Title: M
1Mössbouerov efekt
2Uvod
- Na energijskoj skali najpreciznija mjerenja
postižu se upotrebom Mössbauerova efekta. Na toj
osnovi mjerna metoda uvelike se danas
upotrebljava u fizici cvrstog stanja, kemiji i
biologiji. Mössbauerov efekt pociva na
rezonantnom raspršenju gama-zrucenja. Stoga treba
prouciti pojavu rezonantnog raspršenja
elektromagnetskog zracenja na atomskim jezgrama i
prakticke poteškoce zbog tzv. odboja jezgre i
Dopplerovog proširenja koje sprecavaju
jednostavnu i izravnu realizaciju te pojave u
nuklearnom podrucju.
3Uvod
- Rezonantno raspršenje g-zracenja na atomskim
jezgrama - Veoma precizna mjerenja na energetskoj skali
- Komplikacije
- Primjena
4Mössbouerov efekt
- Atomske jezgre, slicno kao i elektroni u
atomskom oblaku, imaju diskretna energijska
stanja. Oznacimo energiju takvog stanja sa Er.
Pobudena energijska stanja nisu beskonacno uska
vec imaju odredenu širinu. Udarni presjek za
raspršenje elektromagnetskog zracenja energije E
na jezgri ima rezonantni oblik
5Udarni presjek za raspršenje (apsorpciju)
elektromagnetskog zracenja energije E na jezgri
- G širina pobudenog stanja
- Gg parcijalna širina za emisiju gama zracenja
- Nuklearna stanja su uska DE10-7eV
- ErMeV
- Rezonantno ponašanje
6Rezonantno raspršenje
- Na energijskoj skali nemamo fenomena užih slanja
od nuklearnih. Ako energiju (frekvenciju)
elektromagnetskog zracenja kontinuirano
mijenjamo, prateca rezonantna pojava porasta
udarnog presjeka predstavlja instrument velike
preciznosti. Na primjer, na skali MeV fenomen
možemo mjeriti uz rezoluciju od 10-7 eV, dakle s
relativnom preciznošcu od 1 u 10-13. Na putu
direktne realizacije, medutim, javljaju nam se
razlicite pojave koje sprecavaju jednostavnu
primjenu ove ideje.
7Problem odboja
- Pri emisiji gama-zracenja jezgra doživljava
odboj, cime se energija koju odnosi gama-kvant
umanjuje u odnosu prema pocetnoj ukupnoj
(rezonantnoj) energiji sistema. Ako je izgubljena
energija odboja znatno veca od širine rezonantnog
fenomena, rezonantni vrh više ne vidimo, pa
nemamo prepoznatljivog etalona. Oznacimo sa P
impuls jezgre po emisiji, a sa p impuls kvanta.
Ako je jezgra na pocetku mirovala, tada je
8Energija odboja i uvjet za rezonantno ponašanje
- Ustvari, i pri ponovnoj apsorpciji jednak se dio
energije gubi na pokretanje jezgre koja
apsorbira. Stoga je za rezonantnu pojavu potrebno
da širina stanja - G gt 2R (3.5)
- Problemi su skicirani na slici 3.1.
- Zasjenjena površina na drugom crtežu slike 3.1
iskazuje vjerojatnost rezonantnog raspršenja uz
pojavu odboja. Primjera radi, jezgra s brojem
nukleona A 100, pri ozracivanju energijom E1
66 keV ima energiju odboja R 0,02 eV. To je
znatno u usporedbi sa širinom linije (10-7 eV). - Prakticki to znaci da ne postoji mogucnost da se
rezonantni efekt ostvari.
9Ilustracija problema odboja
- Slika 3.1.
- Ilustracija problema odboja
- a) Oblik raspodjele intenziteta
emisije/apsorpcije P(E) oko rezonancije. Dok nema
odboja, velika je vjerojatnost da g-zracenje
emitirano iz jedne jezgre bude prihvaceno od
istorodno jezgre. - b) Ukljucenje odboja jezgre u razmatranje
centar krivulje vjerojatnosti emisije pomakao so
u tocku Er-R, a centar krivulje vjerojatnosti
apsorpcije u tocku ErR. Vjerojatnost da
emitirano g-zracenje bude ponovno apsorbirano
mjeri prekrivanje dvaju krivulja (sjencano
podrucje).
10Primjer
- A100
- Eg66keV
- R0.02eV
- G10-7 eV
Treba sprijeciti odboj ako želimo rezonantno
ponašanje!!!
11Uloga Dopplerova efekta
- Do sada nije u razmatranje ukljuceno termicko
gibanje atoma, vec se pretpostavlja da oni i
njihove jezgre miruju. No i to valja uzeti u
obzir. Neka izvor ima impuls Pi prije emisije.
Tada je emisijom gama-kvanta impulsa p kineticka
energija jezgre promjenjena (3.6)
KE jezgre prije emisije
Definiramo Dopplerovu energiju
12Uloga Dopplerova efekta
- Tada je drugi clan u (3.6) uz pokratu (3.8) D
cos f gdje je f kut emisije prema pocetnom
gibanju. Time energija gama-kvanta u prisutnosti
termickog gibanja postaje - Uz maxwellijanski spektar gibanja emitera i kutnu
izotropiju emisije zracenja, proširenje linije je
reda velicine - Pojava Dopplerova proširenja malo povecava
vjerojatnost rezonantne apsorpcije izvan širine
rezonancije, ali bitno umanjuje rezonantni efekt
smanjujuci snažno rezonantni vrh. Za optimalno
korištenje rezonantnog raspršenja trebalo bi,
dakle, istovremeno eliminirati i odboj i smanjiti
Dopplerov efekt.
13Problem
- Pojava Dopplerova proširenja malo povecava
vjerojatnost rezonantne apsorpcije ali bitno
umanjuje rezonantni efekt smanjujuci snažno
rezonantni vrh - Za optimalno korištenja rezonantnog raspršenja
trebalo bi istovremeno eliminirati odboj i
smanjiti Dopplerov efekt
14Mossbauerovo rješenje i skica eksperimentalnog
uredaja
- Mossbauer je eksperimentalno proucavao utjecaj
promjena temperature na rezonantno raspršenje.
Otkrio je da se i odboj jezgre i Dopplerov efekt
kao negativni utjecaji mogu simultano eliminirati
ako su i emiter i apsorber unutar kristalne
rešetke ohladeni na nisku temperaturu.
Kvalitativno efekt možemo ilustrirati slikom 3.2.
15Energijski uvjet za realizaciju Mossbauerova
efekta
- Slika 3.2.
- Energijski uvjet za realizaciju Mossbauerova
efekta. Jezgra koja treba emitirati zracenje
uhvacena je u kristalnoj rešetki. Dopuštena
stanja njezina titranja su kvantizirana. Neka je
razmak medu razlicitim nivoima titranja relativno
velik. Na slici je oznacen viticastom zagradom.
Pretpostavljamo da je odboj pri emisiji R mnogo
manji. Ako je jezgra u osnovnom stanju titranja
(niska temperatura), vjerojatnost da se emisijom
i odbojem jezgre nade u višem stanju je
zanemariva. Jezgra ostaje u istom (osnovnom)
stanju titranja, odboj preuzima cijeli kristal.
16Ideja sheme uredaja za mjerenje
- Neka se jezgra nalazi uhvacena u rešetki.
Vibracijska stanja atoma cija jezgra treba
zraciti kvantizirana su, a razmak nivoa u rešetki
mnogo je veci od energije odboja jezgre R. Ocito
odboj ne može jezgru prebaciti u više stanje.
Jezgra ostaje u istom translacijskom stanju i
njezina individualnog odboja nema jer impuls
preuzima cijeli kristal. U prirodi su ti razmaci
vibracijskih nivoa i do nekoliko stotinki eV.
Ocito je odboj jezgre R za njih dovoljno malen. - Na slici 3.3 su najvažnije komponente uredaja za
izvodenje Mossbauerova mjerenja. Izvor I emitira
gama-kvante koji su kandidati za rezonantnu
apsorpciju. Izvor je smješten na rubu kružnog
profila. Uz izvor je aparatura kriostat, kojim se
izvor hladi na potrebnu temperaturu. Rotacija
izvora oko osi, naznacena strelicom, omogucuje
mijenjanje energije emitiranog kvanta. Kvant
emitiran u smjeru rotacije ima povecanu energiju
proporcionalno brzini rotacije. Obratno, emisijom
kvanta suprotno smjeru rotacije umanjuje se
njegova energija.
17Shematski prikaz Mossbauerova mjerenja
- Slika 3.3.
- Shematski prikaz Mossbauerova mjerenja Izvor I
nalazi se na periferiji kruga kop rotira.
Zracenje kroz otvor štita izlazi i prolazi kroz
apsorber A. Intenzitet zracenja nakon toga mjeri
scintilacijski detektor S. Svjetlosne pulsove u
elektricne prevodi fotomultiplikator FM, a baza
ga B opskrbljuje odgovarajucim naponima. Cijeli
detektorski sistem DSFMfB ponovno je unutar
štita koji bitno reducira vanjsko zracenje.
18Shema eksperimentalnog uredaja
Štit oko izvora
Štit oko detektora
Detektor
Apsorber
Rotirajuci izvor
Detektor SFTB
Štit oko detektora
19Aparatura
- Emitirani kvanti mogu izaci iz oklopa samo kroz
jedan otvor. Na njihovu putu nalazi se apsorber
A. Kao i izvor i apsorber je prikljucen na
kriostat. Intenzitet snopa nakon prolaska kroz
apsorber registrira detektor D. Detektor broji
gama-kvante koji na njega padaju. Sastoji se od
scintilatora S, fotomultiplikatora FM i njegove
baze B. Posebni štitovi sprecavaju emisiju
gama-zracenja iz izvora, osim u opisanom smjeru,
kao i dolazak nekontroliranog zracenja na
detektor. - Upotreba aparature u Mossbauerovu mjerenju može
se ovako sumirati Najprije ohladimo aparaturu na
dovoljno nisku temperaturu. Ustanovimo potom
intenzitet zracenja I dok nema apsorbera. Uložimo
apsorber i promatrajmo smanjenje intenziteta DI
kao funkciju brzine rotacije izvora. Rezultati
jednog takvog mjerenja prikazani su na slici 3.4.
20Atenuacija zracenja Mossbauerovim efektom
- Slika 3.4.
- Atenuacija zracenja Mossbauerovim efektom. Na
osi apscisa je brzina gibanja izvora. Atenuacija
zracenja prolaskom kroz apsorber DI izražena je
u postocima u odnosu prema osnovnom intenzitetu I.
Vidljivo je rezonantno ponašanje atenuacije
Snopa DI kao funkcije brzine izvora. Kako su
izvor i apsorber ista vrsta jezgri, najveca je
apsorpcija kvanata (najniža tocka grafa) u
trenutku kada izvor miruje.
21Primjena Mossbauerova efekta u nuklearnoj fizici
- Povijesno, Mossbauer je najprije primijenio
metodu u mjerenju širine nuklearnih stanja u
iridiju. Iz opisanog primjera uz sliku 3.4 vidi
se kako se dobivaju podaci o obliku rezonantne
linije. Ocito je da se iz tih podataka i pomocu
formula za rezonantno raspršenje i apsorpciju
može odrediti parametre Gg G, parcijalna i
totalna sirina stanja respektivno. Spomenimo
usput da totalna širina zapravo naznacuje ukupnu
vjerojatnost raspada nivoa, dok parcijalna širina
kontrolira samo jedan kanal. - U sretnim okolnostima mogu se odredili spinovi i
magnetski momenti nekih pobudenih stanja jezgre.
Ako jezgra u osnovnom stanju nema spina, a u
pobudenom je stanju spin razlicit od nule i ako
je moguce realizirati jezgru u pobudenom stanju,
mjerenje tece kako je skicirano na slici 3.5.
22Primjena Mossbauerova efekta
- Slika 3.5.
- Primjena Mossbauerova efekta u mjerenju spinova
i magnetskih momenata pobudenih stanja - a) U pocetku jezgra je u pobudenom stanju sa
spinom I i projekcijom spina m. - b) Po uvodenju vanjskoga magnetskog polja
pocetno energijsko stanje je zeemanski
rascijepljeno. Multieiplitet cijepanja i razmaka
nivoa može se mjeriti Mosebauerovom tehnikom.
23Primjena efekta u opažanju izomernog pomaka.
Kemijski efekti.
- Razna jezgrina stanja nemaju isti radijus.
Izomerna stanja jesu pobudena stanja jezgre
kojima je preko spektroskopskih izbornih pravila
veoma produljen život. Mossbauerovim efektom može
se mjeriti fina razlika u interakciji jezgre i
elektronskog omotaca koja potjece od razlicitosti
jezgrinih radijusa u razlicitim stanjima. Pokazat
ce se da se Mossbauerovim efektom mogu pratiti
efekti na elektronske staze izazvani na kemijskom
nivou. Pokušajmo u jednostavnom modelu
procijeniti energijski pomak nuklearnog nivoa
koji dolazi od konacnih dimenzija jezgre. U prvoj
je aproksimaciji potencijal kojeg stvara jezgra
neizmjerno malih dimenzija
24Primjena efekta u opažanju izomernog pomaka.
Kemijski efekti.
- Gustoca vjerojatnosti za nalaženje elektrona na
koordinati r je y(r)2. Preko dimenzija jezgre
koja je smještena u r 0 elektronska gustoca
primjetljivo ne varira, pa je možemo pisati kao
y(0)2. U sljedecem koraku pretpostavimo da je
sav naboj jezgre koncentriran na površini kugle
konacnog radijusa R. Tada je potencijal u
unutrašnjosti.
25Primjena efekta u opažanju izomernog pomaka.
Kemijski efekti.
- Potencijal kugle izvan kugle ne razlikuje se od
onog za tockasti naboj. Stoga korekcija nastaje
samo od razlicitosti doprinosa podrucja r lt R.
Efekt konacnih dimenzija jezgre mice jezgrin
energijski nivo u odnosu prema vrijednosti s
tockastom aproksimacijom za iznos
26Primjena efekta u opažanju izomernog pomaka.
Kemijski efekti.
- Napomena Ukljucivanjem realisticnijeg modela
rasporeda jezgrina naboja dobije se u prethodnom
izrazu drukciji numericki faktor. Korektnije,
kvantnomehanicko tretiranje valnih funkcija za
elektron umjesto faktora R2 dalo bi lt R2 gt, tj.
umjesto kvadrata radijusa pojavila bi se i
usrednjena vrijednost iste fizicke velicine.
Razmotrimo sada prijelaz izmedu dva nuklearna
nivoa radijusa Rb i Ra
27Primjena efekta u opažanju izomernog pomaka.
Kemijski efekti.
- Ukupan fizikalni razmak se sastoji od inherentno
nuklearnog razmaka E0 i razlike koja dolazi od
razlicitih radijusa dvaju jezgrinih slanja.
Problem je, medutim, što originalni razmak E0 ne
znamo i nastojimo uspostaviti takvu mjernu metodu
kojom bi ga izbjegli. Postavimo stoga jezgre
emitera i apsorbera u razlicite kemijske okoline.
Razlicitost okolina uzrokuje razlicitost
elektronskih valnih funkcija na podrucju jezgre.
Pišemo ih sada kao yA za apsorber i yB za emiter.
Mossbauer-melodom registrirat ce se pomak
28Primjena efekta u opažanju izomernog pomaka.
Kemijski efekti.
- Ocito, izomerni pomak za poznate modifikacije
valnih funkcija omogucuje odredivanje razlika u
dimenzijama jezgre i obratno. Povijesno su stvari
tekle ovako Najprije se radilo sa supstancijama
cije su elektronske valne funkcije bile dobni
poznale, tj. mogle su se izracunali. Time su
baždareni nuklearni utjecaji. Danas su li
dijelovi poznali i mjerenja se primjenjuju
prakticki iskljucivo za odredivanje efekata
elektronskih valnih funkcija. Za opažanje efekta
trebaju bili ispunjeni ovi uvjeti - 1. Nuklearna slanja moraju imali razlicite
radijuse - 2. Moraju se izabrali elektronska stanja cije
valne funkcije imaju dobar preklop s jezgrom (na
primjer S-stanja). - 3. Te valne funkcije moraju bili osjetljive na
vanjsku (kemijsku) promjenu. - Zakljucimo ovaj odjeljak konstatacijom da
izomerni pomak izražen matematicki posljednjom
formulom ima golemo podrucje primjene za
eksperimentalno istraživanje efekata elektronskih
valnih funkcija. Uz ostala poznata jezgrina
svojstva fizicari cvrstog stanja, kemicari i
biolozi mjere utjecaj na y(0) u razlicitim
okolinama.
29Opcenito o mogucimprimjenama Mossbauerova efekta
- Glavno obilježje Mossbauerova efekta jest njegova
fantasticna preciznost na energijskoj skali.
Sonda za ispitivanje je atomska jezgra. Atomska
jezgra ima cesto neišcezavajuce staticke
elektromagnetske karakteristike magnetski dipol,
elektricni kvadrupol itd. Postavljanjem takve
sonde u razlicita unutrašnja polja dobivaju se
podaci o svojstvima tih unutrašnjih polja, što
ponovno otvara široke mogucnosti primjena.
30Laboratorijsko opažanjegravitacijskog crvenog
pomaka
- Mossbauerovim efektom demonstriran je utjecaj
gravitacijskog polja na frekvenciju fotona u
laboratorijskim uvjetima na Zemlji. Fotonu možemo
pripisati masu - Foton, dakako, nema mase mirovanja. Ipak, na onu
masu koju pripisujemo fotonu, na osnovi principa
ekvivalencije mase i energije, djeluje
gravitacijsko polje. Ako cesticu mase m pomaknemo
od potencijala 0 na potencijal f, povecala se
potencijalna energija na mf. Ako je rijec o
fotonu, onda je to na racun njegove ukupne
energije. Znaci, imamo li izvor na visini h iz
kojeg padaju fotoni, relativni prirast u energiji
jest - Za h10 ni dobiva se pomak 1 u 1015. Pomak od
gravitacijskih efekata doista je opažen na
temelju takvog pokusa u laboratorijskim uvjetima.
Koristio se upravo Moesbauerov efekt u metodi
registracije malih razlika u frekvenciji fotona
koje nas laju kada izvor dižemo u gravitacijskom
polju.
31Literatura
- H. Frauenfelder, The Mossbauer effect, W.A.
Benjamin Inc., 1963. - L. May, An Introduction to Mossbauer
Spectroscopy, Plenum Press, 1971. - G.K. Wcrthcim, Mossbauer Effect Principles and
Applications, Academic Press, 1964
32Recoil-free emisija ili apsorpcija
Jezgra se nalazi u cvrstoj matrici (kristalu)
koji je pothladen
33Mössbauerov spektar za identicni izvor i apsorber
34Jednostavni spektar - ovisnost relativnog
gibanja izvora
35Shema eksperimentalnog uredaja
Štit oko izvora
Štit oko detektora
Detektor
Apsorber
Rotirajuci izvor
Detektor SFTB
Štit oko detektora
36Raspad 57Co to 57Fe za 14.4 keV Mössbauerovu gama
zraku. Za izotop 57Fe širina linije iznosi
5x10-9eV. U usporedbi s Mössbauerovom energijom
gama zracenja od 14.4 keV dobivamo rezoluciju u
omjeru 11012
37Eksperimentalni uredaj
38Modulacija - Uvjeti
- Izomerski pomak
- Kvadrupolno cijepanje
-
- Magnetsko cijepanje
- Nuklearna stanja moraju imati razlicite radijuse
- Elektronska stanja moraju imati dobaro
prekrivanje s jezgrom (s-stanja) - Valne funkcije moraju biti osjetljive na vanjsku
(kemijsku) promjenu
39Rudolph L. Mössbauer 1957 Nobelova nagrada 1961
Elements of the periodic table which have known
Mössbauer isotopes (shown in red font). Those
which are used the most are shaded with black
40(No Transcript)
41Izomerni pomak
- The isomer shift arises due to the non-zero
volume of the nucleus and the electron charge
density due to s-electrons within it. This leads
to a monopole (Coulomb) interaction, altering the
nuclear energy levels. Any difference in the
s-electron environment between the source and
absorber thus produces a shift in the resonance
energy of the transition. This shifts the whole
spectrum positively or negatively depending upon
the s-electron density, and sets the centroid of
the spectrum. - As the shift cannot be measured directly it is
quoted relative to a known absorber. For example
57Fe Mössbauer spectra will often be quoted
relative to alpha-iron at room temperature. - The isomer shift is useful for determining
valency states, ligand bonding states, electron
shielding and the electron-drawing power of
electronegative groups. For example, the electron
configurations for Fe2 and Fe3 are (3d)6 and
(3d)5 respectively. The ferrous ions have less
s-electrons at the nucleus due to the greater
screening of the d-electrons. Thus ferrous ions
have larger positive isomer shifts than ferric
ions.
42Izomerni pomak
- Z- redni broj,
- e- naboj elektrona,
- R- efektivni radijus nukleona,
- c- brzina svjetlosti,
- Eg- energija Mössbauerovog gama kvanta
- r(0) gustoca (elektronska) stanja oko jezgre za
izvor i apsorber - DR Rpobudeno Rosnovno .
43Kvadrupolno cijepanje
- Nuclei in states with an angular momentum quantum
number Igt1/2 have a non-spherical charge
distribution. This produces a nuclear quadrupole
moment. In the presence of an asymmetrical
electric field (produced by an asymmetric
electronic charge distribution or ligand
arrangement) this splits the nuclear energy
levels. The charge distribution is characterised
by a single quantity called the Electric Field
Gradient (EFG). - In the case of an isotope with a I3/2 excited
state, such as 57Fe or 119Sn, the excited state
is split into two substates mI1/2 and mI3/2. - The magnitude of splitting, D, is related to the
nuclear quadrupole moment, Q, and the principle
component of the EFG, Vzz, by the relation
DeQVzz/2.
44Shema kvadrupolnog cijepanja
45Magnetsko cijepanje
- In the presence of a magnetic field the nuclear
spin moment experiences a dipolar interaction
with the magnetic field ie Zeeman splitting.
There are many sources of magnetic fields that
can be experienced by the nucleus. - This magnetic field splits nuclear levels with a
spin of I into (2I1) substates. Transitions
between the excited state and ground state can
only occur where mI changes by 0 or 1. The line
positions are related to the splitting of the
energy levels, but the line intensities are
related to the angle between the Mössbauer
gamma-ray and the nuclear spin moment.
46Shema magnetskog cijepanja
47Primjena istraživanje Marsa
Download Technical Briefing (152k) Acrobat Reader Required
48Laboratorijsko opažanje gravitacijskog pomaka
- ME/c2 masa fotona
- DE/Emgh/mc2 gh/c2
49Literatura - www
http//www.cmp.liv.ac.uk/techniques_mossbauer.php
http//www.webres.com/mossbauer.html
http//faculty.knox.edu/cschulz/MC3B6ssbauer/in
dex.html http//physics.berea.edu/lahamer/Mossba
uer.html Http//www.mossp2000.com/effect/index.ht
ml
50Literatura - knjige
- Mössbauer Spectroscopy and its Applications, T E
Cranshaw, B W Dale, G O Longworth and C E
Johnson, (Cambridge Univ. Press Cambridge) 1985 - Mössbauer Spectroscopy, D P E Dickson and F J
Berry, (Cambridge Univ. Press Cambridge) 1986 - The Mössbauer Effect, H Frauenfelder, (Benjamin
New York) 1962 - Principles of Mössbauer Spectroscopy, T C Gibb,
(Chapman and Hall London) 1977 - Mössbauer Spectroscopy, N N Greenwood and T C
Gibb, (Chapman and Hall London) 1971 - Chemical Applications of Mössbauer Spectroscopy,
V I Goldanskii and R H Herber ed., (Academic
Press Inc London) 1968 - Mössbauer Spectroscopy Applied to Inorganic
Chemistry Vols. 1-3, G J Long, ed., (Plenum New
York) 1984-1989 - Mössbauer Spectroscopy Applied to Magnetism and
Materials Science Vol. 1, G J Long and F
Grandjean, eds., (Plenum New York) 1993