Мёссбауэровская спектроскопия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Мёссбауэровский спектр железа-57 и схема энергетических уровней изомерного сдвига и сверхтонкого магнитного расщепления
Изомерный сдвиг энергии возбуждённого уровня ядра изотопа олова . По оси отложена относительная скорость источников излучения и поглощения гамма-квантов, вызывающая доплеровский сдвиг энергии гамма-кванта, по оси  — электроотрицательность лигандов иона гексагалогенида ( — атом галогена) олова .

Метод я́дерного га́мма-резона́нса (Мёссбауэровская спектроскопия) основан на эффекте Мёссба́уэра, который заключается в резонансном поглощении без отдачи атомным ядром монохроматического γ-излучения, испускаемого радиоактивным источником.

Метод ядерного гамма-резонанса используется в физическом материаловедении, химии и биологии.

Сущность метода[править | править код]

В абсорбционной мёссбауэровской спектроскопии (наиболее часто применяемой разновидности метода) образец-поглотитель просвечивается гамма-квантами, излучаемыми возбуждённым железом-57 (57Fe), иридием-191 (191Ir) или другим мёссбауэровским изотопом. За поглотителем располагается детектор, с помощью которого измеряется коэффициент поглощения γ-квантов образцом. Образец должен содержать такие же ядра (57Fe, 191Ir и т. д.). Возбуждённые ядра в источнике создаются при распаде соответствующего радиоактивного изотопа (например, 57Co, превращающийся в возбуждённое состояние 57Fe)

В обычных условиях ядро, излучающее гамма-квант, приобретает импульс отдачи из сохранения импульса, так как гамма-квант уносит импульс. Поглощающее ядро, захватив гамма-квант, также приобретает импульс отдачи. Как следствие, взаимная «точная настройка» источника и поглотителя сбивается на сотые доли электронвольта, что очень мало по сравнению с типичной энергией гамма-кванта (порядка от десятков кэВ до МэВ), но чрезвычайно много по сравнению с естественной шириной уровня распада ядра, которая имеет порядок на уровне микроэлектронвольт.

Однако ядра всё-таки можно настроить в резонанс друг с другом, поместив их в кристаллическую решётку при достаточно низкой температуре. Импульс отдачи ядра воспринимается кристаллической решеткой образца и источника (т. е. макроскопическими объектами), в результате доплеровский сдвиг гамма-линий становится пренебрежимо малым (значительно меньшим, чем естественная ширина гамма-линии). Благодаря этому обстоятельству, небольшое изменение относительной скорости источника и поглотителя (порядка см/с) позволяет разрешить тонкую структуру уровней ядра, которая зависит от его химического окружения, зависимость уровней энергии от химического окружения называют изомерным сдвигом.

Зависимость коэффициента поглощения образца от относительной скорости движения источника и образца (т. е. от энергии поглощаемого гамма-кванта) называется мёссбауэровским спектром поглощения. Этот спектр позволяет судить об электронной структуре атома в исследуемом веществе, окружающих его химических группах и о характере их взаимодействий[1][2][3].

Области применения[править | править код]

Метод ядерного гамма-резонанса используется в физическом материаловедении, химии и биологии (например, при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках). Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца мёссбауэровскими изотопами, повышая, например, содержание 57Fe в корме подопытных животных.

Одним из впечатляющих применений метода стал эксперимент Паунда и Ребки[4]., которые в 1960 г. измерили в лабораторных условиях гравитационное смещение гамма-квантов, предсказываемое общей теорией относительности.

Примечания[править | править код]

  1. Weiner, R. Nuclear isomeric shift on spectral lines (неопр.) // Il Nuovo Cimento (англ.). — 1956. — Т. 4, № 6. — С. 1587—1589. — ISSN 0029-6341. — DOI:10.1007/BF02746390. — Bibcode1956NCim....4.1587W.
  2. Richard M. Weiner Analogies in Physics and Life, World Scientific 2008.
  3. S. L. Ruby in Mössbauer Isomer Shifts, editors G. K. Shenoy and F. E. Wagner, North Holland Publishing Company, 1978, p. 1.
  4. Pound R. V., Snider J. L. Effect of Gravity on Nuclear Resonance (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1964. — 2 November (vol. 13, no. 18). — P. 539—540. — DOI:10.1103/PhysRevLett.13.539. — Bibcode1964PhRvL..13..539P.