Mössbauerova spektroskopie Studentský seminář 2011 Petr Synek

Obr. 1 – vyzáření g-částice volným atomem Mössbauerův efekt Objeven Rudolfem Mössbauerem, který jej poprvé pozoroval v roce 1957 a v roce 1961 za něj dostal Nobelovu cenu za fyziku. Základem je absorpce a vyzařování g-záření atomovým jádrem bez zpětného rázu. Hladiny jádra jsou ovlivňovány elektrickým a magnetickým polem. Studiem změn energetických hladin (vlnové délky vyzařovaného nebo absorbovaného g-záření) způsobených elektromagnetickým polem působícím na jádro, lze určovat vlastnosti látek. Komplikace Zpětný ráz Hyperjemná struktura posunu. Zatím co energie g-záření je od několika keV až po TeV tak posun způsobený změnou energiových hladin vlivem elektrických a magnetických polí, je v řádu stovek neV. Obr. 1 – vyzáření g-částice volným atomem

Mössbauerův efekt Jak eliminovat zpětný ráz? Pro atomy vázané v krystalické mřížce je efektivní hmotnost výrazně větší – snížení efektu zpětného rázu Obr. 2 – vyzáření g-částice vázaným atomem Snížením energie g-záření lze zredukovat zpětný ráz Jak detekovat hyperjemné změny v energii g-záření? Posun vlnové délky je v řádu neV což odpovídá frekvenci v řádu MHz. Pokud bychom detektorem pohybovali v rychlostech m/s tak dosáhneme díky Dopplerovu efektu stejného posunu. Obr. 3 – schéma Mössbauerova spektrometru

Pole působící na atomové jádro Isomerový (chemický posuv), je způsoben vlivem poruch elektronového obalu jádra – primárně s orbitalů jelikož ty mají nenulovou pravděpodobnost výskytu v oblasti jádra. Díky stínícímu efektu, ale můžeme pozorovat i změny ve valenčních (vazebných) orbitalech p a d. Kvadrupólový rozpad, se vyskytuje u jader s nesymetrickým rozložením náboje (vnitřní moment hybnosti je větší než ½), při interakci se lektrickým gradientem. Obr. 4 – schéma rozštěpení hladin pro isomerový a kvadrupólový posun

Pole působící na atomové jádro Magnetický rozpad je způsoben interakcí mezi atomovým jádrem a megnetickým polem. Magnetické pole může pocházet jak od elektronového obalu jádra tak může být externí povahy. Obr. 5 – schéma hladin a přechodů při magnetickém rozpadu

Shrnutí Mössbauerova spektroskopie je vhodným nástrojem pro analýzu vzorků které obsahují izotopy aktivních prvků. Lze s ní určovat mocentství, magnetický moment či vazby které atom má. Obr. 6 – prvky použitelné pro Mössbauerovu spektroskopii (červeně) a nejpoužívanější prvky (s černým pozadím)

Literatura Mössbauer Spectroscopy and its Applications, T. E. Cranshaw, B. W. Dale, G. O. Longworth a C. E. Johnson, (Cambridge Univ. Press: Cambridge) 1985 Mössbauer Spectroscopy, D. P. E. Dickson a 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 a T. C. Gibb, (Chapman and Hall: London) 1971 Chemical Applications of Mössbauer Spectroscopy, V. I. Goldanskii a 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 a F. Grandjean, edit., (Plenum: New York) 1993