МАГНЕТИЗМ И ОСНОВЫ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Соболев А.В., Пресняков И.А.

3. Сверхтонкие взаимодействия

В предыдущем разделе мы рассмотрели физическую сущность эффекта Мессбауэра и экспериментальные способы его наблюдения. Однако данный эффект не нашел бы широкого практического применения, если бы в мессбауэровских спектрах всегда наблюдалась единственная резонансная линия при нулевой скорости на доплеровской шкале скоростей.

Применение мессбауэровской спектроскопии в химии, физике и материаловедении базируется на зависимости энергии ядерных переходов от химического окружения ядра, то есть взаимодействий ядра с этим окружением. Наблюдаемые при этом различия в энергиях переходов чрезвычайно малы (на десять порядков меньше) по сравнению с энергиями самих резонансных γ-квантов. Возможность экспериментального измерения в мессбауэровских спектрах подобных различий во многом связана с высокой разрешающей способностью данного метода, гораздо меньшей, чем в любом другом виде спектроскопии (например, в спектрах ЯМР величина Δν/ν составляет ~ 10^-8, в ИК-спектрах ~ 10^-5 и т.д.). Благодаря своей высокой разрешающей способности, мессбауэровская спектроскопия является весьма информативной при получении сведений о валентном состоянии, характере химических связей, геометрии локального окружения и магнитных взаимодействиях резонансного (мессбауэровского) атома. При этом фактически, информация, извлекаемая из мессбауэровских спектров, определяется тремя основными сверхтонким параметрами: химическим сдвигом, квадрупольным расщеплением и магнитным расщеплением.

Электрические и магнитные взаимодействия ядра с окружающими его электронной и атомной подсистемами носят название сверхтонких взаимодействий. Физика сверхтонких взаимодействий охватывает широкий круг явлений, в которых проявляется взаимодействие атомных ядер с электрическими и магнитными полями, создаваемыми электронами в свободных атомах и ионов в конденсированных средах. Сам термин “сверхтонкое взаимодействие” произошел от сверхтонкой структуры оптических спектров – явления, где эти взаимодействия были обнаружены впервые. В свое время открытие сверхтонкой структуры атомных спектров сыграло важную роль в развитии квантовой механики, атомной и ядерной физики.

Энергия сверхтонкого взаимодействия определяется как свойствами атомного ядра (ядерные электрические и магнитные моменты), так и электромагнитным полем, которое создают окружающие ядро заряды (электроны, ионы). Само электромагнитное поле может иметь весьма сложную структуру, однако анализ сверхтонкого взаимодействия существенно упрощается благодаря возможности разложения энергии сверхтонкого взаимодействия (Е_сверх) в ряд:

Е_{сверх =} E(E0) + E(E2) + E(М1) + …,    (42)

где “Е0” и “E2” – электрические монопольное и квадрупольное взаимодействия; “М1” – магнитное дипольное взаимодействие. Каждый член этого ряда есть произведение одного из ядерных моментов на соответствующую компоненту внеядерного электромагнитного поля. Важно отметить, что ряд быстро сходится, то есть изменение энергии Е_сверх  быстро убывает с увеличением мультипольности входящего в нее слагаемого. Это обстоятельство позволяет при анализе экспериментальных данных рассматривать лишь небольшое число членов разложения Е_сверх по мультиполям. Кроме того,  как с теоретической, так и с экспериментальной точек зрения эффекты электрического и магнитного взаимодействия хорошо разделяются, что позволяет рассматривать их независимо друг от друга.

В следующем разделе мы рассмотрим электрические ядерные взаимодействия, которые приводят к химическому сдвигу и квадрупольному расщеплению мессбауэровского спектра. Затем обсудим ядерные магнитные дипольные взаимодействия, обуславливающие так называемую магнитную сверхтонкую структуру спектров.

3. Сверхтонкие взаимодействия.

3.1. Электрические ядерные 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.