измерений образец смешивают с подходящим инертнымнаполнителем, не содержащим мессбауэровского элемента.
В качестветакого инертного наполнителя при съемке спектров 57Fe можноиспользовать, например, сахарную пудру, растертый порошокактивированного угля, порошок нитрида бора и другие вещества, лишьнезначительно ослабляющие проходящий через них пучок гамма-квантовза счет нерезонансного поглощения (обусловленного фотоэффектом).a(образец)s(источник)γ±Vγe--детекторгеометрияпропусканияγгеометрияотраженияскоростьчисло импульсовчисло импульсовдетекторскоростьРис. 7. Варианты проведения мессбауэровских измерений.22Применение оксида алюминия для этой цели нежелательно, поскольку внем могут присутствовать следы железа (геохимически сопутствующегоэлемента) и при длительной съемке спектра в нем могут появитьсяпаразитные пики, не имеющие отношения к исследуемому веществу.Регистрация мессбауэровского спектра состоит в измерениискорости счета γ-квантов (или их относительного поглощения в образце)в зависимости от скорости движения источника (или от номера канала впамяти накопителя информации).
Предположим, что источник ипоглотитель идентичны с кристаллохимической точки зрения (источник119mSnO2; поглотитель 119SnO2). В этом случае значения энергии γперехода в источнике и поглотителе равны, вследствие чего максимумрезонансного поглощения будет наблюдаться при v = 0 мм/с. Послерезонансного поглощения γ-кванта, испущенного в направлениидетектора (ядро перешло в возбужденное состояние (см. рис. 4), егоповторное испускание в поглотителе вновь происходит изотропно (т.е.доля вторичных гамма-квантов, испущенных в направлении детектора,будет мала), что приведет к уменьшению эффективной скорости счетагамма-квантов Nγ, регистрируемой детектором.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
