Мёссбауэровская спектроскопия

мессбауэровские спектры поглощенияМЁССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ (а. Mossbauer spectrorometry; н. Mossbauer- Spektrographie; ф. spectrosсоpie а effet Mossbauer; и. espectrosсоpia de Mossbauer) — метод исследования электронно-ядерных взаимодействий и атомно-молекулярной динамики в твёрдых телах. Мёссбауэровская спектроскопия основана на использовании явления испускания и поглощения гамма-квантов атомными ядрами в твёрдых телах, не сопровождающегося изменением колебательного состояния твёрдого тела (явление открыто в 1958 немецким физиком Р. Мёссбауэром и названо эффектом Мёссбауэра).

Благодаря эффекту Мёссбауэра спектры излучения и поглощения гамма-квантов ядрами в твёрдых телах при определённых условиях могут состоять из сверхузких линий с естественной шириной за счёт теплового движения ядер и не смещённых по энергии за счёт отдачи ядер при излучении и поглощении гамма-квантов. Различные химические соединения данного элемента, используемые в качестве источников излучения (радионуклидов) или поглотителей (нуклидов), имеют свой характерный спектр излучения или поглощения соответственно. Изучая эти спектры, можно судить о химическом составе и структуре исследуемого вещества (рис. 1).

В Мёссбауэровской спектроскопии обычно используются радионуклиды с 10-6 > t > 10-10 с, 10 кэВ < Е < <200 кэВ и 10-10 > Г/Е0 >10-14, где

t — время жизни ядра — источника излучения на "мёссбауэровском" энергетическом уровне,

Е — энергия ядерного перехода (энергия гамма-кванта),

Г = h/t (2ph — постоянная Планка) — ширина спектральной линии на половине её высоты.

Для экспериментального наблюдения спектров необходимо иметь пары одинаковых нуклидов — один в возбуждённом состоянии (источник излучения); другой в основном состоянии (поглотитель излучения) и осуществить резонансное поглощение гамма-квантов. Нуклид в поглотителе может входить в его состав в качестве компонента или примеси. Если пропускать пучок гамма-квантов от источника излучения через поглотитель, то для получения спектра (эффекта резонансного поглощения) необходимо контролируемо изменять энергию гамма-кванта (D Е). Наиболее просто это сделать с помощью эффекта Доплера, возникающего при перемещении источника излучения относительно поглотителя со скоростью v:

Реклама



DE= v/с •Е, где с — скорость света.

Из зависимости относительной интенсивности прошедшего через поглотитель излучения от скорости получают мёссбауэровский спектр. Вид мёссбауэровского спектра (число линий, их относительная и абсолютная интенсивность, ширина и форма, сдвиг центра тяжести в шкале скоростей, расстояние между линиями) зависит как от выбранного нуклида, его химические соединения, так и от внешних условий (температуры, давления, внешних электрических и магнитных полей, наличия сверхтонких взаимодействий и характера движения).

Эффект Мёссбауэра наблюдался на 103 нуклидах 42 элементов (рис. 2).

таблица менделееваВеличина наблюдаемого эффекта Мёссбауэра обычно сильно уменьшается с ростом Е и температуры. Поэтому практически нереально использование радионуклидов с Е>200 кэВ, даже при Т4,2 К. Однако многие нуклиды, например 57Fe, 119Sn, 151Eu и т.д., входящие в состав руд и минералов, обнаруживают эффект Мёссбауэра даже при Т>=500 К.

Мёссбауэровская спектроскопия применяется в геологии для фазового анализа руд и минералов и как экспрессный неразрушающий аналитический метод, обладающий абсолютной избирательностью: при выбранном радионуклиде в источнике излучения, в поглотителе анализируется химическое соединение только этого нуклида. Наиболее распространены исследования железо- и оловосодержащих руд и минералов, однако нет принципиальных трудностей для применения Мёссбауэровской спектроскопии к изучению природных соединений золота, редкоземельных элементов, актиноидов и других элементов. На принципе измерения площади характерных спектральных линий (площади спектральных линий пропорциональны содержанию соответствующих фаз) разработаны и внедрены в промышленность приборы для экспрессного (в течение нескольких минут) неразрушающего определения концентрации касситерита в пробах в условиях поиска и оконтуривания месторождения олова, в условиях его естественного залегания и на обогатительных фабриках (приборы автономны и их масса не превышает 5 кг). Чувствительность приборов — тысячные доли массового процента SnO2.

На основе Мёссбауэровской спектроскопия созданы также приборы для изучения фазового состава железосодержащих руд и минералов и исследовано несколько тысяч индивидуальных соединений, спектры которых могут быть использованы при анализе сложных природных систем. Мёссбауэровская спектроскопия применяется в геохронологии (используется зависимость некоторых параметров мёссбауэровских спектров природных минералов, содержащих железо, от истории их образования). Наибольшее количество исследований проведено на глауконитах, биотитах и флогопитах, т.е. на основных породообразующих минералах. Исследование соединений железа и их эволюции в осадках термальных вод и в кераионовом материале скважин выявило новые возможности Мёссбауэровской спектроскопии для решения некоторых задач сейсмогеохимии, практической и поисковой геологии.