Mössbauerův jev a jeho využití

Mössbauerův jev, neboli bezodrazová jaderná rezonanční fluorescence, je fyzikální jev, který v roce 1958 objevil Rudolf Mössbauer. Zahrnuje rezonanční a bezodrazovou emisi a absorpci gama záření atomovými jádry vázanými v pevné látce.

V Mössbauerově jevu je úzká rezonance pro jadernou gama emisi a absorpci výsledkem hybnosti zpětného rázu, která je předána okolní krystalové mřížce spíše než samotnému emitujícímu nebo absorbujícímu jádru.

Historie a pozadí

Interakce rentgenového záření s plyny, zejména jeho útlum a rozptyl, byly studovány již od počátků výzkumu rentgenového záření a jevy absorpce rentgenového záření specifické pro prvky byly stanoveny na počátku 20. století.

Očekávalo se, že podobný jev bude nalezen pro gama záření, které vzniká jadernými přechody (na rozdíl od rentgenového záření, které je typicky produkováno elektronovými přechody). Pokusy o pozorování jaderné rezonance produkované gama zářením v plynech však selhaly kvůli ztrátě energie na zpětný ráz, což zabránilo rezonanci (Dopplerův jev také rozšiřuje spektrum gama záření). Mössbauer pozoroval rezonanci v jádrech pevného iridia, což vyvolalo otázku, proč je rezonance gama záření možná v pevných látkách, ale ne v plynech.

Mössbauer navrhl, že v případě atomů vázaných v pevné látce se za určitých okolností může zlomek jaderných událostí odehrávat v podstatě bez zpětného rázu. Obecně platí, že gama záření je produkováno jadernými přechody z nestabilního stavu s vysokou energií do stabilního stavu s nízkou energií. Energie emitovaného gama záření odpovídá energii jaderného přechodu, minus množství energie, které se ztratí jako zpětný ráz emitujícího atomu.

Čtěte také: Vše o emisních normách

Pokud je ztracená energie zpětného rázu malá ve srovnání s energetickou šířkou jaderného přechodu, pak energie gama záření stále odpovídá energii jaderného přechodu a gama záření může být absorbováno druhým atomem stejného typu jako první. Tato emise a následná absorpce se nazývá rezonanční fluorescence.

V případě plynu jsou emitující a absorbující tělesa atomy, takže hmotnost je relativně malá, což má za následek velkou energii zpětného rázu, která zabraňuje rezonanci. V pevné látce jsou jádra vázána na mřížku a neodrážejí se jako v plynu. Mřížka jako celek se odráží, ale energie zpětného rázu je zanedbatelná, protože M ve výše uvedené rovnici je hmotnost celé mřížky. Energii v rozpadu však mohou pohltit nebo dodat vibrace mřížky. Energie těchto vibrací je kvantována v kvazičásticích známých jako fonony.

Mössbauerův jev nastává, protože existuje konečná pravděpodobnost rozpadu bez zapojení fononů. Takže ve zlomku jaderných událostí (zlomek bez zpětného rázu, daný Lamb-Mössbauerovým faktorem) se celý krystal chová jako odrážející těleso a tyto události jsou v podstatě bez zpětného rázu.

Obecně (v závislosti na poločasu rozpadu) mají gama paprsky velmi úzké šířky čar. To znamená, že jsou velmi citlivé na malé změny v energiích jaderných přechodů. Ve skutečnosti lze gama záření použít jako sondu k pozorování účinků interakcí mezi jádrem a jeho elektrony a interakcí jeho sousedů.

Využití Mössbauerovy spektroskopie

Mössbauerova spektroskopie je založena na Mössbauerově jevu a využívá se k získávání lokálních informací o struktuře a vlastnostech pevných látek.

Čtěte také: Více o pamětních emisích

Mössbauerovo spektrum závisí na intenzitě gama záření na jeho energii. Transmisní Mössbauerovo spektrum: bezodrazová absorpce jádry Mössbauerova izotopu vede ke snížení intenzity procházejícího paprsku.

Realizace: zdroj - excitovaný stav jádra vhodného izotopu fixovaného v mřížce, energetická modulace - mechanický pohyb zdroje vůči vzorku - Dopplerův jev, detektor a záznam intenzity v závislosti na rychlosti zdroje.

Hyperjemné interakce

V Mössbauerově spektroskopii se využívá interakcí mezi jádrem atomu a jeho okolím k získání informací o chemickém stavu, magnetických vlastnostech a krystalové struktuře materiálu. Mezi tyto interakce patří:

• Isomerní posun: souvislost s hustotou s-elektronů a jejich spinovým stavem.
• Kvadrupolové štěpení: vzniká v důsledku interakce jaderného kvadrupólového momentu s gradientem elektrického pole.
• Zeemanovo štěpení: štěpení jaderných hladin v magnetickém poli.

Možnosti uspořádání měření MS

• Transmisní uspořádání
• CEMS - konverzní elektrony
• CXMS - emise X-paprsků

Současná registrace a „informační hloubka“ jednotlivých metod sto(vky) nm jednotky μm.

Aplikace Mössbauerovy spektroskopie

• Fyzika kondenzovaných látek
• Biofyzika a medicina (hemoglobin a tkáně obsahující Fe)
• Chemie (valenční stav a symetrie okolí např. Fe)
• Mineralogie a geologie (identifikace látek a (semi)kvantitativní analýza)
• Archeologie (např. metody zpracování keramiky, rozbor nálezů ze železných slitin)
• Materiálový výzkum a metalurgie (fáze a fázové přechody)
• Magnetismus (magnetické uspořádání, orientace lokálních momentů, nanomagnetismus)
• Mössbauerova spektroskopie na Marsu

Výhody a nevýhody metody

Výhody:

• Vysoká rozlišovací schopnost - každý atom přispívá ke spektru, nepotřebujeme koherentní objem s translační symetrií.
• Možnosti získání informací o vnitřním poli, krystalové mřížce, poruchách, magnetickém uspořádání, orientaci lokálních momentů, relaxaci, časových dějích (superparamagnetismus u malých částic).
• Společně s jinou metodou - komplexní údaje o vzorku.

Nevýhody:

• Radioaktivní zdroj.
• Poločas rozpadu.
• Pro daný izotop - specifické vzorky obsahující prvek-izotop zdroje.

Charakteristiky některých izotopů používaných v MSM

Mössbauerova spektroskopie isotopu 57Fe Magnetické materiály obsahující Fe - “Mössbauerův“ isotop 57Fe (přirozený obsah 2.17%) Radioaktivní zdroj 57Co (záchyt elektronu s poločasem 270 d).

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

57Fe ve vybuzeném stavu I=5/2 57Fe v základním stavu I=1/2 emise 136.32 keV γ 57Fe ve vybuzeném stavu I=3/2 emise 121.91 keV γ emise 14.41 keV γ “Mössbauerova“ čára 57Fe v základním stavu I=1/2 Proces absorpce 57Fe ve vybuzeném stavu I=3/2 absorpce 14.41 keV γ 57Fe v základním stavu I=1/2 Scheme of deëxcitation of 57Fe source and absorber 57Fe ve vybuzeném stavu I=3/2 Konversní elektrony K, L, M emise 14.41 keV γ emise 14.41 keV γ Augerovy elektrony KLL 57Fe v základním stavu I=1/2 X-paprsky Kα.

tags: #bezodrazova #emise #mossbauer #informace

Oblíbené příspěvky:

• Likvidace autovraků Milevsko
• Problémy se sifonem?
• Homosexualita v přírodě: hlubší pohled
• Informace o svozu odpadu ve Štítné
• Znečištění ovzduší a stromy