Мессбауэр спектроскопиясы

04.12.2012 3058
Мессбауэр спектроскопиясы – ядро мен оның айналасындағы электр және магнит өрістерінің өзара әсерін зерттейтін Мессбауэр эффектісіне негізделген тәсіл. Бұл әсерлесу Мессбауэр спектрлерінде байқалатын ядроның энергия деңгейлерінің ығысуы мен жіктелуін тудырады. Мұндай әсерлесудің энергиясы аз (10–4эВ) болғанымен Доплер эффектісін пайдаланып мессбауэр сызықтарының аса нәзік түзілісін жіңішке табиғи спектрлер арасынан оңай ажыратуға болады. Бұл эффектіні пайдалану үшін -сәулесін (кванттарын) шығаратын жарық көзіне (сәулені жұтушы денемен салыстырғанда)  жылдамдық беріледі. Бұл кезде жарық көзінен шығатын -квантының энергиясы =0/с шамасына (мұндағы 0 – -ауысуының энергиясы, с – жарық жылдамдығы) өзгереді. Ал  жылдамдығының мәні 0,1 – 1,0 см/с аралығында өзгергенде спектрлік сызықтар өзінің табиғи еніне жуық шамаға ығысады. Мессбауэр спектрометрі (1-сурет) -кванттарының резонанстық жұтылуының жарық көзінің жылдамдығына () тәуелділігін өлшейді. Мессбаэур сызықтарының ығысуы мен Доплер ығысуы теңескенде -сәулесінің жұтылу максимумы байқалады. Атом ядросының ядродан тыс өрістермен әсерлесуінің негізгі түрлеріне: электр монопольдік әсерлесу (э. м. ә.), электрлік квадрупольдік әсерлесу (э. к. ә.) және магн. дипольдік әсерлесу (м. д. ә.) жатады. Егер -сәулесін шығарушы дене мен ол сәулені жұтушы денелердің хим. құрамдары әр түрлі болса, онда э. м. ә. -спектрлерінің изомерлік ығысуын () тудырады (2 сурет, а, ә). Изомерлік ығысу () ядроның маңайындағы электрондық газдың тығыздығына пропорционал; оның шамасы – қатты денелердегі атомдардың хим. байланысы үшін маңызды сипаттама. Ядроның квадрупольдік әсерлесу моменті (Q) біртекті емес электр өрісімен әсерлесіп, ядроның энергия деңгейлерін жіктейді, нәтижесінде жұту спектрінде квадрупольдік дублет (2 сурет, б) пайда болады. Дублет құраушыларының энергия айырымы (Е) квадрупольдік момент Q-мен ядро төңірегіндегі электр өрісінің кернеулігіне (Е) пропорционал. Э. к. ә-ді зерттеу арқылы атомдардың және иондардың электрондық құрылымын, қатты дененің құрылыс ерекшеліктерін, сонымен қатар атомның квадрупольдік моментін анықтауға болады. М. д. ә. әдетте ядросына реттелген күшті магнит өрісі (кернеулігі 106Э) әсер ететін магниттік-реттелген заттар (ферро-, антиферро-, ферримагн.) байқалады. М. д. ә-дің энергиясы магнит өрісінің кернеулігі (Н) мен ядроның магн. моментінің (М) көбейтіндісіне пропорционал және олардың өзара бағдарлануына тәуелді. М. д. ә. ядролардың негізгі және қоз-ған күйдегі энергия деңгейлерін жіктейді, нәтижесінде жұту спектрінде саны осы күйлердің магн. деңгейшелерінің арасындағы ауысуларына сәйкес келетін бірнеше сызықтар пайда болады. Мыс., 57ұе ядросы үшін мұндай сызықтар саны 6 (2 сурет, в). Мессбауэр спектрінің динамик. эффектілерге сезімталдығы М. с-нда атомдардың диффузиясын, спиндік ауытқуын, фазалық ауысу кезіндегі динамик. құбылыстарды, т.б. зерттеуге пайдаланылады. Республикада М. с. жөніндегі зерттеулерді Қазақстан ұА Ядр. физ. ин-тындағы гамма-резонанс тобының ғалымдары 1960 жылдардан бастап жүргізді (Ә.Қ. Жетбаев). Алғашқы зерттеулер анорганик. (оның ішінде табиғи түрі де) қосылыстардағы темір мен қалайы атомдары ядросының эффективтік магнит өрісі градиентінің және электрондық заряд тығыздығының темп-ралық тәуелділігіне байланысты болды. Кейін М. с. бойынша зерттеу жұмыстары Қазақстан ұА-ның Металлургия және кен байыту, Геол. ғылымдар, Органик. катализ және электрхим. ин-ттарында, ҚазМУ-де (қазіргі ҚазөУ-де), т.б. жүргізілді. 1980 жылдан бастап зерттеулер қатты дененің радиац. физикасы мәселелеріне – таза металдардағы ақаулардың өзара әсері, сәуле түсірілген қорытпалардағы, ферриттердегі және аморфты металдардағы фазаларды тәртіптеу, бұзу және бөліп алу процестеріне байланысты жасалды. Атомдардың алғашқы бөлшектерімен радиац. әсерлесу процесінде ығысқан өзіндік ерекшелігі бар селективті М. с-ның тәсілі ұсынылды. Мессбауэр спектрометрлерінің жаңа түрі жасалды. Тантал-181 М. с-на және темір-57 ядросынан резонансты шашыраған энергиясы 14,4 кэВ гамма-кванттардың бұрыштық таралуын зерттеуге байланысты бірегей тәжірибелер жүргізілді. Эмисс. М. с. және конверс. электрондар мен рентген сәулелерін тіркеу арқылы мессбауэр спектрлерін өлшеу тәсілдері кеңінен пайдаланылуда. Бұл тәсілдер иондық имплантациялау мен лазерлік өңдеуден кейінгі қатты дене бетінің күйін зерттеуге қолданылады. М. с-ның деректеріне сүйене отырып, мессбауэр элементтері ядросындағы электрондық тығыздықты есептеу жұмыстары жүргізілді (Д.Қайыпов). Республиканың бірқатар ғыл. мекемелерінде М. с-н зерттейтін топтар ұйымдастырылды. М. с. катализ процестерін, металлургияны, минералдар геогенезисін, сондай-ақ кристалдық тор динамикасын зерттеуде кеңінен қолданылады. Әдеб.: Шпинель В.С., Резонанс гамма-лучей в кристаллах, М., 1969; Химические применения Мессбауэровской спектроскопии, пер. с англ., М., 1970. С. Асанов  

Мессбауэр спектроскопиясы – ядро мен оның айналасындағы электр және магнит өрістерінің өзара әсерін зерттейтін Мессбауэр эффектісіне негізделген тәсіл. Бұл әсерлесу Мессбауэр спектрлерінде байқалатын ядроның энергия деңгейлерінің ығысуы мен жіктелуін тудырады. Мұндай әсерлесудің энергиясы аз (10–4эВ) болғанымен Доплер эффектісін пайдаланып мессбауэр сызықтарының аса нәзік түзілісін жіңішке табиғи спектрлер арасынан оңай ажыратуға болады. Бұл эффектіні пайдалану үшін -сәулесін (кванттарын) шығаратын жарық көзіне (сәулені жұтушы денемен салыстырғанда)  жылдамдық беріледі. Бұл кезде жарық көзінен шығатын -квантының энергиясы =0/с шамасына (мұндағы 0 – -ауысуының энергиясы, с – жарық жылдамдығы) өзгереді. Ал  жылдамдығының мәні 0,1 – 1,0 см/с аралығында өзгергенде спектрлік сызықтар өзінің табиғи еніне жуық шамаға ығысады. Мессбауэр спектрометрі (1-сурет) -кванттарының резонанстық жұтылуының жарық көзінің жылдамдығына () тәуелділігін өлшейді. Мессбаэур сызықтарының ығысуы мен Доплер ығысуы теңескенде -сәулесінің жұтылу максимумы байқалады. Атом ядросының ядродан тыс өрістермен әсерлесуінің негізгі түрлеріне: электр монопольдік әсерлесу (э. м. ә.), электрлік квадрупольдік әсерлесу (э. к. ә.) және магн. дипольдік әсерлесу (м. д. ә.) жатады. Егер -сәулесін шығарушы дене мен ол сәулені жұтушы денелердің хим. құрамдары әр түрлі болса, онда э. м. ә. -спектрлерінің изомерлік ығысуын () тудырады (2 сурет, а, ә). Изомерлік ығысу () ядроның маңайындағы электрондық газдың тығыздығына пропорционал; оның шамасы – қатты денелердегі атомдардың хим. байланысы үшін маңызды сипаттама. Ядроның квадрупольдік әсерлесу моменті (Q) біртекті емес электр өрісімен әсерлесіп, ядроның энергия деңгейлерін жіктейді, нәтижесінде жұту спектрінде квадрупольдік дублет (2 сурет, б) пайда болады. Дублет құраушыларының энергия айырымы (Е) квадрупольдік момент Q-мен ядро төңірегіндегі электр өрісінің кернеулігіне (Е) пропорционал. Э. к. ә-ді зерттеу арқылы атомдардың және иондардың электрондық құрылымын, қатты дененің құрылыс ерекшеліктерін, сонымен қатар атомның квадрупольдік моментін анықтауға болады. М. д. ә. әдетте ядросына реттелген күшті магнит өрісі (кернеулігі 106Э) әсер ететін магниттік-реттелген заттар (ферро-, антиферро-, ферримагн.) байқалады. М. д. ә-дің энергиясы магнит өрісінің кернеулігі (Н) мен ядроның магн. моментінің (М) көбейтіндісіне пропорционал және олардың өзара бағдарлануына тәуелді. М. д. ә. ядролардың негізгі және қоз-ған күйдегі энергия деңгейлерін жіктейді, нәтижесінде жұту спектрінде саны осы күйлердің магн. деңгейшелерінің арасындағы ауысуларына сәйкес келетін бірнеше сызықтар пайда болады. Мыс., 57ұе ядросы үшін мұндай сызықтар саны 6 (2 сурет, в). Мессбауэр спектрінің динамик. эффектілерге сезімталдығы М. с-нда атомдардың диффузиясын, спиндік ауытқуын, фазалық ауысу кезіндегі динамик. құбылыстарды, т.б. зерттеуге пайдаланылады. Республикада М. с. жөніндегі зерттеулерді Қазақстан ұА Ядр. физ. ин-тындағы гамма-резонанс тобының ғалымдары 1960 жылдардан бастап жүргізді (Ә.Қ. Жетбаев). Алғашқы зерттеулер анорганик. (оның ішінде табиғи түрі де) қосылыстардағы темір мен қалайы атомдары ядросының эффективтік магнит өрісі градиентінің және электрондық заряд тығыздығының темп-ралық тәуелділігіне байланысты болды. Кейін М. с. бойынша зерттеу жұмыстары Қазақстан ұА-ның Металлургия және кен байыту, Геол. ғылымдар, Органик. катализ және электрхим. ин-ттарында, ҚазМУ-де (қазіргі ҚазөУ-де), т.б. жүргізілді. 1980 жылдан бастап зерттеулер қатты дененің радиац. физикасы мәселелеріне – таза металдардағы ақаулардың өзара әсері, сәуле түсірілген қорытпалардағы, ферриттердегі және аморфты металдардағы фазаларды тәртіптеу, бұзу және бөліп алу процестеріне байланысты жасалды. Атомдардың алғашқы бөлшектерімен радиац. әсерлесу процесінде ығысқан өзіндік ерекшелігі бар селективті М. с-ның тәсілі ұсынылды. Мессбауэр спектрометрлерінің жаңа түрі жасалды. Тантал-181 М. с-на және темір-57 ядросынан резонансты шашыраған энергиясы 14,4 кэВ гамма-кванттардың бұрыштық таралуын зерттеуге байланысты бірегей тәжірибелер жүргізілді. Эмисс. М. с. және конверс. электрондар мен рентген сәулелерін тіркеу арқылы мессбауэр спектрлерін өлшеу тәсілдері кеңінен пайдаланылуда. Бұл тәсілдер иондық имплантациялау мен лазерлік өңдеуден кейінгі қатты дене бетінің күйін зерттеуге қолданылады. М. с-ның деректеріне сүйене отырып, мессбауэр элементтері ядросындағы электрондық тығыздықты есептеу жұмыстары жүргізілді (Д.Қайыпов). Республиканың бірқатар ғыл. мекемелерінде М. с-н зерттейтін топтар ұйымдастырылды. М. с. катализ процестерін, металлургияны, минералдар геогенезисін, сондай-ақ кристалдық тор динамикасын зерттеуде кеңінен қолданылады.
Әдеб.: Шпинель В.С., Резонанс гамма-лучей в кристаллах, М., 1969; Химические применения Мессбауэровской спектроскопии, пер. с англ., М., 1970.
С. Асанов
 

Ұқсас материалдар