МАГНЕТИЗМ И ОСНОВЫ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
2. Физические основы мессбауэровской спектроскопии
2.4. Общая схема ядерных превращений в эффекте Мессбауэра. Характеристики основных мессбауэровских изотопов
Для появления принципиальной возможности наблюдения эффекта Мессбауэра необходимо наличие источника “мессбауэровских” γ-квантов, которые находятся в возбужденном состоянии с энергией мессбауэровского перехода. Для получения таких ядер берутся ядра-мишени и подвергаются различным энергетическим воздействиям. В результате получаются материнские ядра в метастабильном состоянии, которые, по сути, и являются мессбауэровским источником. Затем эти ядра самопроизвольно превращаются в дочерние ядра, находящиеся в возбужденном состоянии, которые и являются источниками γ-квантов с энергией мессбауэровского перехода (рис. 22). Лимитирующим фактором продолжительности использования такого источника является, как правило, период полураспада материнского изотопа, потому что сам переход из возбужденного состояния в основное с испусканием мессбауэровских γ-квантов происходит достаточно быстро. Поэтому для изготовления источников подбирают изотопы с достаточно продолжительным периодом полураспада.
Рис. 22. Общая схема ядерных превращений для получения мессбауэровских γ-квантов.
Можно перечислить некоторые требования к радиоактивным источникам, выполнение которых необходимо для наблюдения эффекта Мессбауэра (ядерного гамма-резонанса).
- В источнике должен происходить процесс релаксации возбужденных ядер с испусканием γ-излучения, в котором должна участвовать достаточная часть ядер, так как возможны и другие побочные релаксационные процессы, например, с эмиссией оже-электронов.
- Энергия γ-излучения не должна быть слишком велика (Eγ < 150 кэВ), чтобы энергия отдачи (ER) не превышала колебательных квантов решетки.
- Период полураспада (τ1/2) мессбауэровского возбужденного ядра должен быть достаточно большим (1 < τ1/2 < 100 нс), чтобы неопределенность в энергии (ширина уровня), связанная с принципом неопределенности Гейзенберга, не сказывалась на разрешающей способности метода и точности экспериментального определения энергии γ-излучения. Однако период τ1/2 не должен быть слишком большим, чтобы в мессбауэровском спектре получались достаточно интенсивные и широкие линии, поскольку слишком узкие линии трудно, а иногда даже невозможно экспериментально наблюдать.
- У мессбауэровского ядра должен быть долгоживущий предшественник – материнский радиоактивный изотоп, достаточно удобный в обращении. Распад этого изотопа должен происходить через стадию образования мессбауэровского уровня.
- Основное состояние изотопа должно быть устойчиво, а вероятность (сечение) поглощения γ-квантов должно быть достаточно велико. Необходимо также или достаточное природное содержание этого изотопа, или возможность легко проводить обогащение.
Несмотря на то, что на сегодняшний день известно около 100 изотопов почти 50-ти элементов, в качестве мессбауэровских нуклидов чаще всего используют только два изотопа: 57Fe и 119Sn; реже 121Sb, 125Te, 151Eu, 197Au. Это подтверждается, в частности, и количеством научных публикаций по мессбауэровской спектроскопии с использованием различных нуклидов (рис. 23). На рисунке 24 приведены схемы и параметры ядерных переходов для этих двух наиболее “популярных” мессбауэровских нуклидов.
Рис. 23. Таблица мессбауэровских изотопов (www.medc.dicp.ac.cn).
Рис. 24а. Схема ядерных превращений для мессбауэровского изотопа 57Fe.
В случае 57Fe распад радиоактивного материнского изотопа 57Со проходит через стадию образования при К-захвате электронов возбужденных состояний изотопа 57Fe*, который затем переходит в основное состояние 57Fe. Получаемый на синхротроне изотоп 57Со вполне доступен и, таким образом, как материнский изотоп удовлетворяет четвертому условию. Из верхнего возбужденного состояния 57Fe* меньшая часть ядер (~9 %) непосредственно переходит в основное состояние 57Fe с испусканием γ-квантов высокой энергии, а бóльшая часть (~91 %) - в более низкое возбужденное состояние (мессбауэровский уровень), удовлетворяющее третьему условию. Изотоп 57Fe в основном состоянии удовлетворяет последнему условию, и, хотя его природное содержание составляет всего лишь около 2 %, этого вполне достаточно для проведения мессбауэровских исследований железосодержащих соединений.
Рис. 24б. Схема ядерных превращений для мессбауэровского изотопа 119Sn.
В случае 119Sn также образуется промежуточный мессбауэровский уровень, характеристики которого удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям.
В заключение отметим, что подобно рассмотренному выше случаю радиоактивного перехода 57Сo → 57Fe в некоторых мессбауэровских источниках материнский изотоп химически отличается от дочернего мессбауэровского изотопа. Радиоактивный распад подобного материнского изотопа, предшествующий испусканию мессбауэровского γ-квантов, может привести атом в метастабильное состояние с избытком или недостатком внутренних электронов. В металлах времена электронной релаксации очень малы (~10-15 с), тогда как в неметаллических твердых телах или биологических соединениях они могут оказаться сравнимыми или бóльшими, чем время жизни возбужденного состояния. Это обстоятельство оказывается особенно важным при интерпретации так называемых эмиссионных мессбауэровских спектров, когда материнские ядра находятся в исследуемом образце, который сам выступает в роли мессбауэровского источника.
2. Физические основы мессбауэровской спектроскопии
2.5. Постановка мессбауэровского эксперимента
Данная публикация подготовлена по материалам учебных пособий:
Соболев А.В., Пресняков И.А. Магнетизм и основы мессбауэровской спектроскопии. Часть I. Природа эффекта Мессбауэра. Электрические сверхтонкие взаимодействия. Учебное пособие. — Отдел печати Химического факультета МГУ Москва, 2011. — С. 45.
Соболев А.В., Пресняков И.А. Магнетизм и основы мессбауэровской спектроскопии. Часть II. Магнитные характеристики ультрамалых частиц. Магнитные сверхтонкие взаимодействия. — Отдел печати Химического факультета МГУ Москва, 2014. — С. 43.