Мёссбауэровская спектроскопия
имальная толщина является результатом компромисса между
необходимостью работать с тонким поглотителем и иметь высокий эффект
поглощения.
Для регистрации ?-квантов, прошедших через образец, наиболее широко
применяются сцинтилляционные и пропорциональные счетчики.
Получение спектра резонансного поглощения (или мессбауэровского
спектра) предполагает изменение условий резонанса, для чего необходимо
модулировать энергию ?-квантов. Применяющийся в настоящее время метод
модуляции основан на эффекте Доплера (чаще всего задают движение источника
?-квантов относительно поглотителя).
Энергия ?-кванта за счет эффекта Доплера изменяется на величину
?E = [pic], (1.2)
где [pic] – абсолютное значение скорости движения источника относительно
поглотителя; с – скорость света в вакууме; [pic] – угол между направлением
движения источника и направление испускания ?-квантов.
Поскольку в эксперименте угол [pic] принимает только 2 значения [pic]=0
и [pic], то ?E =[pic] (положительный знак соответствует сближению, а
отрицательный – удалению источника от поглотителя).
В отсутствие резонанса, например, когда в поглотителе отсутствует ядро
резонансного изотопа или когда доплеровская скорость очень велика ([pic],
что соответствует разрушению резонанса из-за слишком большого изменения
энергии ?-кванта), максимальная часть излучения, испущенного в направлении
поглотителя, попадает в расположенный за ним детектор. Сигнал от детектора
усиливается, и импульсы от отдельных ?-квантов регистрируются анализатором.
Обычно регистрируют число ?-квантов за одинаковые промежутки времени при
различных [pic]. В случае резонанса ?-кванты поглощаются и переизлучаются
поглотителем в произвольных направлениях (см. рис. 1.2). Доля излучения,
попадающего в детектор, при этом уменьшается.
В мессбауэровском эксперименте исследуется зависимость интенсивности
прошедшего через поглотитель излучения (числа зарегистрированных детектором
импульсов) от относительной скорости источника [pic]. Эффект поглощения
определяется отношением
[pic], (1.3)
где [pic] – число ?-квантов, зарегистрированных детектором за определенное
время при значении доплеровской скорости [pic] (в эксперименте используют
дискретный набор скоростей [pic]); [pic] – то же при [pic], когда
резонансное поглощение отсутствует. Зависимости [pic] и [pic] задают вид
кривой резонансного поглощения сплавов и соединений железа, лежат в
пределах ±10 мм/с.
Величину резонансного эффекта можно представить в следующем виде [5]:
[pic], (1.4)
где [pic] ([pic]– доплеровская скорость, с – скорость света в вакууме);
[pic] – доля резонансных ?-кванов в излучении источника; x =
2([pic])/[pic]– вероятности испускания и поглощения ?-квантов без отдачи;
[pic] – сечение поглощения при точном резонансе (ядерная постоянная для
данного мессбауэровского изотопа); n – число атомов изотопа на 1 смІ
поглотителя.
Не зависящая от энергии величина [pic] в показателе экспоненты (1.4)
определяет эффективную толщину поглотителя для резонансных (кривых)
квантов. Если самопоглощение в источнике отсутствует, то для 0<С[pic]?6
(такой поглотитель называется тонким) мессбауэровский спектр может быть
аппроксимирован кривой Лоренца:
[pic], (1.5)
где [pic], [pic]. Выражение (1.5) можно получить из формулы (1.1), если
взять в подынтегральном выражении 2 первых члена разложения экспоненты в
ряд по степеням С[pic].
Вероятность эффекта Мессбауэра определяется фононным спектром
кристаллов. В дебаевском приближении эта вероятность задается выражением
[6].
[pic], (1.6)
где [pic] – фактор Дебая-Валлера:
[pic], (1.7)
В области низких температур ([pic]) вероятность [pic] достигает
значений, близких к единице, а в области высоких ([pic]) она очень мала. Из
выражения (1.7) следует, что при прочих равных условиях вероятность
бесфонного поглощения и излучения больше в кристаллах с высокой
температурой Дебая. Последняя определяет жесткость межатомной связи.
Классическая теория эффекта Мессбауэра позволяет дать простую и
наглядную интерпретацию фактора Дебая-Валлера [1.7]:
[pic], (1.8)
где [pic] – средний квадрат амплитуды колебаний ядра в направлении
излучения ?-кванта, [pic] – длина его волны.
Из выражений (1.7) и (1.8) ясно, что вероятность эффекта определяется
спектром упругих колебаний атомов в решетке кристалла. Мессбауэровская
линия интенсивна, если амплитуда колебаний атомов невелика по сравнению с
длиной волны ?-квантов, т.е. при низких температурах. В этом случае спектр
излучения и поглощения состоит из узкой резонансной линии (бесфонные
процессы) и широкой компоненты, обусловленной изменением колебательных
состояний решетки при излучении и поглощении ?-квантов (ширина последней на
шесть порядков больше ширины резонансной линии).
Анизотропия межатомной связи в решетке обусловливает анизотропию
амплитуды колебаний атомов и, следовательно, различную вероятность
бесфонного поглощения в различных кристаллографических направлениях. Для
монокристаллов, таким образом могут быть измерены не только усредненные, но
и угловые зависимости [pic] и [pic] и получены оценки соответствующих
силовых констант.
В приближении тонкого поглотителя вероятность бесфонных переходов
пропорциональна площади под кривой резонансного поглощения, которая может
быть вычислена по формуле
[pic]. (1.9)
Ядерный гамма-резонанс может быть использован для изучения
колебательных свойств решетки твердого тела или примесных атомов в этой
решетке. Наиболее удобным экспериментальным параметром в этом случае
является площадь спектра S, так как она является интегральной
характеристикой и не зависит от формы спектра испускания резонансных
квантов и самопоглощения в источнике. Эта площадь сохраняется при
расщеплении спектра на несколько компонент в результате сверхтонких
взаимодействий. Вероятность эффекта Мессбауэра может быть определена также
из измерений температурного (релятивистского) сдвига мессбауэровского
спектр, обусловленного эффектом Доплера второго порядка.
1.3. ЭФФЕКТЫ СМЕЩЕНИЯ И РАСЩЕПЛЕНИЯ ЛИНИЙ.
ПАРАМЕТРЫ МЕССБАУЭРОВСКИХ СПЕКТРОВ.
Как следует из соотношений (1.3) и (1.4) простейший спектр резонансного
поглощения тонкого поглотителя представляет собой одиночную линию
лоренцевской формы (из константы вычитается лоренцевская функция):
[pic], (1.10)
где [pic] – величина эффекта в максимуме поглощения; константа С в
знаменателе учитывает тот факт, что линии излучения и поглощения обычно
сдвинуты друг относительно друга (даже в отсутствие отдачи или возбуждения
фотонов). Причиной сдвига является ряд эффектов, рассматриваемых в этом
параграфе. Интенсивность прошедшего через поглотитель излучения минимальна
в максимуме поглощения. Кривая (1.10) напоминает сечение перевернутого
колокола с минимумом при [pic] (рис. 1.3а).
Форма экспериментальной линии может отличаться от лоренцевской, а её
ширина не соответствовать идеальному случаю тонкого поглотителя из-за
аппаратурных искажений и целого ряда физических эффектов (см. § 1.1). Сдвиг
центра тяжести мессбауэровского спектра может быть вызван следующими
причинами:
1) различием в энергиях нулевых колебаний решеток источника и
поглотителя;
2) температурным красным смещением;
3) разным изомерным сдвигом (для источника и поглотителя);
4) различием сверхтонких взаимодействий (для групп атомов).
Сдвиги первых двух типов имеют общую природу: они связаны с
релятивистским уменьшением массы ядра при излучении, что приводит к
возрастанию общей энергии решетки и, следовательно, к уменьшению энергии ?-
кванта (красное смещение).
[pic]
Рис. 1.3. Схема смещения и расщепления энергетических уровней ядра [pic]Fe
и вид мессбауэровских спектров на пропускание при изомерном (химическом)
сдвиге (a), квадрупольном взаимодействии (б), магнитном и дипольном
взаимодействии (в) и комбинированном взаимодействии (магнитное дипольное
плюс относительно слабое квадрупольное взаимодействие) (г).
Следует указать также на то, что сдвиг центра тяжести спектра возникает
при изменении объёма сплава вследствие соответствующей перенормировки
волновых функций. Для сплавов и соединений железа [pic] = -1,4 ?V/V мм/с.
Вследствие взаимодействия резонансных ядер с электрическими или
магнитными внутрикристаллическими полями (2I +1)-кратное вырождение
энергетических уровней (I – спин ядра) может полностью или частично
сниматься. Спектр трансформируется при этом в суперпозицию нескольких
линий. Возникает так называемая сверхтонкая структура линий (СТС).
Рассмотрим более подробно природу основных эффектов, приводящих к
смещению и расщеплению ядерных уровней.
Температурный сдвиг [pic] мессбауэровского спектра. Изменение энергии ?-
квантов наблюдается при полной структурной идентичности источника и
поглотителя, если различна их темпе
| |  скачать работу |
Мёссбауэровская спектроскопия |
