Великий енциклопедичний словник. Ефект Мессбауера

ЕФЕКТ МЕСБАУЕРА
та його застосування в хімії

Відкрите в 1958 р. німецьким фізиком Рудольфом Людвігом Месбауером нове явище - резонансне поглинання гамма-квантів атомними ядрами твердих тіл без зміни внутрішньої енергії тіла (або без втрати частини енергії кванта на віддачу ядра в твердому тілі) - отримало назву ефекту абсолютно нового напряму досліджень у науці. Основними областями застосування цього ефекту стали фізика твердого тіла та хімія.

Передісторія питання

Ідейні основи гамма-резонансної спектроскопії почали складатися давно, і її розвиток, звісно, ​​впливали фундаментальні уявлення оптичної спектроскопії, особливо успіхи у сфері так званої резонансної флуоресценції.
З 1850-х років. було відомо, що деякі гази, рідини та тверді тіла (наприклад, фтористі сполуки) поглинають електромагнітне випромінювання (зазвичай видиме світло) і негайно знову його випромінюють (явище отримало назву флуоресценції). У спеціальному випадку, відомому як резонансна флуоресценція, поглинається і випромінювання, що випускається, володіють однаковими енергією, довжиною хвилі і частотою.
Перші припущення про існування резонансного розсіювання в атомах з'явилися у роботах англійського фізика Дж.У.Релея, а перші експерименти у цьому напрямі здійснив відомий американський фізик-експериментатор Р.У.Вуд у 1902–1904 рр. Для пояснення резонансного розсіювання він застосував механічні аналогії.
Явище резонансної флуоресценції було добре пояснено старим уявленням, що прийшла на зміну, теорією Н.Бора (квантова модель атома). Атом, що переходить із збудженого стану Ув основний стан А, Випускає фотон строго певної частоти. Коли такий фотон проходить через газ, що складається з тих самих атомів, що і випромінювач, він може поглинутися, викликавши перехід одного з атомів мішені в стан У. Через невеликий проміжок часу цей збуджений атом мішені, у свою чергу, розпадається, випускаючи фотон тієї ж частоти. Таким чином, первинне і вторинне випромінювання мають однакову частоту, проте процеси поглинання і подальшого випромінювання фотона незалежні, і між падаючою і хвилями, що випускається, не існує певного фазового співвідношення.
Багато сторін явища резонансного випромінювання були правильно описані на основі теорії Бора і почала розвиватися квантової механіки. Повний опис процесів випромінювання, поглинання та резонансної флуоресценції було здійснено дещо пізніше, наприкінці 1920-х – на початку 1930-х років. німецькими фізиками В.Ф.Вайскопфом та Ю.П.Вігнером.
Думка про те, що енергетичні рівні ядер подібні до електронних рівнів атомів і переходи між ними по постулату Бора супроводжуються випромінюванням або поглинанням, вперше прозвучала в роботах англійського фізика Ч.Д.Елліса на початку 1920-х рр. Наприкінці 1920-х років. пошуками відповідної ядерної резонансної флуоресценції зайнявся швейцарський фотохімік Вернер Кун, який з 1927 р. працював у Німеччині. Він показав, що явища атомної та ядерної резонансної флуоресценції здаються надзвичайно подібними, проте між ними є суттєві відмінності, які роблять досліди на ядрах набагато складнішими.
В результаті лише в 1950 р. вченим вдалося нарешті вперше здійснити успішний експеримент на ядрах золота-198 і розібратися в перешкодах, які існували на цьому шляху. Остаточно цю проблему було вирішено лише Мессбауэром.

Відкриття Мессбауера

У чому саме полягала проблема і як вона була вирішена Мессбауером, буде очевидніше, якщо звернутися до структури ядра.
Серед безлічі теоретичних побудов привертає до себе увагу стереотип моделі атома Бора – «оболонкова» модель атомного ядра М.Гепперт-Майєр і Х.Йенсена, лауреатів Нобелівської премії з фізики за 1963 р. Згідно з цією моделлю нуклони в ядрі переважно парами з антипаралельними спинами (принцип Паулі), а переходи між рівнями супроводжуються випромінюванням або поглинанням гамма-квантів. На відміну від електронних рівнів станів атомів чи молекул збуджені стани ядер живуть недовго (порядку характерного «ядерного часу» ~10 –23 з), отже, невизначеність у енергії рівнів має бути дуже великий відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга .
Все це мало б значення лише для ядерної фізики, але ніяк не для структурної органічної хімії, та, мабуть, і не для хімії взагалі, якби не одна важлива обставина. А саме: існують і довгоживучі збуджені ядра, надлишок енергії яких проявляється далеко не так швидко, як при звичайних переходах нуклонів з одного стану до іншого. Такі ядра називають ізомерами, вони мають ті ж зарядові та масові числа, але іншу енергію та інший час життя. Відкрили ядерну ізомерію О.Ган (1921) щодо бета-розпаду торію-234 та І.В.Курчатов зі співробітниками Л.В.Мисовським та Л.І.Русіновим при спостереженні штучної радіоактивності ядер брому (1935–1936). Теорія ядерної ізомерії розробили К.Ф. фон Вейцзеккером у 1936 р.
Саме час життя метастабільних станів ядер (ізомерів) відіграє ключову роль формуванні спектральних ліній гамма-спектроскопії. Відповідно до того ж принципу невизначеності Гейзенберга невизначеність у енергії рівнів, отже, і природна ширина спектральної лінії мають бути виключно малими. Зокрема, простий підрахунок з прикладу ізотопу заліза-57 показує мізерно малу величину, порядку 5–10 –9 эВ. Саме ця безпрецедентна вузькість спектральних ліній спричинила невдачі всіх робіт до Мессбауера.
Вчений у своїй знаменитій роботі під назвою «Резонансне поглинання -квантів у твердих тілах без віддачі» так писав з цього приводу: «Гамма-кванти, що випускаються при переході ядра з збудженого стану в основний, зазвичай не підходять для того, щоб перекласти те саме ядро з основного стану збуджене шляхом зворотного процесу резонансного поглинання. Це є наслідком втрат енергії на віддачу, яку -квант відчуває в процесі випромінювання або поглинання через те, що він передає імпульс віддачі атому, що випромінює або поглинає. Ці втрати енергії на віддачу настільки великі, що лінії випромінювання та поглинання значно зрушені щодо один одного». В результаті резонансне поглинання (або флуоресценція), як він зазначав, у ікс-променів зазвичай не спостерігається. Для того щоб зробити резонансне поглинання гамма-квантів спостерігається, очевидно, треба штучно створити такі умови, щоб лінії випромінювання та поглинання перекрилися.
Так, вже в 1951 р. П.Б.Мун з Бірмінгемського університету (Англія) запропонував компенсувати віддачу ядер при випромінюванні шляхом механічного переміщення джерела за його руху назустріч ядрам приймача. У цьому кінетична енергія руху джерела складається з енергією гамма-кванта, отже, можна підібрати таку швидкість, коли він повністю відновлюється умова резонансу. Але декількома роками пізніше Месбауер для вирішення цієї проблеми несподівано знайшов простіший спосіб, у якому втрата на віддачу від самого початку запобігала. Вчений добився флуоресценції гамма-променів, використовуючи як їх джерело атоми радіоактивного ізотопу металу іридію-191.
Іридій - кристалічне тверде тіло, так що випромінюючі та поглинаючі атоми займають фіксоване положення в кристалічній решітці. Охолодивши кристали рідким азотом, Мессбауер з подивом виявив, що флуоресценція помітно збільшилася. Вивчаючи це явище, він встановив, що окремі ядра, що випромінюють або поглинають гамма-промені, передають імпульс взаємодії безпосередньо всьому кристалу. Оскільки кристал порівняно з ядром набагато масивніший, то завдяки сильній взаємодії атомів у твердих тілах енергія віддачі передається не окремому ядру, а перетворюється на енергію коливань кристалічної решітки, в результаті у випромінюваних і поглинаються фотонів частотний зсув не спостерігається. У цьому випадку лінії випромінювання та поглинання перекриваються, що дозволяє спостерігати резонансне поглинання гамма-квантів.
Це явище, яке Мессбауер назвав «пружним ядерним резонансним поглинанням гамма-випромінювання», нині називається ефектом Месбауера. Як і будь-який ефект, що виникає у твердому тілі, він залежить від кристалічної структури речовини, температури і навіть присутності найдрібніших домішок. Вчений також показав, що придушення ядерної віддачі за допомогою відкритого явища дозволяє генерувати гамма-промені, довжина хвилі яких постійна з точністю до однієї мільярдної ( = 10 -9 см). На рис. 1 представлена ​​схема його експериментальної установки.
Насправді повний опис ефекту Мессбауера вимагає залучення знань із різних розділів квантової механіки, у цій статті ми зупинилися лише у найзагальніших положеннях його підходу.

У наступних експериментах (слід за іридієм були вивчені інші об'єкти: 187 Re, 177 Hf, 166 Er, 57 Fe і 67 Zn, в яких також спостерігалося резонансне поглинання без віддачі) Мессбауер остаточно підтвердив правильність пояснення спостереженого ним ефекту резонансної гамма й те водночас дав основу експериментальної методики всіх подальших досліджень цього явища.
Вивчаючи усунення ліній випромінювання та поглинання, можна отримати вкрай корисну інформацію про будову твердих тіл. Зрушення можуть бути виміряні за допомогою мессбауерівських спектрометрів (рис. 2).

Джерело гамма-квантів за допомогою механічного або електродинамічного пристрою наводиться у зворотно-поступальний рух зі швидкістю щодо поглинача. За допомогою детектора гамма-випромінювання вимірюється залежність від швидкості інтенсивності потоку гамма-квантів, що пройшли через поглинач.
Усі експерименти зі спостереження мессбауерівських спектрів зводяться до спостереження залежності поглинання (рідше – розсіювання) гамма-квантів у досліджуваному зразку від швидкості руху цього зразка щодо джерела. Не вдаючись у подробиці пристрою різних експериментальних установок, слід зазначити, що класична схема мессбауеровського спектрометра включає такі основні елементи: джерело випромінювання, поглинач, система руху джерела щодо поглинача та детектор.

Загальні застосування методу

Після опублікування першої статті Мессбауера минуло близько року, перш ніж інші лабораторії почали повторювати та розширювати його досліди. Перші перевірочні експерименти були проведені у США (Лос-Аламоська наукова лабораторія та Аргонський національна лабораторія). Причому, що цікаво, дослідження в Лос-Аламоській лабораторії почалися з укладання парі між двома фізиками, один з яких не вірив у відкриття Мессбауера, а інший повторив його досвід і таким чином виграв суперечку (спостерігали гамму-лінію в 67 Zn). Значне зростання публікацій з цієї тематики спостерігається після відкриття ефекту Мессбауера у 57 Fe, здійсненого незалежно також у Гарвардському університеті, Аргонській національній лабораторії та ін. 1000 °С, зробили в результаті цю область досліджень доступною навіть лабораторіям з дуже скромним обладнанням.
Незабаром фізики з'ясували, що за допомогою ефекту Мессбауера можна визначати часи життя збуджених станів ядер та розміри самих ядер, точні величини магнітних та електричних полів біля випромінювачів-ядер, фононні спектри твердих тіл. Для хіміків найбільш важливими виявилися два параметри - хімічний зсув резонансного сигналу і так зване квадрупольне розщеплення.
В результаті у фізиці твердого тіла найбільшого розвитку набули дослідження за допомогою ефекту Мессбауера магнітної структури та магнітних властивостей елементів, сполук, особливо сплавів. Особливо відчутний прогрес у цьому напрямі було досягнуто в роботах з рідкісноземельних елементів. Другим найважливішим напрямом досліджень стало вивчення динаміки кристалічних ґрат.
Зовсім інакше було в хімії. Як виявилося, за допомогою сигналів гамма-резонансної спектроскопії можна робити певні висновки про електричне поле в центрі атома та вирішувати типові для хімії завдання, пов'язані з природою хімічного зв'язку. Месбауерівська спектроскопія дозволила вирішити багато питань будови хімічних сполук, вона знайшла своє застосування в хімічній кінетиці та радіаційній хімії. Цей метод виявився незамінним щодо структур біологічних макромолекул з особливо великої молекулярної масою.
Слід додати до цього, що гамма-резонансна спектроскопія, як виявилося, має неймовірно високу чутливість (на 5–6 порядків вище, ніж у ядерному магнітному резонансі), отже, можна зрозуміти ажіотаж хіміків на початку 1960–1970-х років. Пристрасті, щоправда, трохи вщухли, коли хіміки освоїлися з обстановкою та з'ясували обмеження щодо застосування методу. Зокрема, В.І.Гольданський у своїй книзі, присвяченій застосуванням ефекту Мессбауера в хімії, писав: «Основними об'єктами застосування ефекту Мессбауера в хімії, мабуть, є елементоорганічні сполуки та комплексні сполуки. В галузі елементоорганічних сполук істотний інтерес представляє зіставлення загального характеру елементо-вуглецевих зв'язків, що сильно відрізняється для перехідних металів та металів основних груп». Але з того часу минуло 30 років, і гамма-резонансна спектроскопія підтвердила свою перспективність використання для різних цілей та об'єктів хімії.

Хімічні застосування методу

Положення резонансного сигналу залежить від цього, у якому електронному оточенні перебуває ядро, що випускає квант. Отримання нового типу фізичної інформації про електронне оточення ядер, безсумнівно, завжди становило значний інтерес для хімії.
Вирішення питань природи хімічного зв'язку та будови хімічних сполук.Оскільки основні параметри мессбауерівських спектрів – такі як хімічні зрушення та квадрупольні розщеплення – значною мірою визначаються будовою валентних електронних оболонок атомів, то першою природною можливістю хімічного застосування цього ефекту було дослідження природи зв'язків цих атомів. При цьому найбільш простий підхід до завдання полягав у розмежуванні двох видів зв'язку – іонного та ковалентного – та оцінки вкладу кожної з них. Але слід зауважити, що мають на увазі найпростіший підхід, тому що не слід забувати, що саме розмежування хімічних зв'язків на іонні та ковалентні є досить грубим спрощенням, оскільки при цьому не враховуються можливості утворення, наприклад, донорно-акцепторних зв'язків, зв'язків за участю багатоцентрових орбіт (у полімерах) та інших, виявлених за останні десятиліття.
Такий параметр, як хімічний зсув, вдається корелювати зі ступенем окислення атомів елементів молекулах досліджуваних речовин. Особливо добре розроблені кореляційні діаграми ізомерних (хімічних) зрушень 57 Fe для сполук заліза. Як відомо, залізо входить складовою в багато біосистем, зокрема гемопротеїни і системи небілкової природи (наприклад, що містяться в мікроорганізмах). У хімії життєвих процесів істотну роль відіграють окислювально-відновлювальні реакції порфіринових комплексів заліза, у яких залізо також у різних валентних станах. Біологічна функція даних сполук може бути розкрита лише коли є детальні відомості про структуру активного центру та про електронні стани заліза на різних стадіях біохімічних процесів.
Як уже згадувалося вище, важливими об'єктами застосування ефекту Мессбауера в хімії є елементоорганічні та комплексні сполуки. В області елементоорганічних сполук суттєвий інтерес представляло зіставлення загального характеру елементо-вуглецевих зв'язків, які сильно відрізняються для перехідних металів і металів основних груп (наприклад, роботи А. Н. Несмеянова).
Так, за допомогою ефекту Мессбауера проводилися порівняння ацетиленідних комплексів низки перехідних металів. Особливо успішні дослідження здійснено для циклопентадієнілідів металів М(С 5 Н 4) 2 , зокрема ферроценоподібних «сандвічових» структур.
p align="justify"> Важливим додатком цього ефекту є з'ясування структури додекакарбонілу заліза. Результати попередніх рентгеноструктурних досліджень показували, що атоми заліза локалізовані по кутах трикутника цих молекулах. Саме тому так довго довелося узгоджувати ці результати з мессбауерівськими спектрами додекакарбоніла заліза, тому що останні виключали будь-яку симетричну трикутну структуру. Повторні експерименти одночасно із застосуванням методів рентгеноструктурного аналізу та мессбауерівської спектроскопії показали, що вибір однозначно можна зупинити лише на лінійних структурах.
Особливо відзначимо застосування ефекту Мессбауера у визначенні структур біомолекул. В даний час структура протеїнів визначається майже виключно методом рентгенівської дифракції на монокристалах цих білків (див. про це: Прямі методи в рентгенівській кристалографії. Хімія, 2003 № 4).
Однак цей метод має обмеження, пов'язані з молекулярною масою систем, що вивчаються. Наприклад, молекулярна маса 150 000 г/моль, яку має гамма-імуноглобулін, – верхня межа для визначення структури методом послідовних ізоморфних заміщень. Для білків, які мають більшу молекулярну масу (наприклад, каталаза, гемоціанін, вірус тютюнової мозаїки та ін.), необхідно використовувати інші методи. Саме тут вдало зарекомендував себе метод резонансного розсіювання гамма-випромінювання без віддачі на ядрах 57 Fe. Цей метод використовує інтерференцію між гамма-випромінюванням, розсіяним на електронних оболонках всіх атомів в кристалі і деяких ядрах 57 Fe, впроваджених в кристал на певні позиції елементарному осередку (мессбауеровское розсіювання).
Хімічна кінетика та радіаційна хімія.Поряд із питаннями будови хімічних сполук ефект Мессбауера активно використовується в хімічній кінетиці та радіаційній хімії. Окрім можливостей прямого отримання кінетичних кривих повністю в одному досвіді (за частотою відліків при якійсь фіксованій характерній швидкості руху), тут особливо цікаві спостереження нестабільних проміжних продуктів. При здійсненні реакцій у рідкій фазі виникає необхідність зупиняти процес, заморожуючи суміш для кожного спостереження месбауерівського спектру. У разі топохімічних процесів (особливо для радіаційно-топохімічних процесів) можливе безперервне спостереження зміни мессбауеровського спектру в ході реакції.
Безперечно, слід згадати також інші досить перспективні застосування методу мессбауерівської спектроскопії. Насамперед цей ефект став корисним інструментом для вирішення цілого ряду завдань фізичної хімії полімерів, зокрема проблеми стабілізації полімерів. Його також використовують як аналізатор у методі мічених атомів. Зокрема, були проведені експерименти з вивчення метаболізму заліза, що включається до еритроцитів ссавців та мітохондрії бактерій.

Післямова

Звичайно, метод месбауерівської спектроскопії не настільки широко застосовується в хімічних дослідженнях, як, наприклад, відомі методи ЯМР, інфрачервоної та мас-спектроскопії. Це пов'язано як з малою доступністю і складністю обладнання, так і з обмеженістю кола об'єктів і задач. Адже сам ефект спостерігається на ядрах далеко не будь-яких елементів та ізотопів9. Однак його застосування дуже актуальне у поєднанні з іншими методами досліджень, особливо радіоспектроскопією.
В останні роки набули розвитку дослідження месбауерівських спектрів при високих тисках. Хоча останні порівняно слабо впливають на електронні оболонки атомів, проте вимірювані залежно від тиску параметри месбауерівських спектрів несуть нову інформацію про взаємодію ядра з електронним оточенням. У порівнянні з іншими методами мессбауерівська спектроскопія в дослідженнях при високих тисках відрізняється навіть більшою чутливістю до змін енергії.

ЛІТЕРАТУРА

R.L. Rckstossfreie Kernresonanzabsorption von Gammastrahlung. Nobelvortrag 11 Dezember 1961. Le Prix Nobel в 1961. Stockholm: Impremerie Royale P.A.Norstedt & Sner, 1962,
S. 136-155;
Гольданський В.І. Ефект Мессбауера. М: Вид-во АН СРСР, 1963;
Месбауер Р.Л.Резонансне ядерне поглинання квантів у твердих тілах без віддачі. Успіхи фізичних наук, 1960, т. 72, вип. 4, с. 658-671.

МЕСБАУЕР Рудольф Людвіг(Р. 31.I.1929) народився в Мюнхені (Німеччина) в сім'ї фототехніка Людвіга Мессбауера та його дружини Ерни, уродженої Ернст. Здобувши початкову середню освіту в одній з мюнхенських околиць шкіл (район Пасінга), потім вступив до гімназії, яку закінчив у 1948 р.
Потім один рік Мессбауер працював в оптичній фірмі і далі, подавши документи на фізичне відділення Вищої технічної школи в Мюнхені (нині Технічний університет), 1949 р. був зарахований до студентів. У 1952 р. він отримав ступінь бакалавра, у 1955 р. – закінчив магістратуру, у 1958 р. після захисту дисертації отримав ступінь доктора філософії.
Під час виконання дипломної роботи у 1953–1954 роках. молодий чоловік працював викладачем математики в Математичному інституті в Alma Mater. Після закінчення навчання з 1955 до 1957 р. був асистентом в Інституті фізики медичних досліджень ім. М.Планка в Гейдельберзі, а 1959 р. став асистентом Технічного університету в Мюнхені.
Докторська дисертація, в якій було відкрито ефект, що носить його ім'я, виконувалася вченим під керівництвом відомого мюнхенського фізика Х.Майєр-Лейбніца.
Спочатку результати, отримані Мессбауером, більшістю вчених не підтримувалися і піддалися сумніву. Однак через рік, визнавши потенційну важливість цього ефекту, деякі його опонентів своїми експериментальними дослідженнями повністю підтвердили їхню спроможність. Незабаром важливість відкриття була визнана всіма фізиками, «ефект Мессбауера» став сенсацією, і десятки вчених різних лабораторій світу почали працювати у цій галузі.
У 1961 р. Мессбауер отримав Нобелівську премію з фізики «за дослідження резонансного поглинання гамма-випромінювання та відкриття у зв'язку з цим ефекту, що носить його ім'я».
Мессбауер мав стати професором Технічного університету в Мюнхені, але, розчарувавшись у бюрократичних та авторитарних принципах організаційних структур німецьких університетів, він, взявши 1960 р. творчу відпустку в Гейдельберзі, за науковим грантом виїхав до США в Каліфорнійський технологічний інститут. Наступного року він отримав там звання професора.
У 1964 р. вчений повернувся на батьківщину і очолив фізичний факультет Технічного університету в Мюнхені, перетворивши його на кшталт організаційних структур американських університетів. Деякі вчені жартома називали цю зміну в структурі німецької академічної освіти «другим ефектом Мессбауера». Працював він в університеті до 1971 року.
У 1972–1977 роках. Месбауер очолював Інститут Макса Лауе-Поля Ланжевена у Греноблі (Франція). У 1977 р. він повернувся до Аlma Mater, де продовжив працювати професором фізики та одночасно науковим керівником інституту, спеціально створеного для розробки проблем у галузі месбауерівської спектроскопії та месбауерографії. У 1980–1990-ті роки. очолював проект Месбауера-Парака-Хоппе з вивчення дифракції месбауерівських гамма-квантів на біологічних об'єктах (месбауерографія білка).
У 1957 р. вчений одружився з Елізабет Прітц, дизайнером. У подружжя – один син і дві дочки.
Мессбауер є членом Американського, Європейського та Німецького фізичних товариств, Індійської академії наук та Американської академії наук та мистецтв. Вчений удостоєний почесних докторських ступенів Оксфордського, Лестерського та Гренобльського університетів.
Крім Нобелівської премії Мессбауер має нагороду за наукові здобутки Американської дослідницької корпорації (1960), медаль Е.Грессона Франклінівського інституту (1961). Він також є лауреатом премії Рентгена Гісенівського університету (1961).

Гамма-випромінювання - короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі меншою або рівною 10 -8 см; володіє яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто поводиться подібно до потоку частинок - гамма-квантів або фотонів.
Один із способів опису квантово-механічних явищ; вказує, як швидко змінюються у часі ті чи інші параметри, що характеризують стан системи (стосовно цього випадку, наприклад, ширина спектральної лінії).
Слід зазначити, що молодий учений важко отримав цей ізотоп іридію для експериментів від англійських колег. У Німеччині був важкий, повоєнний час; були відсутні багато речовин, а також прилади, необхідні для досліджень.
Отримані результати суперечили прийнятим тоді уявленням про резонансну ядерну флуоресценцію, хоча й не викликали сумніву щодо їх правильності. Бракувало лише теоретичної інтерпретації ефекту. Тоді за порадою свого наукового керівника Мессбауер ознайомився із статтею В.Лемба (1939) з теорії взаємодії повільних нейтронів із кристалами. Як виявилося, його теорію можна було вдало застосувати до явища, що спостерігалося Мессбауером. Парадокс полягав у тому, що дослідники, які працювали з нейтронами, чудово були знайомі з цією роботою Лемба, але їм не спадало на думку докласти її результатів до вивчення гамма-флуоресценції; водночас ті, хто займався резонансним розсіюванням та поглинанням гамма-квантів, не зверталися до досягнень сусідньої галузі ядерної фізики. Застосувавши розрахунки Лемба до гамма-променів, Мессбауер зміг пояснити свої результати.
Фонон – квант коливального руху атомів кристала.
Зміна енергії ядерного переходу, т. е. енергії поглинається зразком гамма-кванта порівняно з опукаемым, що з відмінністю електронного оточення ядер у зразку і джерелі, називається ізомерним, чи хімічним, зсувом і вимірюється як значення швидкості руху джерела, у якому спостерігається максимум поглинання гамма-квантів.
Взаємодія квадрупольного моменту ядра (під яким розуміється величина, що характеризує відхилення розподілу електричного заряду в атомному ядрі від сферично-симетричного) з неоднорідним електричним полем призводить до розщеплення ядерних рівнів, у результаті спектрів поглинання спостерігається не одна, а кілька ліній. Вивчення квадрупольного розщеплення дозволяє отримувати інформацію про електронні конфігурації атомів та іонів.
Твердофазні реакції, що протікають локально там, де утворюється тверда фаза продукту.

Статтю підготовлено за підтримки бюро перекладів «Аміра-Діалект». Якщо вам необхідно здійснити нотаріальний переклад, то найкращим рішенням стане звернутися до бюро перекладів «Аміра-Діалект». Так як нотаріальний переклад вимагають ряд консульств для отримання візи, то не варто витрачати час на порожню. У бюро перекладів «Аміра-Діалект» працюють лише висококваліфіковані фахівці, які у найкоротші терміни виконають замовлення будь-якої складності.

План:

Вступ

• 1 Природа ефекту
  • 1.1 Інтерпретація ефекту
• 2 Месбауерівські ізотопи
• 3 Відкриття ефекту та його значення
  • 3.1 Передісторія
  • 3.2 Очікування
  • 3.3 Виявлення
  • 3.4 Обґрунтування
  • 3.5 Визнання
• 4 Застосування ефекту Мессбауера
  • 4.1 Експерименти на основі ефекту Мессбауера

Вступ

Ефект Мессбауераабо ядерний гамма-резонанс, відкритий у 1957 чи 1958 році Рудольфом Мессбауером в Інституті ім. М. Планка у Гейдельберзі (ФРН), полягає в резонансному випромінюванні або поглинанні гамма-фотонів без зміни фононного спектра випромінювача або поглинача випромінювання відповідно. Іншими словами, ефект Мессбауера - це резонансне випромінювання та поглинання гамма-променів без віддачі. Має істотно квантову природу і спостерігається щодо кристалічних, аморфних і порошкових зразків, що містять один з 87 ізотопів 46 елементів.

1. Природа ефекту

При випромінюванні або поглинанні гамма-кванту, згідно із законом збереження імпульсу, вільне ядро ​​маси Mотримує імпульс віддачі p = E 0 / c і відповідну цьому імпульсу енергію віддачі. На цю ж величину виявляється меншою порівняно з різницею енергій між ядерними рівнями E 0 енергія випущеного гамма-кванту, а резонансне поглинання спостерігається для фотонів з енергією, що дорівнює E 0 + R. У результаті, для однакових ядер лінії випромінювання та поглинання рознесені на величину 2 Rі умова резонансу може бути виконано лише у разі поєднання цих ліній або їх часткового перекриття. У газах енергію віддачі отримує одне випромінювальне ядро ​​маси M, тоді як і твердих тілах крім процесів, коли рахунок енергії віддачі збуджуються фонони, за певних умов зміщення лише однієї атома чи невеличкий групи атомів стає неможливим, і віддачу може випробувати лише весь кристал цілком. Маса кристала на багато порядків більша за масу ядра, а значить і величина Rстає зневажливо малою. У процесах випромінювання та поглинання гамма-квантів без віддачі енергії фотонів рівні з точністю до природної ширини спектральної лінії.

1.1. Інтерпретація ефекту

У 2000 у журналі Hyperfine InteractionsМессбауер дав наочну інтерпретацію ефекту:

Ситуація … нагадуєлюдини, прицільнокидає камінь з човна. Більшу частину енергії згідно із законом збереження імпульсуотримує легкийкамінь, але невелика частина енергії кидкапереходить у кінетичну енергію човна, що отримує віддачу. Влітку човен просто придбає деяку кількість руху, що відповідає віддачі, і відпливе у напрямку, протилежному напрямку кидка. Однак взимку, коли озеро замерзне, човен утримуватиме лід, і практично вся енергія кидка буде передана каменю, човну. разом із замерзлим озером та його берегами) дістанеться нікчемна частка енергії кидка. Таким чином, віддача передаватиметься не одному човні, ацілому озеру, і кидок буде проводитися "без віддачі".

Якщо людина натренована так, що завжди витрачає на кидок однакову енергію, і в ціль, розташовану на віддаленні, вона зможе потрапити, стоячи на тій самій відстані від неї на твердому ґрунті, то при кидку каменю з човна віддача призводитиме до «недобросу». Теплове розширення в цьому поданні відповідає хвилюванню на озері, яке збільшує розкид каменів, що прицільно кидаються, а неминучі власні невимушені помилки спортсмена характеризуються природним розкидом або купчастістю кидків, аналогічними природній ширині спектральної лінії випромінювання/поглинання і часу життя відповідного їй збуджений.

2. Месбауерівські ізотопи

3. Відкриття ефекту та його значення

3.1. Передісторія

Близько 1852 Дж. Г. Стокс вперше спостерігав флуоресценцію - поглинання флюоритом падаючого світла з наступним випромінюванням світла поглиначем. Згодом аналогічні дослідження проводились із різними матеріалами.

У 1900 П. Віллард виявив гамма-промені - монохроматичне електромагнітне випромінювання, що випускається радієм, з високою енергією фотонів.

У 1904 р. Вуд продемонстрував резонансну оптичну флуоресценцію, яка характеризується випромінюванням поглиненої світлової енергії у вигляді випромінювання тієї ж частоти. Особливо відома саме досліджена ним резонансна флуоресценція жовтого дублету натрію.

3.2. Очікування

У 1929 році В. Кун припустив можливість і здійснив спробу спостереження резонансного поглинання гамма-променів як аналога оптичної флуоресценції в ядерній фізиці. Спроби виявлення резонансного поглинання гамма-квантів у дослідах із нерухомими джерелом та поглиначем випромінювання не увінчалися успіхом. Однак робота Куна цінна тим, що в ній цей швейцарський фізико-хімік постарався проаналізувати причини своєї невдачі, виділивши три основні джерела ослаблення поглинання:

• теплове розширення спочатку вузької лінії ядерного переходу;
• додаткове розширення у зв'язку з можливою віддачею при випромінюванні β-часток;
• суттєве зміщення лінії через велику енергію віддачі при випромінюванні гамма-фотонів з коментарем:

… Третій внесок, що зменшує поглинання, виникає у зв'язку з процесом випромінювання гамма-променя. Випромінює атом відчуватиме віддачу, обумовлену випромінюванням гамма-променя. Довжина хвилі випромінювання, таким чином, зазнає червоного зміщення; лінія випромінювання зміщується щодо лінії поглинання… Можливо тому, що через значне гамма-зміщення вся лінія випромінювання залишає область лінії поглинання…

Кун тут, щоправда, розглядав лише усунення і розширення лінії випромінювання, не звертаючи уваги ефект Доплера і віддачу ядра при поглинанні гамма-фотона.

3.3. Виявлення

У 1950-1951 британський фізик Ф. Б. Мун опублікував статтю, де вперше описував експериментальне спостереження ефекту. Ідея експерименту полягала в тому, щоб розмістити джерело гамма-випромінювання 198 Au на ультрацентрифузі, забезпечуючи тим самим компенсацію енергії віддачі доплерівським зсувом спектральної лінії. Вважаючи ефект, що спостерігається резонансним ядерним розсіюванням гамма-квантів, він описав резонансну ядерну флуоресценцію.

Приблизно в цей же час шведський учений К. Мальмфурс досліджував поглинання гамма-квантів у тій же комбінації 198 Au і 198 Hg, намагаючись досягти збільшення поглинання рахунок теплового розширення ліній нагріванням золота в полум'ї паяльної лампи. Справді, кількість відліків трохи зросла, і Мальмфурс повідомив у статті, що

…Умова резонансного ефекту виконується в тих випадках, коли спрямована у бік поглинача компонента теплової швидкості [джерела], спрямована в бік речовини, що розсіює (ртуть), компенсує віддачу ядра.

3.4. Обґрунтування

У 1953 професор Мюнхенського технічного університету Г. Майєр-Лейбніц призначив своєму аспіранту Рудольфу Мессбауеру тему магістерської дисертаційної роботи: продовження досліджень температурно залежного поглинання гамма-випромінювання, розпочатих Мальмфурсом з використанням 19 енергії бета-розпаду осмію-191. Після захисту Мессбауер магістерської дисертації, Майєр-Лейбніц запропонував йому продовжити роботу з цієї теми, готуючи дисертацію доктора філософії ( PhD) у Гейдельберзькому інституті медичних досліджень ім. Макс Планка. Незважаючи на наполегливі вказівки наукового керівника слідувати методу Мальмфурса і шукати перекриття ліній випромінювання та поглинання в галузі високих температур, Мессбауер виявив самостійність, розрахувавши, що зручніше, навпаки, сконструювати кріостат для охолодження зразків до температури рідкого азоту. При цьому він очікував спостерігати таку температурну залежність поглинання, при якій перекриття ліній слабшає, а частота відрахувань квантів випромінювання, що пройшло через поглинач, повинна зростати. Здобувши зворотний результат, тобто посилення резонансної ядерної гамма-флуоресценції, він подолав надмірний скепсис і ретельно обдумав результат. В результаті Мессбауер зрозумів, що напівкласична концепція випромінюючих і поглинаючих ядер, що використовується, як вільних частинок для твердих тіл не підходить: в кристалах атоми сильно пов'язані один з одним і характеризуються істотно квантовою поведінкою.

3.5. Визнання

У 1961 році за відкриття та теоретичне обґрунтування явища ядерного гамма-резонансу Р. Л. Мессбауеру було присуджено Нобелівську премію з фізики (спільно з Р. Хофштадтером, який отримав премію за дослідження розсіювання електронів на ядрах).

4. Застосування ефекту Мессбауера

Метод ядерного гамма-резонансу використовується у фізичному матеріалознавстві, хімії, мінералогії та біології (наприклад, при аналізі властивостей Fe-містять груп у білках). Ефект поглинання випромінювання посилюють шляхом збагачення зразка мессбауерівськими ізотопами, підвищуючи, наприклад, вміст 57 Fe в їжі піддослідних тварин. У мінералогії ефект Мессбаура застосовується головним чином визначення структурного становища іонів Fe і визначення ступеня окислення заліза.

Месба уера ефект,резонансне поглинання g-квантів, що спостерігається, коли джерело і поглинач g-випромінювання – тверді тіла, а енергія g-квантів невелика (~150 кев). Іноді Мессбауера ефект називається резонансним поглинанням без віддачі або ядерним гамма-резонансом (ЯГР).

У 1958 Р. Мессбауер виявив, що з ядер, які входять до складу твердих тіл, при малих енергіях g-переходів може відбуватися випромінювання і поглинання g-квантів без втрати енергії на віддачу. У спектрах випромінювання і поглинання спостерігаються незміщені лінії з енергією, точності рівної енергії g -переходу, причому ширини цих ліній рівні (або дуже близькі) природній ширині G . У цьому випадку лінії випромінювання та поглинання перекриваються, що дозволяє спостерігати резонансне поглинання g-квантів.

Це явище, що отримало найменування Мессбауера ефекту, зумовлено колективним характером руху у твердому тілі. Завдяки сильній взаємодії в твердих тілах енергія віддачі передається не окремому ядру, а перетворюється на енергію коливань кристалічних ґрат, іншими словами, віддача призводить до народження фононів. Але якщо енергія віддачі (розрахована на одне ядро) менша за середню енергію фонону, характерну для даного, то віддача не щоразу призводитиме до народження фонону. У таких «безфононних» випадках віддача не змінює. Кінетична ж енергія, яку набуває в цілому, сприймаючи імпульс віддачі g-кванту, дуже мала. Передача імпульсу в цьому випадку не буде супроводжуватися передачею енергії, а тому положення ліній випромінювання та поглинання точно відповідатиме енергії E переходу.

Імовірність такого процесу досягає кількох десятків %, якщо енергія g-переходу досить мала; Фактично Месбауера ефект спостерігається тільки при D E » 150 кев (зі збільшенням E ймовірність народження фононів при віддачі зростає). Імовірність Мессбауера ефекту залежить також від . Часто для спостереження Мессбауера ефекту необхідно охолоджувати джерело g-квантів і поглинач до рідкого або рідкого, проте для g-переходів дуже низьких енергій (наприклад, E = 14,4 кев для g-переходу ядра 57 Fe або 23,8 кев для g- переходу ядра 119 Sn) Мессбауера ефект можна спостерігати аж до , що перевищують 1000 °С. За інших рівних умов ймовірність Мессбауера ефекту тим більше, чим сильніша взаємодія в твердому тілі, тобто чим більша енергія фононів. Тому ймовірність Мессбауера ефекту тим вища, чим більше.

Істотною властивістю резонансного поглинання без віддачі, що перетворила Мессбауера ефект з лабораторного експерименту на важливий метод дослідження, є надзвичайно мала ширина лінії. Відношення ширини лінії до енергії g-кванта при Мессбауера ефекту становить, наприклад, для ядер 57 Fe величину 3' 10 -13 , а для ядер 67 Zn 5,2 '10 -16 . Таких ширин ліній не досягнуто навіть у газовому , що є джерелом найвужчих ліній в інфрачервоному і видимому діапазоні електромагнітних хвиль. За допомогою Мессбауера ефекту виявилося можливим спостерігати процеси, в яких енергія g-кванта на надзвичайно малу величину (G або навіть невеликих часток G) відрізняється від енергії переходу ядер поглинача. Такі зміни енергії призводять до зміщення ліній випромінювання та поглинання один щодо одного, що спричиняє зміну величини резонансного поглинання, яке може бути виміряне.

Можливості методів, заснованих на використанні Мессбауера ефекту, добре ілюструє експеримент, у якому вдалося виміряти в лабораторних умовах передбачувану відносності теорією зміну частоти кванта електромагнітного випромінювання гравітаційне поле Землі. У цьому експерименті (Р. Паунда та Г. Ребки, США, 1959) джерело g-випромінювання було розташоване на висоті 22,5 м над поглиначем. Відповідна зміна гравітаційного потенціалу мала призвести до відносної зміни енергії g-кванта на величину 2,5' 10 -15 . Зрушення ліній випромінювання та поглинання виявилося відповідно до теорії.

Під впливом внутрішніх електричних і магнітних полів, що діють на ядра в твердих тілах (див. ), А також під впливом зовнішніх факторів ( , Зовнішні магнітні поля) можуть відбуватися зміщення та розщеплення рівнів енергії ядра, а отже, зміни енергія переходу. Т. до. величини цих змін пов'язані з мікроскопічною структурою твердих тіл, вивчення зміщення ліній випромінювання та поглинання дає можливість отримати інформацію про будову твердих тіл. Ці зрушення можуть бути виміряні за допомогою месбауерівських спектрометрів ( Рис. 3). Якщо g -кванти випускаються джерелом, що рухається зі швидкістю v щодо поглинача, то в результаті ефекту Доплера енергія g -квантів, що падають на поглинач, змінюється на величину Ev/c (для ядер, які зазвичай застосовуються при спостереженні Мессбауера ефекту, зміна енергії E на величину G відповідає значенням швидкостей v від 02 до 10 мм/сек). Вимірюючи залежність величини резонансного поглинання від v (спектр месбауеровського резонансного поглинання), знаходять значення швидкості, при якому лінії випромінювання і поглинання знаходяться в точному резонансі, тобто коли поглинання максимально. За величиною v визначають зсув D E між лініями випромінювання та поглинання для нерухомих джерела та поглинача.

на Рис. 4, а показаний спектр поглинання, що складається з однієї лінії: лінії випромінювання і поглинання не зміщені один щодо одного, тобто знаходяться в точному резонансі при v = 0. Форма лінії, що спостерігається, може бути з достатньою точністю описана лоренцовою кривою (або Брейта - Вігнера формулою) із шириною на половині висоти 2G . Такий спектр спостерігається тільки в тому випадку, коли джерела і поглинача хімічно тотожні і коли на ядра в них не діють магнітне, ні неоднорідне електричне поля. У більшості випадків у спектрах спостерігаються кілька ліній (надтонка структура), обумовлених взаємодією з позаядерними електричними та магнітними полями. Характеристики надтонкої структури залежать як від властивостей ядер в основному і збудженому станах, так і від особливостей структури твердих тіл, до складу яких входять ядра, що випромінюють і поглинають.

Найважливішими типами взаємодій із позаядерними полями є електрична монопольна, електрична квадрупольна та магнітна дипольна взаємодія. Електрична монопольна взаємодія являє собою взаємодію ядра з електростатичним полем, створюваним в області ядра оточуючими його; воно призводить до виникнення в спектрі поглинання зсуву лінії d ( Рис. 4б), якщо джерело і поглинач хімічно не тотожні або якщо розподіл електричного заряду в ядрі неоднаковий в основному і збудженому станах (див. ). Цей т.з. ізомерний або хімічний зсув пропорційний області ядра, і його величина є важливою характеристикою в твердих тілах (див. ). За величиною цього зсуву можна судити про іонний і ковалентний характер, про, про, що входять до складу, і т.д. Дослідження хімічних зрушень дозволяє також отримувати відомості про розподіл заряду.

Важливою для фізики твердого тіла характеристикою Мессбауера ефекту є його ймовірність. Вимірювання ймовірності Мессбауера ефекту та її залежності від атомів ізотопів 41 елемента; найлегшим серед них є 40 K, найважчим – 243 At.

Літ.: Ефект Мессбауера. Зб. ст., за ред. Ю. Кагана, М., 1962; Мессбауер Р., Ефект RK та його значення для точних вимірювань, у збірнику: Наука та людство, М., 1962; Фрауенфельдер Р., Ефект Мессбауера, пров. з англ., М., 1964; Вертхейм Р., Ефект Мессбауера, пров. з англ., М., 1966; Ст Ст, Резонанс гамма-променів, М., 1969; Хімічні застосування, пров. з англ., за ред. Ст І. Гольданського [і ін.], М., 1970; Ефект Мессбауера. Зб. перекладів статей, за ред. Н. А. Бургова та В. В. Скляревського, пров. з англ., нім., М., 1969.

Н. Н. Делягін.

Рис. 3. Спрощена схема месбауерівського спектрометра; джерело g-квантів за допомогою механічного або електродинамічного пристрою наводиться у зворотно-поступальний рух зі швидкістю v щодо поглинача. За допомогою детектора g-випромінювання вимірюється залежність від швидкості v інтенсивності потоку g-квантів, що пройшли через поглинач.

Рис. 4. Спектри мессбауеровського резонансного поглинання g-квантів: I – інтенсивність потоку g-квантів, що пройшли через поглинач, v – швидкість руху джерела g-квантів; а - одиночні лінії випромінювання та поглинання, не зміщені одна щодо одної при v = 0; б - ізомерний чи хімічний зсув лінії. Зсув d пропорційний області ядра і змінюється залежно від особливостей у твердому тілі; в - квадрупольний дублет, що спостерігається для 57 Fe, 119 Sn, 125 Te та ін. Розмір розщеплення D пропорційна градієнту електричного поля в області ядра: г - магнітна надтонка структура, що спостерігається в спектрах поглинання для магнітоупорядкованих матеріалів. Відстань між компонентами структури пропорційно до напруженості магнітного поля, що діє на ядра в твердому тілі.

Рис. 1. Схематичне зображення процесів випромінювання та резонансного поглинання g-квантів; випромінюючий і поглинаючий ядра однакові, тому енергії їх збуджених станів E" і E"" рівні.

Рис. 2. Зміщення ліній випромінювання та поглинання щодо енергії Eg-переходу; Г – ширини ліній.

3. Методи ядерної геофізики.

1) Радіометричні методи. Вони вивчаються природні радіоактивні поля чи природні радіоактивні елементи.

Аеро-γ-зйомка

Вивчення γ-поля гірських порід із повітря. Метод застосовується для геологічного картування, для вивчення зон розломів та тектонічних порушень, для пошуків радіоактивних та нерадіоактивних (для яких встановлений генетичний зв'язок з радіоактивними) елементів. Метод має дуже високу продуктивність. За робочий день зйомка може бути покрита до 200 км2. У зв'язку з цим метод не ставитиметься до дорогих. Метод має й суттєві недоліки:

1) Мала глибинність способу;

2) Мала чутливість за наявності екрануючих пухких відкладень;

3) Мала чутливість при польотах великих висотах.

Проте цей метод дуже широко застосовується на практиці.

Авто-γ-зйомка

Метод має багато спільного з аеро-γ-зйомкою, застосовується практично для вирішення тих самих завдань. Має ті ж недоліки і ті ж переваги. Зйомка може бути маршрутною, може бути майданною. Маршрутна носить рекогносцирувальний характер, зазвичай проводиться перед площею. Площа ширше застосовується, вона зазвичай проводиться на перспективних ділянках. І при деталізації аеро-γ-аномалії.

Пішохідна γ-зйомка

Найбільш простий вид проведення γ-зйомки. Застосовується для вирішення всіх завдань, про які ми вже говорили, але у великих масштабах і при деталізаціях. Далі застосовується під час роботи у важкодоступних районах, де не можна скористатися ні автомобілем, ні літаком. А також застосовується у неспеціалізованих геологічних загонах (не геофізики, а геологи).

Еманаційна зйомка

Це вивчення концентрації радіоактивних газів (еманацій) у ґрунтовому повітрі або у повітрі, витягнутому з гірських порід. При розпаді в радіоактивних сімействах утворюються радіоактивні гази:

Ці гази безперервно утворюються в гірських породах, бо там є їхні родоначальники. Метод застосовується для пошуків радіоактивних уранових та торієвих руд; вивчення зон розломів, тектонічних порушень; для вирішення багатьох інженерно-геологічних завдань, пов'язаних з тріщинуватістю порід і з ослабленими ділянками (закарстованими, зсувними); на вирішення екологічних завдань (по радону).

Уранометрична зйомка (літогеохімічна)

Це вивчення вмісту урану в корінних або пухких гірських породах. Цей метод відноситься до геохімічних. Це прямий спосіб на уран. Вміст урану в гірських породах становить приблизно 10-5 - 10-4%, це так зване геохімічне тло. У деяких тілах концентрація може підвищуватись до перших одиниць відсотків і утворюється рудне тіло. Рудне тіло піддається процесам вивітрювання і довкола нього утворюється ареол розсіювання. Рис 9.2. Тому зйомка полягає у пошуку потоків розсіювання, потім ореолів розсіювання. Під час зйомки відбираються проби гірських порід. Аналіз цих проб ґрунтується на властивості фтористого натрію NaF люмінесцувати під впливом ультрафіолетового випромінювання.

Радіогідрогеологічна зйомка (гідрогеохімічна зйомка)

Це вивчення вмісту радіоактивних елементів, а найчастіше урану, радію і радону, у водах. Вона заснована на тому, що радіоактивні елементи, особливо радій, дуже добре мігрують в окисному середовищі і тому переносяться на великі відстані від покладу. Завдяки цьому виявляються сліпі (залягають на глибині, їх не видно) рудні тіла, глибиною до 50-70 м, а в гірських районах і більше.

Біогеохімічна зйомка

Вивчення вмісту радіоактивних елементів у золі рослин. Або знаходження рослин, на які сприятливо чи гнітюче діють будь-які елементи. Класичний приклад: деякі види острогалу ростуть лише на ґрунтах із підвищеним вмістом селену. А селен супутник урану. Звичайно, такий метод виконується в комплексі з основним методом. При визначенні вмісту радіоактивних елементів будують карту в ізолініях, визначають фон та аналізують.

Недоліком геохімічних методів є трудомісткість та висока вартість аналізів. Позитивними якостями є точність та більша глибинність.

2) Ядерно-геофізичні методи

Це методи, в яких проводитися опромінення гірських порід або γ-джерелом, або нейтронним джерелом, і вивчаються ці поля, що пройшли через гірську породу, або явища, що виникають при такому опроміненні.

Гамма-гамма метод

Це вивчення γ-поля від джерела, що пройшов через гірську породу. Застосовується вивчення щільності гірських порід (ГГМ-п) і ефективного атомного номери середовища (ГГМ-с). Цей метод, як і більшість ядерно-геофізичних методів, використовується в каротажному варіанті, що дуже важливо для визначення параметрів в умовах природного залягання. При опроміненні гірських порід γ-джерелом зменшення інтенсивності пов'язане зі зміною речовинного складу порід і щільності. Здебільшого ці два чинники впливають інтенсивність випромінювання. Встановлено, що комптонівський ефект пов'язаний переважно зі зміною щільності породи. У той час, як речовий склад практично не впливає. Тому вивчення щільності порід використовується джерело γ-квантів середніх енергій (від 0,5 до 1,5 МеВ). З меншою енергією переважатиме фотоефект, а з більшою – утворення пар

Рентгеннорадіометричний метод (РРМ чи РРК)

Полягає в опроміненні гірських порід гамма-квантами малих енергій і реєстрація характеристичного рентгенівського випромінювання, що виникло при цьому. Застосовується вивчення речовинного складу, тобто. для аналізу більшість елементів з z>30, і навіть деякі елементи z = 20 – 30, визначення більшості металів. Метод ґрунтується на тому, що при опроміненні гірських порід γ-квантами малих енергій (5 – 120 Кев). При цьому поряд із фотоефектом виникає характеристичне рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі 10-5 - 10-12 см. Причому ймовірність виникнення випромінювання зростає зі збільшенням відношення ЕС/Еγ. Зв'язку це енергія електрона на оболонці. Цей дріб правильний. Зв'язки для кожного елемента чітко визначена, тому для вивчення окремого елемента слід суворо підбирати випромінювач.

Метод ядерного гамма-резонансу (ЯГР)

Заснований цей метод на ефект Мессбауера, який полягає в тому, що при опроміненні γ-квантами малих енергій (менше 50 КэВ), в деяких ядрах поряд з фотопоглинанням відбувається резонансне поглинання та розсіювання γ-квантів. Цей ефект називають ефектом Мессбауера. Мессбауерськими ядрами, зокрема, є олово, тому метод використовують на визначення каситериту SnO2, ізотоп Sn119. Крім того, Мессбауерськими ядрами є деякі лантаноїди: 66Dy161 (диспрозій), 68Er151 (ербій). Fe57. При температурі рідкого азоту (-194°С) багато ядер є Мессбауэрскими.

Фотонейтронний метод (гамма-нейтронний метод ГНМ)

Полягає в опроміненні гірських порід γ-квантами високих енергій і реєстрації нейтронного поля, що виникло. Нейтрони всередині ядра пов'язані ядерними силами, але при опроміненні γ-квантами високих енергій нейтрони вибиваються з ядер.

Нейтрон-нейтронний метод (ННМ, ННК)

Опромінення гірських порід нейтронами та вивчення цього поля після проходження його через гірську породу. Використовується вивчення змістів нейтроно-поглощающих елементів й у вивчення деяких фізичних властивостей гірських порід (переважно коефіцієнта пористості). При проходженні нейтронів через речовину вони спочатку сповільнюються і потім поглинаються нейтронопоглинаючими елементами. Зокрема, бором, хлором, йодом, марганцем та ін. Часто використовується як у польовому варіанті, так і в каротажному. Найчастіше метод застосовується при каротажі свердловин.

Нейтронний гамма метод

Має багато спільного з ННМ, оскільки використовуються ті самі нейтронні джерела, а вимірюється гамма-поле, що виникло при цьому. Метод застосовується на вирішення тих самих завдань, як і ННМ: вивчення фізичних властивостей гірських порід, вивчення коефіцієнта пористості та вивчення нейтронопоглощающих елементів.

Активаційний аналіз

Це один із ядерно-геофізичних методів. Полягає в опроміненні стабільних елементів гірських порід джерелом γ-квантів або n, і вивченні швидкості розпаду радіоактивних ізотопів, що утворилися. На підставі цього аналізу визначається радіоактивний ізотоп, що утворився, знаючи джерело опромінення, визначається вихідний, нерадіоактивний ізотоп, що міститься в породі. А на підставі еталонних вимірювань цього елемента визначається і концентрація цього нерадіоактивного ізотопу. А знаючи поширеність цього ізотопу в загальній суміші ізотопу елемента, визначають концентрацію самого елемента.

Енергія ядер квантована. При переході ядра з збудженого стану в основне випромінюється квант з енергією. Більш можливе значення цієї е нергії для нескінченно важкого вільного ядра ірізниці енергій його основного та збудженого станів: . Оборотний процес відповідає поглинанню г-кванту з енергією, близькою до .

При збудженні сукупність подібних ядер на той самий рівень енергія випущених квантів характеризуватиметься деяким розкидом близько середнього значення.

Рис 1.13 Схема, що ілюструє квантові переходи з випромінюванням та поглинанням електричних квантів (а) та вид ліній випромінювання та поглинання в оптичному (б) та ядерному (в) випадках.

Контур смуги поглинання описується тим самим співвідношенням, як і контур смуги випромінювання (Рис. 1.13). Зрозуміло, що ефект резонансного поглинання електричного випромінювання оптичного спектра, коли оптичні кванти, що випускаються при переході електронів збуджених атомів на нижчележачіе електричні рівні, резонансно поглинаються речовиною, що містить атоми такого самого сорту. Явище статичного резонансного поглинання добре спостерігається, наприклад на парах натрію.

На жаль, явище резонансного ядерного поглинання на вільних ядрах немає. Причина полягає в тому, що модель важких ядер (атомів), коли енерговтрати на віддачу по відношенню до невеликі, справедлива для оптичного резонансу і непридатна для ядерного. Гамма-кванти, що випромінюються в ядерних переходах, мають значно більш високу енергію - десятки і сотні кеВ(Порівняно з кількома десятками еВ для квантів видимої області). При порівнянних значеннях часу життя і, відповідно, близьких значеннях природної ширини електричних та ядерних рівнів у ядерному випадку ще більш істотну роль при випромінюванні та поглинанні грає енергія віддачі:

де - Імпульс віддачі ядра рівний по модулю імпульсу випромінюваного -кванта, m - маса ядра (атома).

Тому в оптичному випадку і резонанс на вільних ядрах немає (див. рис. 1.13 б і в). Рудольф Мессбауер, вивчаючи поглинання -квантів, випромінюваних ізотопом Ir, в кристалі Ir знайшов, на противагу пророцтвам т радіційної теорії, підвищення розсіювання-квантів при низьких температурах (T 77K). Він показав, що ефект пов'язаний з резонансним поглинанням -квантів ядрами атомів Ir і дав роз'яснення його природи.

У експериментах по ефекту Мессбауера вимірюються не власними силами лінії випромінювання (чи поглинання), а криві резонансного поглинання (мессбауэровские спектри). Унікальні впровадження способу ядерного гамма-резонансу в хімії та фізиці твердого тіла обґрунтовані тим, що ширина складових мессбауеровського діапазону л Інших резонансних ліній менше енергій магнітногота електронної взаємодії ядра з навколишніми його електронами. Ефект Мессбауера – ефективний метод дослідження широкого кола явищ, які впливають ці взаємодії.

Проста схема спостереження ефекту Мессбауера в р еометрії пропусканнявключає джерело, поглинач (вузький еталон досліджуваного матеріалу) та сенсор г-променів (рис. 1.14).

Рис. 1.14 Схема мессбауеровського досвіду: 1- електродинамічний вібратор, що задає різні значення швидкості джерела; 2 – мессбауеровське джерело; 3 – поглинач, що містить ядра мессбауеровського ізотопу; 4 – сенсор пройшли через поглинач г-квантов (зазвичай пропорційний лічильник чи фотоелектронний помножувач).

Джерело-променів має володіти певними якостями: мати великий період напіврозпаду ядра, у разі розпаду якого народжується ядро ​​резонансного ізотопу у збудженому стані. Енергія мессбауеровського переходу має бути відносно малою ( щоб енергія віддачі не перевищила енергію, необхідну зміщення атома і вузла кристалічної решітки), лінія випромінювання – вузької (це забезпечує високу роздільну здатність) і можливість безфонового випромінювання – великий. Джерело г-квантів в більшості випадків одержують введенням мессбауеровського ізотопу в залізну матрицю засобом дифузійного відпалу. Матеріал матриці повинен бути діа-або парамагнітним (виключається магнітне розщеплення ядерних рівнів).

Як поглиначів використовують тонкі зразки як фольги чи порошків. При визначенні необхідної товщини зразка потрібно враховувати можливість ефекту Мессбауера (для чистого заліза найкраща товщина ~20 мкм). Найкраща товщина я є результатом компромісу між необхідністю працювати з вузьким поглиначемі мати високий ефект поглинання. Для реєстрації -квантів, що пройшли через стандарт, найбільш широко застосовуються сцинтиляційні та пропорційні лічильники.

Отримання діапазону резонансного поглинання (або мессбауеровського діапазону) передбачає зміну умов резонансу, навіщо необхідно модулювати енергію -квантів. Застосовується в поточний час спосіб модуляції заснованийна ефект Доплера (у більшості випадків задають рух джерела г-квантів щодо поглинача).

Енергія г-кванта за рахунок ефекту Доплера змінюється на величину

де - Абсолютне значення швидкості руху джерела щодо поглинача; с – швидкість світла у вакуумі; - Кут між напрямком руху джерела і напрямок випромінювання г-квантів.

Так як у досвіді кут сприймає лише два значення =0 і , то ∆E = (позитивний символ відповідає зближенню, а негативний- Видалення джерела від поглинача).

Без резонансу, наприклад, як у поглиначі відсутня ядро ​​резонансного ізотопу чи коли доплерівська швидкість дуже велика (, що відповідає руйнації резонансу через дуже великої зміни енергії -кванта), максимальна частина випромінювання, випущеного у бік поглинача, потрапляє у розташований за ним сенсор.

Сигнал від сенсора посилюється, і імпульси від окремих квантів реєструються аналізатором. Зазвичай реєструють число квантів за однакові проміжки часу за різних.У разі резонансу г-кванти поглинаються та перевипромінюються поглиначем у випадкових напрямках (рис. 1.14). Частка випромінювання, що потрапляє в детектор, при цьому зменшується.

У мессбауеровском досвіді досліджується залежність інтенсивності випромінювання, що пройшло через поглинач (числа зареєстрованих сенсором імпульсів) від відносної швидкості джерела . Ефект поглинання визначається ставленням

де - число г-квантів, зареєстрованих сенсором за певний час при значенні доплерівської швидкості (в досвіді Використовують дискретний набір швидкостій); – те саме при , коли резонансне поглинання відсутнє. Залежно і задають вид кривої резонансного поглинання сплавів та сполук заліза, лежать у межах ±10 мм/с.

Можливість ефекту Мессбауера визначається фононним діапазоном кристалів. У сфері низьких температур () можливість досягає значень, близьких до одиниці, а області великих () вона дуже мала. За інших рівних до ритерія можливість безфонового поглинанняі випромінювання більше в кристалах з високою температурою Дебая (визначає жорсткість міжатомного зв'язку).

Можливість ефекту визначається діапазоном пружних коливань атомів у ґратах кристала. Мессбауеровская лінія інтенсивна, якщо амплітуда коливань атомів невелика проти довжиною хвилі г-квантов, тобто. за низьких температур. В даному випадку діапазон випромінювання та поглинання складається з вузької резонансної лінії (безфонові процеси) і широкої складової,обумовленою конфігурацією коливальних станів решітки при випромінюванні та поглинанні г-квантів (ширина останньої на 6 порядків більша за ширину резонансної смуги).

Анізотропія міжатомного зв'язку в ґратах обумовлює анізотропію амплітуди коливань атомів і, отже, різну можливість безфонового поглинання у різних кристалографічних напрямах. Для монокристалів, таким чином можуть бути виміряні не тільки усереднені, але і кутові залежності.

У наближенні вузького поглинача можливість безфонових переходів пропорційна площі під кривою резонансного поглинання. Ядерний гамма-резонанс можна використовувати для вивчення коливальних властивостей решітки твердого тіла чи домішкових атомів у цій решітці. Більш комфортним експериментальним п араметром у даному випадку є площа діапазону S, тому щовона є інтегральною рисою і не залежить від форми діапазону випромінювання резонансних квантів і самопоглинання в джерелі. Ця площа зберігається при розщепленні діапазону на кілька компонентів у результаті надтонких взаємодій.

Простий діапазон резонансного поглинання вузького поглинача є одиночною лінією лоренцевської форми. Інтенсивність минулого через поглинач випромінювання мала в максимуміпоглинання. Як приклад на рис. 1.15 наведені мессбауерівські діапазони чистого заліза.

Рис. 1.15 Мессбауерівські діапазони чистого заліза.