МАГНЕТИЗМ И ОСНОВЫ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Соболев А.В., Пресняков И.А.

2. Физические основы мессбауэровской спектроскопии

2.5. Постановка мессбауэровского эксперимента

Возможность использования эффекта Мессбауэра для исследования строения вещества обусловлена тем, что энергия ядерного перехода (Еγ) зависит не только от самого ядра (изотопа элемента), но и также от электронного окружения ядра в исследуемом соединении, действующих на него внутренних электрических и магнитных полей. В качестве источника γ-излучения и его поглотителя в мессбауэровской спектроскопии используются разные вещества. Таким образом, ядра одного и того же изотопа в источнике и поглощающем веществе находятся, вообще говоря, в разном химическом окружении, поэтому E_γ^(ист) ≠ E_γ^(погл), и, как следствие, энергия испускаемого γ-кванта такова, что он не может быть поглощен ядром поглотителя, то есть резонансного поглощения не наступает.

В мессбауэровском эксперименте настройка источника монохроматического γ-излучения для достижения резонанса осуществляется за счет эффекта Доплера, с помощью которого можно немного варьировать энергию E_γ^(ист), двигая с определенной скоростью (v) источник относительно поглощающего вещества:

E_γ^(ист) = Е₀ × √[1-(v/c)²] / (1 - cosθ × v/c) ≈ Е₀ × (1 + cosθ × v/c),    (37)

где Е₀ – энергия γ-перехода в неподвижном источнике; с – скорость света. Из приведенного выражения видно, что изменение энергии γ-кванта зависит от угла (θ) между направлением движения ядра-излучателя и направлением вылета γ-кванта. Однако в случае продольного эффекта Доплера (θ = 0) и при малых скоростях движения источника (v << c) относительно поглотителя выражение (37) существенно упрощается:

E_γ^(ист) = Е₀ × (1 + v/c).    (38)

 Доплеровское движение модулирует энергию γ-кванта, и когда энергия E_γ^(ист) становится равной E_γ^(погл), он поглощается ядром, то есть происходит ядерный γ-резонанс. Чем больше скорость движения источника в направлении поглотителя (+v), тем больше E_γ^(ист). Наблюдаемые в мессбауэровской спектроскопии разности энергий |E_γ^(ист) - E_γ^(погл)| соответствуют относительным скоростям движения порядка миллиметра в секунду, которые легко достигаются и экспериментально надежно фиксируются.

Таким образом, мессбауэровский спектр представляет собой зависимость интенсивности поглощения γ-излучения от доплеровской скорости движения источника относительно поглощающего вещества, которая фактически эквивалентна зависимости от энергии γ-квантов (рис. 25). Количественной мерой интенсивности γ-излучения служит число электрических импульсов (N_i), сформированных в течение строго задаваемого интервала времени. Скоростные единицы измерения можно всегда сопоставить с более привычной энергетической или частотной шкалой. Так, например, при E_γ^(ист)(⁵⁷Fe) = 14.41 кэВ изменение скорости движения источника v^(ист) на 1 мм/c изменяет E_γ^(ист) на 4.8×10^-8 эВ.

Рис. 25. Мессбауэровский спектр SnO₂, измеренный с помощью источника Ca^119mSnO₃.

Теперь кратко остановимся на технической реализации мессбауэровского эксперимента. В мессбауэровской спектроскопии применяются в основном две схемы эксперимента: на пропускание и на рассеяние (рис. 26). Примером первого способа может служить эксперимент, в котором исследуемое вещество является поглотителем, а источником служит стандартное вещество с материнским изотопом. Примером эксперимента в геометрии рассеяния может служить собственно опыт, поставленный Мессбауэром при работе с изотопом ¹⁹¹Os.

Рис. 26. Принципиальные схемы регистрации мессбауэровских спектров и типичных видов мессбауэровских спектров.

В любом случае для проведения такого эксперимента в арсенале у исследователя должны присутствовать несколько принципиальных блоков мессбауэровского спектрометра:

1. Доплеровский модулятор – устройство, позволяющее двигать источник γ-квантов относительно поглотителя по заданному временному закону в выбранном скоростном режиме.

2. Детектор – устройство регистрации мессбауэровских γ-квантов, преобразования их в случае, скажем, сцинтилляционного счетчика с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) в электрические сигналы.

3. Дискриминатор – модуль в совокупности с анализатором, “раскладывающий” полученные электрические импульсы “по полочкам” – по каналам (в соответствии с их относительной энергией) и по величине эффекта резонансного поглощения (по числу накоплений данных импульсов в каждом канале).

4. Блок управления – для всех современных спектрометров его роль выполняет ЭВМ, которая занимается сбором информации с анализатора-дискриминатора, а также управлением всеми вышеперечисленными блоками, записью экспериментальных точек в файлы в виде массива данных. Кроме того, дальнейшая математическая обработка также осуществляется на ЭВМ, ввиду высокой сложности мессбауэровских спектров.

Возникает вопрос: в чем же заключается сложность в обработке одиночной лоренцевской линии? Дело в том, что при проведении реального эксперимента, сравнительно простая для восприятия одиночная мессбауэровская линия может претерпевать существенные изменения. Эти изменения связаны с проявлением сверхтонких взаимодействий, связанных с взаимодействием ядра с матрицей, в которой он находится и дополнительными эффектами, приводящими к уширению спектральных линий.

Практически было показано, что наилучшим образом при уширениях, связанных только с особенностями структуры твердых тел в отсутствии искажений работы мессбауэровской аппаратуры резонансные спектры описываются функцией Войта W_V(E), которая является сверткой функций Лоренца W_L(E) (уравнение 32) и Гаусса W_G(E):

W_V(E) = 2/Γ × √[ln2/π] × exp[- {(Е - Е₀)/(Γ/2)}² × ln2].    (39)

 Однако из-за математических трудностей в качестве функций для наилучшего описания экспериментальных спектров, как правило, выбирают псевдо-функцию Войта W_PV(E), являющуюся линейной комбинацией функций Гаусса и Лоренца:

W_PV(E) = αW_G(E) + (1-α)W_L(E).    (40)

Поскольку мессбауэровские спектры измеряются в режиме накопления, т.е. изначально измеряется сразу весь спектр, а со временем картина становится более четкой по мере накопления импульсов, очень важной характеристикой качества измеренного спектра является “коэффициент качества” q. Эту величину при данной постоянной концентрации мессбауэровских нуклидов в поглотителе можно определить как:

q = χ √[N(∞)],    (41)

где χ - величина резонансного поглощения в той точке спектра, для которой рассчитывается коэффициент качества; N(∞) – количество зарегистрированных детектором импульсов. Таким образом, качество спектра определяется как эффектом резонансного поглощения, так и временем измерения спектра, которое прямо пропорционально числу прошедших γ-квантов.

3. Сверхтонкие взаимодействия

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.