Мёссбауэровская спектроскопия

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: реферат электрические, контрольные по математике
| Добавил(а) на сайт: Осенных.

Контур линии поглощения описывается тем же соотношением, что и контур линии испускания (1.1). Понятно, что эффект резонансного поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона, когда оптические кванты, испускаемые при переходе электронов возбужденных атомов на нижележащие электронные уровни, резонансно поглощаются веществом, содержащим атомы того же самого сорта. Явление статического резонансного поглощения хорошо наблюдается, например на парах натрия.

К сожалению, явление резонансного ядерного поглощения на свободных ядрах не наблюдается. Причина заключается в том, что модель тяжелых ядер
(атомов), когда потери энергии на отдачу по отношению к [pic] невелики, справедлива для оптического резонанса и совершенно неприменима для ядерного. Гамма-кванты, излучаемые в ядерных переходах, имеют значительно более высокую энергию – десятки и сотни кэВ (по сравнению с несколькими десятками эВ для квантов видимой области). При сопоставимых значениях времени жизни и, соответственно, близких значениях естественной ширины электронных и ядерных уровней ядерном случае гораздо более существенную роль при испускании и поглощении играет энергия отдачи: [pic], где [pic] – импульс отдачи ядра равный по модулю импульсу излученного ?-кванта, m – масса ядра (атома). Легко подсчитать, что в оптическом случае [pic] и резонанс на свободных ядрах не наблюдается (см. рис. 1.1, б и в).

В 1958 г. Рудольф Мессбауэр, изучая поглощение ?-квантов, излученных изотопом [pic]Ir, в кристалле [pic]Ir обнаружил, в противоположность предсказаниям классической теории, увеличение рассеяния ?-квантов при низких температурах (T ? 77K) [1,2]. Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением ?-квантов ядрами атомов [pic]Ir и дал исчерпывающее объяснение его природы.

Классические работы по теории эффекта Мессбауэра и его наиболее важным применениям представлены в тематических сборниках статей [3,4].

1.2 ПРИРОДА И ВЕРОЯТНОСТЬ ЭФФЕКТА МЕССБАУЭРА

Качественно суть обнаруженного явления может быть объяснена на основе модели Эйнштейна, согласно которой кристалл, содержащий N атомов, представляется набором 3N гармонических осцилляторов, имеющих одинаковую частоту [pic]. Состояние твердого тела задается квантовыми числами
[pic](i=1, 2,…, 3N) и соответствующими энергиям осцилляторов [pic]. Когда атом закреплен в кристалле и энергия отдачи меньше энергии, необходимой для его выбивания из узла решетки, энергия и импульс отдачи делятся между возбуждаемыми фотонами (колебаниями решетки) и кристаллом, как единой квантовой системой. Энергия, которой ?-квант обменивается с фотонами, может принимать лишь дискретные значения: [pic]…

Каждому из этих процессов соответствует вероятность: f[pic], f[pic], f[pic], f[pic], f[pic]… Следовательно, существует вполне определенная вероятность f = f[pic] процессов, происходящих без изменения энергии колебаний решетки. Энергия же отдачи кристалла как целого при этом ничтожно мала ([pic], p – импульс ?-кванта, M – масса всего кристалла). Таким образом, с указанной вероятностью должно наблюдаться бесфонное и безотдачное излучение или поглощение ?-квантов ядрами атомов.

Эффектом Мессбауэра называется явление ядерного резонансного поглощение
?-квантов, когда потери энергии на отдачу и на возбуждение фотонов (как при испускании, так и при поглощении) по по отмеченным причинам отсутствуют.

Вероятности f = f[pic] и fґ = [pic] называют вероятностями бесфонного и безотдачного испускания и поглощения ?-квантов (источником и поглотителем), или, по сложившейся терминологии, также вероятностями эффекта Мессбауэра. В общем случае f и fґ различны. Вероятность эффекта Мессбауэра особенно велика при T = 0 K. Для поглощающего ядра [pic]Fe в металлическом железе вблизи нуля Кельвина fґ ? 0,92.

В экспериментах по эффекту Мессбауэра измеряются не сами по себе линии испускания (или поглощения), а кривые резонансного поглощения (суть мессбауэровские спектры, см. ниже соотношения (1.3) – (1.5)). Уникальные применения метода ядерного гамма-резонанса в химии и физике твердого тела обусловлены тем, что ширина составляющих мессбауэровский спектр индивидуальных резонансных линий меньше энергий магнитного и электрического взаимодействий ядра с окружающими его электронами. Эффект Мессбауэра – эффективный метод исследования широкого круга явлений, влияющих на эти взаимодействия.

Простейшая схема наблюдения эффекта Мессбауэра в геометрии пропускания включает источник, поглотитель (тонкий образец исследуемого материала) и детектор ?-лучей (рис. 1.2; см. также).

Рис. 1.2. Схема мессбауэровского эксперимента: 1– электродинамический вибратор, задающий различные значения скорости [pic] источника; 2 – мессбауэровский источник (например, [pic]Co); 3 – поглотитель, содержащий ядра мессбауэровского изотопа ([pic]Fe); 4 – детектор прошедших через поглотитель ?-квантов (обычно пропорциональный счетчик или фотоэлектронный умножитель.

Источник ?-лучей должен обладать определенными свойствами: иметь большой период полураспада материнского ядра (в случае распада которого рождается ядро резонансного изотопа в возбужденном состоянии), энергия мессбауэровского перехода должна быть относительно малой (чтобы энергия отдачи не превысила энергию, необходимую для смещения атома и узла кристаллической решетки), линия излучения – узкой (это обеспечивает высокое разрешение) и вероятность бесфонного излучения – большой. Для мессбауэровской спектроскопии сплавов железа этим требованиям материнский для изотопа [pic]Fe изотоп [pic]Co с периодом полураспада 270 дней. Обычно применяют источники активностью 1 ч 100 мКи.

Источник ?-квантов чаще всего получают введением мессбауэровского изотопа в металлическую матрицу посредством диффузионного отжига. Материал матрицы должен иметь кубическую решетку (чтобы исключить квадрупольное расщепление линии) и быть диа- или парамагнитным (исключается магнитное расщепление ядерных уровней). Эффекты сверхтонкого расщепления линий рассмотрены в § 1.3.

В качестве поглотителей используют тонкие (0> Г) спектр поглощения представляет собой хорошо разрешенный дублет (см. рис. 1.3б). Поскольку градиент электрического поля снижается с увеличением расстояния пропорционально 1/Rі, наибольшее влияние на его величину оказывают атомы ближайшего окружения. В твердых растворах, например, значительное квадрупольное расщепление резонансного уровня возникает в том случае, когда в ближайшем окружении мессбауэровского атома появляется примесь внедрения.
Теоретическая форма дуплета может быть представлена суперпозицией двух лоренцевских линий:

[pic]. (1.14)

Как и в случае изомерного сдвига, [pic] определяется произведением ядерного и атомного сомножителей. Величина Q резонансного ядра является ядерной константой, её находят из независимых экспериментов. Значения Q для ядер различных изотопов приведены, например, в монографии В. С. Шпинеля
[12]. Атомный множитель [pic] может быть рассчитан теоретически. Сравнивая его величину с расстоянием между линиями экспериментального дублета, можно идентифицировать положение атомов в решетке твердого раствора. Из сравнения эксперимента с результатами расчетов, например, в модели точечных зарядов, может быть оценено зарядовое состояние примеси в кристалле.

Магнитное дипольное расщепление. Если атомное ядро в энергетическом состоянии E, обладающее отличным от нуля магнитным моментом ?, поместить постоянное во времени магнитное поле Н, то энергия ядерного состояния изменится на величину [13]

?E = - (?Н)= - ([pic])?Н, (1.16)

где I – спин ядра в состоянии с энергией E, [pic] – магнитное квантовое число, принимающее 2I + 1значений: I, I – 1, …, -I. Поскольку, в отличие от случая электрического квадрупольного взаимодействия, изменение энергии ?E пропорционально первой степени [pic], вырождение по магнитному квантовому числу снимается полностью. В отсутствие магнитного поля в экспериментах по ядерному гамма-резонансу измеряются переходы между состояниями [pic], [pic] и [pic], [pic], а при наличии поля между [pic], [pic], [pic] и [pic],
[pic], [pic]. Правила отбора для магнитного квантового числа [pic], приводят для ядра [pic]Fe ([pic]= 0, [pic]= 1/2, [pic]= ±1/2 и [pic]= 14,4 кэВ, [pic]= 3/2, [pic]= ±1/2, ±3/2) к шести разрешенным переходам и к взаимодействию в мессбауэровских спектрах магнитоупорядоченных веществ шести отдельных линий поглощения (ядерный эффект Зеемана) (см. рис. 1.3в).

Используя значение ?[pic]([pic]Fe) = 0,0903 ± 0,0007 я. м., полученное в работе [14] с помощью метода ЯМР, и измеренное с помощью эффекта
Мессбауэра значение ?[pic]([pic]Fe) = 0,153 ± 0,004 я. м., Ханна и др. [15] определили величину поля на ядре Fe в чистом железе при комнатной температуре: H ([pic]Fe) = 333 ± 10 кЭ.

Интенсивности линий зеемановского секстета магнитоупорядоченных веществ, содержащих мессбауэровский изотоп [pic]Fe, относятся, в случае тонкого поглотителя, как 3 : z : 1 : 1 : z : 3, где 0 ? z ? 4. Параметр z характеризует относительную интенсивность переходов 3/2 ( ±1/2 (для 2-й и 5- й линий секстета) и является функцией угла между направлением пучка ?- квантов и осью магнитного поля. Для поликристаллических образцов, при условии равной вероятности различных направлений намагниченности в магнитных доменах или изотропности фактора Дебая-Валлера, среднее значение
< z> = 2 [6].

Магнитное поле на ядре [pic]Fe в чистом железе антипараллельно магнитному моменту атома. Это связано с тем, что основной вклад в эффективное поле дает обменная поляризация s-электронов внутренних оболочек атома результирующим спином 3d-электронов [13]. Обменное взаимодействие s- и d-электронов обуславливает их притяжение при параллельной ориентации спинов и отталкивание при антипараллельной, что приводит к появлению отличной от нуля спиновой плотности s-электронов на ядре атома. Величина этого вклада дается выражением [7]

[pic] (1.17)

где [pic] и [pic] – плотности s-электронов n-й оболочки со спином, параллельным и антипараллельным магнитному моменту атома.