Энергия ядер квантована. При переходе ядра из возбужденного состояния в основное излучается -квант с энергией . Более возможное значение этой энергии для нескончаемо томного свободного ядра равно разности энергий его основного и возбужденного состояний: . Оборотный процесс соответствует поглощению г-кванта с энергией, близкой к .

При возбуждении совокупность схожих ядер на один и тот же уровень энергия испущенных квантов будет характеризоваться неким разбросом около среднего значения .

Рис 1.13 Схема, иллюстрирующая квантовые переходы с излучением и поглощением электрических квантов (а) и вид линий излучения и поглощения в оптическом (б) и ядерном (в) случаях.

Контур полосы поглощения описывается этим же соотношением, что и контур полосы испускания (Рис. 1.13). Понятно, что эффект резонансного поглощения электрического излучения оптического спектра, когда оптические кванты, испускаемые при переходе электронов возбужденных атомов на нижележащи е электрические уровни, резонансно поглощаются веществом, содержащим атомы такого же самого сорта. Явление статического резонансного поглощения отлично наблюдается, к примеру на парах натрия.

К огорчению, явление резонансного ядерного поглощения на свободных ядрах не наблюдается. Причина состоит в том, что модель томных ядер (атомов), когда энергопотери на отдачу по отношению к невелики, справедлива для оптического резонанса и совсем неприменима для ядерного. Гамма-кванты, излучаемые в ядерных переходах, имеют существенно более высшую энергию – 10-ки и сотки кэВ (по сопоставлению с несколькими десятками эВ для квантов видимой области). При сравнимых значениях времени жизни и, соответственно, близких значениях естественной ширины электрических и ядерных уровней в ядерном случае еще более существенную роль при испускании и поглощении играет энергия отдачи:

где – импульс отдачи ядра равный по модулю импульсу излученного -кванта, m – масса ядра (атома).

Потому в оптическом случае и резонанс на свободных ядрах не наблюдается (см. рис. 1.13 б и в). Рудольф Мессбауэр, изучая поглощение -квантов, излученных изотопом Ir, в кристалле Ir нашел, в противоположность пророчествам традиционной теории, повышение рассеяния -квантов при низких температурах (T≈77K). Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением -квантов ядрами атомов Ir и отдал разъяснение его природы.

В опытах по эффекту Мессбауэра измеряются не сами по для себя полосы испускания (либо поглощения), а кривые резонансного поглощения (мессбауэровские диапазоны). Уникальные внедрения способа ядерного гамма-резонанса в химии и физике твердого тела обоснованы тем, что ширина составляющих мессбауэровский диапазон личных резонансных линий меньше энергий магнитного и электронного взаимодействий ядра с окружающими его электронами. Эффект Мессбауэра – действенный способ исследования широкого круга явлений, влияющих на эти взаимодействия.

Простая схема наблюдения эффекта Мессбауэра в геометрии пропускания включает источник, поглотитель (узкий эталон исследуемого материала) и сенсор г-лучей (рис. 1.14).

Рис. 1.14 Схема мессбауэровского опыта: 1– электродинамический вибратор, задающий разные значения скорости источника; 2 – мессбауэровский источник; 3 – поглотитель, содержащий ядра мессбауэровского изотопа; 4 – сенсор прошедших через поглотитель г-квантов (обычно пропорциональный счетчик либо фотоэлектронный умножитель).

Источник -лучей должен владеть определенными качествами: иметь большой период полураспада ядра, в случае распада которого рождается ядро резонансного изотопа в возбужденном состоянии. Энергия мессбауэровского перехода должна быть относительно малой (чтоб энергия отдачи не превысила энергию, нужную для смещения атома и узла кристаллической решетки ), линия излучения – узенькой (это обеспечивает высочайшее разрешение) и возможность бесфонного излучения – большой. Источник г-квантов в большинстве случаев получают введением мессбауэровского изотопа в железную матрицу средством диффузионного отжига. Материал матрицы должен быть диа- либо парамагнитным (исключается магнитное расщепление ядерных уровней).

В качестве поглотителей употребляют тонкие эталоны в виде фольги либо порошков. При определении нужной толщины эталона необходимо учесть возможность эффекта Мессбауэра (для незапятнанного железа лучшая толщина ~20 мкм). Лучшая толщина является результатом компромисса меж необходимостью работать с узким поглотителем и иметь высочайший эффект поглощения. Для регистрации -квантов, прошедших через эталон, более обширно используются сцинтилляционные и пропорциональные счетчики.

Получение диапазона резонансного поглощения (либо мессбауэровского диапазона) подразумевает изменение критерий резонанса, зачем нужно модулировать энергию -квантов. Применяющийся в текущее время способ модуляции основан на эффекте Доплера (в большинстве случаев задают движение источника г-квантов относительно поглотителя).

Энергия г-кванта за счет эффекта Доплера меняется на величину

где – абсолютное значение скорости движения источника относительно поглотителя; с – скорость света в вакууме; – угол меж направлением движения источника и направление испускания г-квантов.

Так как в опыте угол воспринимает только два значения =0 и , то ∆E = (положительный символ соответствует сближению, а отрицательный – удалению источника от поглотителя).

В отсутствие резонанса, к примеру, когда в поглотителе отсутствует ядро резонансного изотопа либо когда доплеровская скорость очень велика (, что соответствует разрушению резонанса из-за очень огромного конфигурации энергии -кванта), наибольшая часть излучения, испущенного в направлении поглотителя, попадает в расположенный за ним сенсор.

Сигнал от сенсора усиливается, и импульсы от отдельных -квантов регистрируются анализатором. Обычно регистрируют число —квантов за однообразные промежутки времени при разных . В случае резонанса г-кванты поглощаются и переизлучаются поглотителем в случайных направлениях (рис. 1.14). Толика излучения, попадающего в сенсор, при всем этом миниатюризируется.

В мессбауэровском опыте исследуется зависимость интенсивности прошедшего через поглотитель излучения (числа зарегистрированных сенсором импульсов) от относительной скорости источника . Эффект поглощения определяется отношением

где – число г-квантов, зарегистрированных сенсором за определенное время при значении доплеровской скорости (в опыте употребляют дискретный набор скоросте й ); – то же при , когда резонансное поглощение отсутствует. Зависимости и задают вид кривой резонансного поглощения сплавов и соединений железа, лежат в границах ±10 мм/с.

Возможность эффекта Мессбауэра определяется фононным диапазоном кристаллов. В области низких температур () возможность добивается значений, близких к единице, а в области больших () она очень мала. При иных равных критериях возможность бесфонного поглощения и излучения больше в кристаллах с высочайшей температурой Дебая (определяет твердость межатомной связи).

Возможность эффекта определяется диапазоном упругих колебаний атомов в решетке кристалла. Мессбауэровская линия интенсивна, если амплитуда колебаний атомов невелика по сопоставлению с длиной волны г-квантов, т.е. при низких температурах. В данном случае диапазон излучения и поглощения состоит из узенькой резонансной полосы (бесфонные процессы) и широкой составляющие, обусловленной конфигурацией колебательных состояний решетки при излучении и поглощении г-квантов (ширина последней на 6 порядков больше ширины резонансной полосы).

Анизотропия межатомной связи в решетке обусловливает анизотропию амплитуды колебаний атомов и, как следует, различную возможность бесфонного поглощения в разных кристаллографических направлениях. Для монокристаллов, таким макаром могут быть измерены не только лишь усредненные, да и угловые зависимости.

В приближении узкого поглотителя возможность бесфонных переходов пропорциональна площади под кривой резонансного поглощения. Ядерный гамма-резонанс может быть применен для исследования колебательных параметров решетки твердого тела либо примесных атомов в этой решетке. Более комфортным экспериментальным параметром в данном случае является площадь диапазона S, потому что она является интегральной чертой и не находится в зависимости от формы диапазона испускания резонансных квантов и самопоглощения в источнике. Эта площадь сохраняется при расщеплении диапазона на несколько компонент в итоге сверхтонких взаимодействий.

Простой диапазон резонансного поглощения узкого поглотителя представляет собой одиночную линию лоренцевской формы. Интенсивность прошедшего через поглотитель излучения мала в максимуме поглощения. В качестве примера на рис. 1.15 приведены мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.

Рис. 1.15 Мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.

ЭФФЕКТ МЁССБАУЭРА
и его применение в химии

Открытое в 1958 г. немецким физиком Рудольфом Людвигом Мёссбауэром новое явление – резонансное поглощение гамма-квантов атомными ядрами твердых тел без изменения внутренней энергии тела (или без потери части энергии кванта на отдачу ядра в твердом теле) – получило название эффекта Мёссбауэра и привело к созданию совершенно нового направления исследований в науке. Основными областями применения этого эффекта стали физика твердого тела и химия.

Предыстория вопроса

Идейные основы гамма-резонансной спектроскопии начали складываться давно, и на ее развитие, конечно, оказывали влияние фундаментальные представления оптической спектроскопии, в особенности успехи в области так называемой резонансной флуоресценции.
С 1850-х гг. было известно, что некоторые газы, жидкости и твердые тела (например, фтористые соединения) поглощают электромагнитное излучение (обычно видимый свет) и немедленно вновь его излучают (явление получило название флуоресценции). В специальном случае, известном как резонансная флуоресценция, поглощаемое и испускаемое излучения обладают одинаковыми энергией, длиной волны и частотой.
Первые предположения о существовании резонансного рассеяния в атомах появились в работах английского физика Дж.У.Рэлея, а первые эксперименты в этом направлении осуществил известный американский физик-экспериментатор Р.У.Вуд в 1902–1904 гг. Для объяснения резонансного рассеяния он применил механические аналогии.
Явление резонансной флуоресценции было хорошо объяснено пришедшей на смену старым представлениям теорией Н.Бора (квантовая модель атома). Атом, переходящий из возбужденного состояния В в основное состояние А , испускает фотон строго определенной частоты. Когда такой фотон проходит через газ, состоящий из тех же атомов, что и излучатель, он может поглотиться, вызвав переход одного из атомов мишени в состояние В . Через небольшой промежуток времени этот возбужденный атом мишени в свою очередь распадается, испуская фотон той же частоты. Таким образом, первичное и вторичное излучение имеют одинаковую частоту, однако процессы поглощения и последующего испускания фотона независимы, и между падающей и испускаемой волнами не существует определенного фазового соотношения.
Многие стороны явления резонансного излучения были правильно описаны на основе теории Бора и начавшей тогда развиваться квантовой механики. Полное описание процессов испускания, поглощения и резонансной флуоресценции было осуществлено несколько позднее, в конце 1920-х – начале 1930-х гг. немецкими физиками В.Ф.Вайскопфом и Ю.П.Вигнером.
Мысль о том, что энергетические уровни ядер подобны электронным уровням атомов и переходы между ними по постулату Бора сопровождаются излучением или поглощением, впервые прозвучала в работах английского физика Ч.Д.Эллиса в начале 1920-х гг. В конце 1920-х гг. поисками соответствующей ядерной резонансной флуоресценции занялся швейцарский фотохимик Вернер Кун, с 1927 г. работавший в Германии. Он показал, что явления атомной и ядерной резонансной флуоресценции кажутся чрезвычайно сходными, однако между ними есть существенные различия, делающие опыты на ядрах гораздо более сложными.
В результате лишь в 1950 г. ученым удалось наконец впервые осуществить успешный эксперимент на ядрах золота-198 и разобраться в тех препятствиях, которые существовали на этом пути. Окончательно эта проблема была решена лишь Мёссбауэром.

Открытие Мёссбауэра

В чем именно заключалась проблема и как она была решена Мёссбауэром, будет более очевидно, если обратиться к структуре ядра.
Среди множества теоретических построений привлекает к себе внимание стереотип модели атома Бора – «оболочечная» модель атомного ядра М.Гёпперт-Майер и Х.Йенсена, лауреатов Нобелевской премии по физике за 1963 г. Согласно этой модели нуклоны в ядре располагаются на определенных энергетических уровнях, преимущественно парами с антипараллельными спинами (принцип Паули), а переходы между уровнями сопровождаются испусканием или поглощением гамма-квантов. В отличие от электронных уровней состояний атомов или молекул возбужденные состояния ядер живут недолго (порядка характерного «ядерного времени» ~10 –23 с), и, значит, неопределенность в энергии уровней должна быть очень большой в согласии с принципом неопределенности Гейзенберга .
Все это имело бы значение только для ядерной физики, но никак не для структурной органической химии, да, вероятно, и не для химии вообще, если бы не одно важное обстоятельство. А именно: существуют и долгоживущие возбужденные ядра, избыток энергии которых проявляется далеко не так быстро, как при обычных переходах нуклонов из одного состояния в другое. Такие ядра называют изомерами , они имеют те же зарядовые и массовые числа, но другую энергию и другое время жизни. Открыли ядерную изомерию О.Ган (1921) при изучении бета-распада тория-234 и И.В.Курчатов с сотрудниками Л.В.Мысовским и Л.И.Русиновым при наблюдении искусственной радиоактивности ядер брома (1935–1936). Теория ядерной изомерии была разработана К.Ф. фон Вейцзеккером в 1936 г.
Именно время жизни метастабильных состояний ядер (изомеров) играет ключевую роль в формировании спектральных линий гамма-спектроскопии. Согласно тому же принципу неопределенности Гейзенберга неопределенность в энергии уровней, а значит, и естественная ширина спектральной линии должны быть исключительно малыми. В частности, простой подсчет на примере изотопа железа-57 показывает ничтожно малую величину, порядка 5–10 –9 эВ. Именно эта беспрецедентная узость спектральных линий стала причиной неудач всех работ до Мёссбауэра.
Ученый в своей знаменитой работе под названием «Резонансное поглощение -квантов в твердых телах без отдачи» так писал по этому поводу: «Гамма-кванты, испускаемые при переходе ядра из возбужденного состояния в основное, обычно не подходят для того, чтобы перевести то же самое ядро из основного состояния в возбужденное путем обратного процесса резонансного поглощения. Это является следствием потерь энергии на отдачу, которую -квант испытывает в процессе испускания или поглощения из-за того, что он передает импульс отдачи испускающему или поглощающему атому. Эти потери энергии на отдачу столь велики, что линии испускания и поглощения значительно сдвинуты относительно друг друга». В результате резонансное поглощение (или флуоресценция), как он отмечал, у икс-лучей обычно не наблюдается. Для того чтобы сделать резонансное поглощение гамма-квантов наблюдаемым, очевидно, надо искусственно создать такие условия, чтобы линии испускания и поглощения перекрылись.
Так, уже в 1951 г. П.Б.Мун из Бирмингемского университета (Англия) предложил компенсировать отдачу ядер при излучении путем механического перемещения источника при его движении навстречу ядрам приемника. При этом кинетическая энергия движения источника складывается с энергией гамма-кванта, и, следовательно, можно подобрать такую скорость, при которой полностью восстанавливается условие резонанса. Но несколькими годами позже Мёссбауэр для решения этой проблемы неожиданно нашел более простой способ, в котором потеря на отдачу с самого начала предотвращалась. Ученый добился флуоресценции гамма-лучей, используя в качестве их источника атомы радиоактивного изотопа металла иридия-191 .
Иридий – кристаллическое твердое тело, так что излучающие и поглощающие атомы занимают фиксированное положение в кристаллической решетке. Охладив кристаллы жидким азотом, Мёссбауэр с удивлением обнаружил, что флуоресценция заметно увеличилась. Изучая это явление , он установил, что отдельные ядра, испускающие или поглощающие гамма-лучи, передают импульс взаимодействия непосредственно всему кристаллу. Поскольку кристалл по сравнению с ядром гораздо более массивен, то благодаря сильному взаимодействию атомов в твердых телах энергия отдачи передается не отдельному ядру, а превращается в энергию колебаний кристаллической решетки, в результате у излучаемых и поглощаемых фотонов частотный сдвиг не наблюдается. В этом случае линии испускания и поглощения перекрываются, что и позволяет наблюдать резонансное поглощение гамма-квантов.
Это явление, которое Мёссбауэр назвал «упругим ядерным резонансным поглощением гамма-излучения», ныне называется эффектом Мёссбауэра. Как и всякий эффект, возникающий в твердом теле, он зависит от кристаллической структуры вещества, температуры и даже присутствия мельчайших примесей. Ученый также показал, что подавление ядерной отдачи с помощью открытого им явления позволяет генерировать гамма-лучи, длина волны которых постоянна с точностью до одной миллиардной ( = 10 –9 см). На рис. 1 представлена схема его экспериментальной установки.
В действительности полное описание эффекта Мёссбауэра требует привлечения знаний из различных разделов квантовой механики, поэтому в данной статье мы остановились лишь на самых общих положениях его подхода.

В последующих экспериментах (вслед за иридием были изучены другие объекты: 187 Re, 177 Hf, 166 Er, 57 Fe и 67 Zn, в которых также наблюдалось резонансное поглощение без отдачи) Мёссбауэр окончательно подтвердил правильность объяснения наблюденного им эффекта резонансной гамма-флуоресценции без отдачи и в то же время дал основу экспериментальной методики всех последующих исследований этого явления.
Изучая смещения линий испускания и поглощения, можно получить крайне полезную информацию о строении твердых тел. Сдвиги могут быть измерены с помощью мёссбауэровских спектрометров (рис. 2).

Рис. 2. Упрощенная схема мёссбауэровского спектрометра

Источник гамма-квантов с помощью механического или электродинамического устройства приводится в возвратно-поступательное движение со скоростью относительно поглотителя. С помощью детектора гамма-излучения измеряется зависимость от скорости интенсивности потока гамма-квантов, прошедших через поглотитель.
Все эксперименты по наблюдению мёссбауэровских спектров сводятся к наблюдению зависимости поглощения (реже – рассеяния) гамма-квантов в исследуемом образце от скорости движения этого образца относительно источника. Не вдаваясь в подробности устройства различных экспериментальных установок, следует отметить, что классическая схема мёссбауэровского спектрометра включает следующие основные элементы: источник излучения, поглотитель, система движения источника относительно поглотителя и детектор.

Общие применения метода

После опубликования первой статьи Мёссбауэра прошло около года, прежде чем другие лаборатории начали повторять и расширять его опыты. Первые проверочные эксперименты были проведены в США (Лос-Аламосская научная лаборатория и Аргоннская национальная лаборатория). Причем, что интересно, исследования в Лос-Аламосской лаборатории начались с заключения пари между двумя физиками, один из которых не верил в открытие Мёссбауэра, а другой повторил его опыт и таким образом выиграл спор (наблюдали гамму-линию в 67 Zn). Значительный рост публикаций по этой тематике наблюдается после открытия эффекта Мёссбауэра в 57 Fe, осуществленного независимо также в Гарвардском университете, Аргоннской национальной лаборатории и др. Легкость, с которой эффект может наблюдаться в 57 Fe, его огромная величина и его наличие вплоть до температур, превышающих 1000 °С, сделали в результате эту область исследований доступной даже лабораториям с очень скромным оборудованием.
Скоро физики выяснили, что при помощи эффекта Мёссбауэра можно определять времена жизни возбужденных состояний ядер и размеры самих ядер, точные величины магнитных и электрических полей около излучателей-ядер, фононные спектры твердых тел. Для химиков же наиболее важными оказались два параметра – химический сдвиг резонансного сигнала и так называемое квадрупольное расщепление .
В результате в физике твердого тела наибольшее развитие получили исследования с помощью эффекта Мёссбауэра магнитной структуры и магнитных свойств элементов, соединений, особенно сплавов. Особенно ощутимый прогресс в этом направлении был достигнут в работах по редкоземельным элементам. Вторым важнейшим направлением исследований стало изучение динамики кристаллической решетки.
Совершенно по-иному обстояло дело в химии. Как оказалось, при помощи сигналов гамма-резонансной спектроскопии можно делать определенные заключения об электрическом поле в центре атома и решать типичные для химии задачи, связанные с природой химической связи. Мёссбауэровская спектроскопия позволила решить многие вопросы строения химических соединений, она нашла свое применение в химической кинетике и радиационной химии. Этот метод оказался незаменимым при определении структур биологических макромолекул с особенно большой молекулярной массой.
Следует добавить к этому, что гамма-резонансная спектроскопия, как оказалось, имеет невероятно высокую чувствительность (на 5–6 порядков выше, чем в ядерном магнитном резонансе), следовательно, можно понять ажиотаж химиков в начале 1960–1970-х гг. Страсти, правда, немного поутихли, когда химики освоились с обстановкой и выяснили ограничения в применении метода. В частности, В.И.Гольданский в своей книге, посвященной применениям эффекта Мёссбауэра в химии, писал: «Основными объектами приложения эффекта Мёссбауэра в химии, по-видимому, являются элементоорганические соединения и комплексные соединения. В области элементоорганических соединений существенный интерес представляет сопоставление общего характера элементо-углеродных связей, сильно различающегося для переходных металлов и металлов основных групп». Но с тех пор прошло 30 лет, и гамма-резонансная спектроскопия подтвердила свою перспективность использования для самых разных целей и объектов химии.

Химические применения метода

Положение резонансного сигнала зависит от того, в каком электронном окружении находится ядро, испускающее квант. Получение нового типа физической информации об электронном окружении ядер, несомненно, всегда представляло значительный интерес для химии.
Разрешение вопросов природы химической связи и строения химических соединений. Поскольку основные параметры мёссбауэровских спектров – такие, как химические сдвиги и квадрупольные расщепления, – в значительной степени определяются строением валентных электронных оболочек атомов, то первой естественной возможностью химического применения этого эффекта было исследование природы связей этих атомов. При этом наиболее простой подход к задаче состоял в разграничении двух видов связи – ионной и ковалентной – и оценке вклада каждой из них. Но следует заметить, что имеется в виду самый простой подход, т. к. не следует забывать, что само разграничение химических связей на ионные и ковалентные является довольно грубым упрощением, поскольку при этом не учитываются возможности образования, например, донорно-акцепторных связей, связей с участием многоцентровых орбит (в полимерах) и других, обнаруженных за последние десятилетия.
Такой параметр, как химический сдвиг, удается коррелировать со степенью окисления атомов элементов в молекулах исследуемых веществ. Особенно хорошо разработаны корреляционные диаграммы изомерных (химических) сдвигов 57 Fe для соединений железа. Как известно, железо входит составной частью во многие биосистемы, в частности гемопротеины и системы небелковой природы (например, содержащиеся в микроорганизмах). В химии жизненных процессов существенную роль играют окислительно-восстановительные реакции порфириновых комплексов железа, в которых железо также находится в различных валентных состояниях. Биологическая функция данных соединений может быть раскрыта, лишь когда имеются детальные сведения о структуре активного центра и об электронных состояниях железа на разных стадиях биохимических процессов.
Как уже упоминалось выше, важными объектами приложения эффекта Мёссбауэра в химии являются элементоорганические и комплексные соединения. В области элементоорганических соединений существенный интерес представляло сопоставление общего характера элементо-углеродных связей, сильно различающихся для переходных металлов и металлов основных групп (например, работы А.Н.Несмеянова).
Так, с помощью эффекта Мёссбауэра проводились сравнения ацетиленидных комплексов ряда переходных металлов. Особенно успешные исследования осуществлены для циклопентадиенилидов металлов М(С 5 Н 4) 2 , в частности ферроценоподобных «сандвичевых» структур.
Важным приложением этого эффекта является выяснение структуры додекакарбонила железа. Результаты предварительных рентгеноструктурных исследований показывали, что атомы железа локализованы по углам треугольника в этих молекулах. Именно поэтому так долго пришлось согласовывать эти результаты с мёссбауэровскими спектрами додекакарбонила железа, т. к. последние исключали любую симметричную треугольную структуру. Повторные эксперименты одновременно с применением методов рентгеноструктурного анализа и мёссбауэровской спектроскопии показали, что выбор однозначно можно остановить только на линейных структурах.
Особо отметим применение эффекта Мёссбауэра в определении структур биомолекул. В настоящее время структура протеинов определяется почти исключительно методом рентгеновской дифракции на монокристаллах этих белков (см. об этом: Прямые методы в рентгеновской кристаллографии. Химия, 2003, № 4).
Однако этот метод имеет ограничения, связанные с молекулярной массой изучаемых систем. Например, молекулярная масса 150 000 г/моль, которую имеет гамма-иммуноглобулин, – верхний предел для определения структуры методом последовательных изоморфных замещений. Для белков, обладающих большей молекулярной массой (например, каталаза, гемоцианин, вирус табачной мозаики и др.), необходимо использовать другие методы. Именно здесь удачно себя зарекомендовал метод резонансного рассеяния гамма-излучения без отдачи на ядрах 57 Fe. Этот метод использует интерференцию между гамма-излучением, рассеянным на электронных оболочках всех атомов в кристалле и на некоторых ядрах 57 Fe, внедренных в кристалл на определенные позиции в элементарной ячейке (мёссбауэровское рассеяние).
Химическая кинетика и радиационная химия. Наряду с вопросами строения химических соединений эффект Мёссбауэра активно используется в химической кинетике и радиационной химии. Помимо возможностей прямого получения кинетических кривых полностью в одном опыте (по частоте отсчетов при какой-то фиксированной характерной скорости движения) здесь особенно интересны наблюдения нестабильных промежуточных продуктов. При осуществлении реакций в жидкой фазе возникает необходимость останавливать процесс, замораживая смесь для каждого наблюдения мёссбауэровского спектра. В случае же топохимических процессов (особенно для радиационно-топохимических процессов) возможно непрерывное наблюдение изменения мёссбауэровского спектра в ходе реакции.
Несомненно, следует упомянуть также другие достаточно перспективные применения метода мёссбауэровской спектроскопии. Прежде всего данный эффект стал полезным инструментом для решения целого ряда задач физической химии полимеров, в частности проблемы стабилизации полимеров. Его также используют в качестве анализатора в методе меченых атомов. В частности, были проведены эксперименты по изучению метаболизма железа, включающегося в эритроциты млекопитающих и в митохондрии бактерий.

Послесловие

Конечно, метод мёссбауэровской спектроскопии не столь широко применяется в химических исследованиях, как, например, известные методы ЯМР, инфракрасной и масс-спектроскопии. Это связано как с малой доступностью и сложностью оборудования, так и с ограниченностью круга объектов и решаемых задач. Ведь сам эффект наблюдается на ядрах далеко не любых элементов и изотопов9. Однако его применение весьма актуально в сочетании с другими методами исследований, особенно радиоспектроскопией.
В последние годы получили развитие исследования мёссбауэровских спектров при высоких давлениях. Хотя последние сравнительно слабо влияют на электронные оболочки атомов, тем не менее измеряемые в зависимости от давления параметры мёссбауэровских спектров несут новую информацию о взаимодействии ядра с электронным окружением. По сравнению с другими методами мёссбауэровская спектроскопия в исследованиях при высоких давлениях отличается даже большей чувствительностью к изменениям энергии.

ЛИТЕРАТУРА

R.L. Rckstossfreie Kernresonanzabsorption von Gammastrahlung. Nobelvortrag 11 Dezember 1961. Le Prix Nobel en 1961. Stockholm: Impremerie Royale P.A.Norstedt & Sner, 1962,
S. 136–155;
Гольданский В.И . Эффект Мёссбауэра. М.: Изд-во АН СССР, 1963;
Мёссбауэр Р.Л. Резонансное ядерное поглощение -квантов в твердых телах без отдачи. Успехи физических наук, 1960, т. 72, вып. 4, с. 658–671.

МЁССБАУЭР Рудольф Людвиг (р. 31.I.1929) родился в Мюнхене (Германия) в семье фототехника Людвига Мёссбауэра и его жены Эрны, урожденной Эрнст. Получив первоначальное среднее образование в одной из мюнхенских окраинных школ (район Пасинга), затем поступил в гимназию, которую закончил в 1948 г.
Затем один год Мёссбауэр работал в оптической фирме и далее, подав документы на физическое отделение Высшей технической школы в Мюнхене (ныне Технический университет), в 1949 г. был зачислен в студенты. В 1952 г. он получил степень бакалавра, в 1955 г. – закончил магистратуру, в 1958 г. после защиты диссертации получил степень доктора философии.
Во время выполнения дипломной работы в 1953–1954 гг. молодой человек работал преподавателем математики в Математическом институте в Alma Mater . По окончании учебы с 1955 по 1957 г. был ассистентом в Институте физики медицинских исследований им. М.Планка в Гейдельберге, а в 1959 г. стал ассистентом Технического университета в Мюнхене.
Докторская диссертация, в которой был открыт эффект, носящий его имя, выполнялась ученым под руководством известного мюнхенского физика Х.Майер-Лейбница.
Вначале результаты, полученные Мёссбауэром, большинством ученых не поддерживались и подверглись сомнению. Однако через год, признав потенциальную важность этого эффекта, некоторые из его оппонентов своими экспериментальными исследованиями полностью подтвердили их состоятельность. Вскоре важность открытия была признана всеми физиками, «эффект Мёссбауэра» стал сенсацией, и десятки ученых различных лабораторий мира начали работать в этой области.
В 1961 г. Мёссбауэр получил Нобелевскую премию по физике «за исследование резонансного поглощения гамма-излучения и открытие в этой связи эффекта, носящего его имя».
Мёссбауэр должен был стать профессором Технического университета в Мюнхене, но, разочаровавшись в бюрократических и авторитарных принципах организационных структур немецких университетов, он, взяв в 1960 г. творческий отпуск в Гейдельберге, по научному гранту уехал в США в Калифорнийский технологический институт. В следующем же году он получил там звание профессора.
В 1964 г. ученый вернулся на родину и возглавил физический факультет Технического университета в Мюнхене, преобразовав его по типу организационных структур американских университетов. Некоторые ученые в шутку называли это изменение в структуре немецкого академического образования «вторым эффектом Мёссбауэра». Работал он в университете до 1971 г.
В 1972–1977 гг. Мёссбауэр возглавлял Институт Макса Лауэ-Поля Ланжевена в Гренобле (Франция). В 1977 г. он возвратился в Аlma Mater , где продолжил работать профессором физики и одновременно научным руководителем института, специально созданного для разработки проблем в области мёссбауэровской спектроскопии и мёссбауэрографии. В 1980–1990-е гг. возглавлял проект Мёссбауэра–Парака–Хоппе по изучению дифракции мёссбауэровских гамма-квантов на биологических объектах (мёссбауэрография белка).
В 1957 г. ученый женился на Элизабет Притц, дизайнере. У супругов – один сын и две дочери.
Мёссбауэр является членом Американского, Европейского и Немецкого физических обществ, Индийской академии наук и Американской академии наук и искусств. Ученый удостоен почетных докторских степеней Оксфордского, Лестерского и Гренобльского университетов.
Кроме Нобелевской премии Мёссбауэр имеет награду за научные достижения Американской исследовательской корпорации (1960), медаль Э.Грессона Франклиновского института (1961). Он является также лауреатом премии Рентгена Гисеновского университета (1961).

Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньшей или равной 10 –8 см; обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма-квантов или фотонов.
Один из способов описания квантово-механических явлений; указывает, как быстро изменяются во времени те или иные параметры, характеризующие состояние системы (применительно к данному случаю, например, ширина спектральной линии).
Следует заметить, что молодой ученый с трудом получил этот изотоп иридия для экспериментов от английских коллег. В Германии было тяжелое, послевоенное время; отсутствовали многие вещества, а также приборы, необходимые для исследований.
Полученные результаты противоречили принятым тогда представлениям о резонансной ядерной флуоресценции, хотя и не вызывали сомнения в их правильности. Не хватало лишь теоретической интерпретации эффекта. Тогда по совету своего научного руководителя Мёссбауэр ознакомился со статьей В.Лэмба (1939) по теории взаимодействия медленных нейтронов с кристаллами. Как оказалось, его теорию можно было удачно применить к наблюдаемому Мёссбауэром явлению. Парадокс состоял в том, что исследователи, работавшие с нейтронами, прекрасно были знакомы с этой работой Лэмба, но им не приходило в голову приложить ее результаты к изучению гамма-флуоресценции; в то же время те, кто занимались резонансным рассеянием и поглощением гамма-квантов, не обращались к достижениям соседней области ядерной физики. Применив расчеты Лэмба к гамма-лучам, Мёссбауэр смог объяснить свои результаты.
Фонон – квант колебательного движения атомов кристалла.
Изменение энергии ядерного перехода, т. е. энергии поглощаемого образцом гамма-кванта по сравнению с испукаемым, связанное с различием электронного окружения ядер в образце и источнике, называется изомерным, или химическим, сдвигом и измеряется как значение скорости движения источника, при котором наблюдается максимум поглощения гамма-квантов.
Взаимодействие квадрупольного момента ядра (под которым понимается величина, характеризующая отклонение распределения электрического заряда в атомном ядре от сферически симметричного) с неоднородным электрическим полем приводит к расщеплению ядерных уровней, в результате чего в спектрах поглощения наблюдается не одна, а несколько линий. Изучение квадрупольного расщепления позволяет получать информацию об электронных конфигурациях атомов и ионов.
Твердофазные реакции, протекающие локально там же, где образуется твердая фаза продукта.

Статья подготовлена при поддержке бюро переводов «Амира-Диалект». Если вам необходимо осуществить нотариальный перевод, то лучшим решением станет обратиться в бюро переводов «Амира-Диалект». Так как нотариальный перевод требуют ряд консульств для получения визы, то не стоит тратить время в пустую. В бюро переводов «Амира-Диалект» работают только высококвалифицированные специалисты, которые в кратчайшие сроки выполнят заказ любой сложности.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс)
Рубрика (тематическая категория)	Технологии

Мёссбауэра эффект (ЯГР - ядерный гамма резонанс)-испускание или поглощение гамма- квантов атомными ядрами в твердом телœе, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ не сопровождается испусканием или поглощением фононов. Открыт в 1958 ᴦ. Рудольфом Мёссбауэром в ФРГ. Стоит сказать, что для наблюдения эффекта используются низколежащие долгоживущие ядерные уровни с энергией не более 200 кэв и временами жизни . -естественная ширина уровня. Для ядра желœеза энергия -гамма квантов .

Эффект наблюдается для 73 изотопов 41 элемента. Стоит сказать, что для наблюдения резонансного поглощения и получения спектров необходима одинаковость состояний мёссбауэровских атомов в излучателœе и поглотителœе. Настройка в резонанс происходит движением источника или поглотителя со скоростью V . Изменение энергии за счёт эффекта Доплера . Для ядра ширина уровня и рабочие скорости .

В адсорбционном варианте ЯГР источником излучения являются ядра , которые при захвате собственного электрона с К-оболочки превращаются в ядра желœеза в воздужденном состоянии с энергией 136,4 Кэв. Это состояние образует метастабильное состояние с энергией 14,4 кэв, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ используется в мёссбауэровской спектроскопии желœеза. Мёссбауэровские спектры позволяют определить размеры нанокластеров в области 1-10 нм при известной константе анизотропии вещества. На рис показаны суперпарамагнитные мёссбауэровские спектры нанокластеров оксида желœеза при разных температурах измерения. Нанокластеры были получены твердотельной химической реакцией разложения оксалата желœеза при температуре разложения .

Мёссбауэровская спектроскопия – совокупность методов исследования микроскопических объектов ядер, ионов. химических и биологических комплексов в твердых телах.

Наиболее важные применения это сдвиги и сверхтонкие расщепления мёссбауэровских линий связанные с взаимодействием электрических и магнитных моментов ядра с внутрикристаллическими полями вызывающими расщепление ядерных уровней.

Химический (изомерный) сдвиг мёссбауэровской линии наблюдается, когда источник и поглотитель химически не тождественны.

Сдвиг линии испускания и поглощения ,к примеру, при изменении заряда иона и составляет 32 мм/с при точности измерения 0,1 мм/сек. Это позволяет установить корреляцию между величинами и электроотрицательностью ближайших ионов.

Рис Химический изомерный сдвиг мёссбауэровской линии для двух ионов нептуния.

Квадрупольное расщепление ядерных уровней , приводящее к расщеплению линий мёссбауэроского спектра возникает из-за взаимодействия электрического квадрупольного момента ядра с градиентом электрического поля кристалла (при некубической симметрии окружения). Расстояние между расщепленными линиями составляет для ядра со спином 3/2.

где - z -компонета тензора градиента электрического поля (ГЭП) на ядре. -параметр асиметрии тензора ГЭП.

За счёт поляризации собственной электронной оболочки иона содержащего резонансное ядро градиент ГЭП может изменится раз, и даже изменит знак. .

Фактор Штерхаймера –антиэкранирующий фактор зависит от химического состояния резонансного иона.

Измерение спектров квадрупольного расщепления дает сведения о структуре и электронных свойствах матрицы твердого тела. К примеру, в спектре поглощения ядер высокотемпературного сверхпроводника (температура сверхпроводящего перехода 72 К ) наблюдается 3 квадрупольных дублета соответствующих ионам Fe замещающим ионы Cu в структурных позициях с различным кислородным окружением. Химические сдвиги для трех позиций Fe одинаковы и близки к сдвигу в металлическом желœезе, ᴛ.ᴇ. плотность s -электронов приблизительно одинакова во всœех узлах решетки. Это означает, что валентные электроны для данного сверхпроводника делокализованы по кристаллу.

Магнитное сверхтонкое расщепление ядерных уровней и мёссбауэровских линий вызывается взаимодействием магнитного момента ядра и магнитного поля в месте расположения ядра. Энергия магнитного сверхтонкого взаимодействия пропорциональна произведению ядерного магнитного момента на локальное магнитное, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ принято называть сверхтонким магнитным полем. Это взаимодействие расщепляет ядерное состояние на 2I+1 зеемановские подуровни расстояние между которыми равно (I -спин ядра). Число компонент сверхтонкой структуры в мёссбауэровском спектре равно числу -переходов между зеемановскими подуровнями возбужденного и основного состояний ядра, разрешенных правилом отбора по магнитному квантовому числу. Для магнитного дипольного -перехода между состояниями () в мёссбауэровском спектре наблюдаются 6 компонент магнитной сверхтонкой структуры.

Сверхтонкая структура линий мёссбауэровского спектра в парамагнениках

Приведен спектр примесных ионов желœеза в нитрате алюминия состоящий из спектров трех крамерсовых дублетов, на которые расщепляется основное состояние иона желœеза Fe 3+

Заключение. Мёссбауэровская спектроскопия позволяет в одном эксперименте определить вероятности эффекта Мёссбауэра, величину температурного смещения,химического сдвига. Квадрупольного и магнитного расщеплений,формы линий отдельных компонент. Это сочетается с возможностью влиять на мёссбауэровские спектры температурой, давлением, магнитным и электрическим полями, ультразвуком и радиочастотным излучением. Возможность исследовать объекты размером от одного тмоносоя до массивного образца делает мёссбауэровскую спектроскопию уникальным методом анализа физических и химических свойств твердых тел.

Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс) - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Мёссбауэра эффект (ядерный гамма резонанс)" 2017, 2018.

то же, что Мессбауэра эффект.

Смотреть значение Ядерный Гамма-резонанс в других словарях

Гамма — ж. итал. нотная азбука, лестница, скала в музыке, ряд, порядок звуков. | Таблица нот, с означением аппликатуры.
Толковый словарь Даля

Гамма — гаммы. Третья буква греческого алфавита. - лучи, гамма-лучей, ед. нет (физ.) - то же, что рентгеновские.
Толковый словарь Ушакова

Резонанс — м. франц. зык, гул, рай, отзвук, отгул, гул, отдача, наголосок; звучность голоса, по местности, по размерам комнаты; звучность, звонкость музыкального орудия, по устройству........
Толковый словарь Даля

Ядерный — ядерная, ядерное (спец.). 1. Прил. к ядро в 1 и 5 знач. сок. вес. 2. Прил., по знач. связанное с атомным ядром или с ядром клетки (физ., биол.). Ядерная физика. Ядерная структура бацилл.
Толковый словарь Ушакова

Гамма- — 1. Первая часть сложных слов, вносящая значение: связанный с электромагнитным излучением, испускаемым радиоактивными веществами (гамма-лучи, гамма-спектрометр, гамма-терапия и т.п.).
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-глобулин М. — 1. Один из белков плазмы крови, содержащий антитела и применяемый как лечебно-профилактический препарат при некоторых инфекционных заболеваниях.
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-излучение Ср. — 1. Коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое радиоактивными веществами.
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-квант М. — 1. Квант гамма-излучения.
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-лучи Мн. — 1. То же, что: гамма-излучение.
Толковый словарь Ефремовой

Гамма-установка Ж. — 1. Аппарат для применения направленного, регулируемого пучка гамма-излучения.
Толковый словарь Ефремовой

Резонанс М. — 1. Возбуждение колебаний одного тела колебаниями другого той же частоты, а также ответное звучание одного из двух тел, настроенных в унисон. 2. Способность усиливать........
Толковый словарь Ефремовой

Гамма- — Первая часть сложных слов. Вносит зн.: связанный с электромагнитным излучением (гамма-излучением), испускаемым радиоактивным веществами. Гамма-анализ, гамма-вспышка,........
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-астрономия — } -и; ж. Раздел астрономии, связанный с исследованиями космических тел по их гамма-излучению.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-всплеск — } -а; м. Кратковременное усиление космического гамма-излучения. Наблюдать гамма-всплески.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-глобулин — } -а; м. Один из белков плазмы крови, содержащий антитела (применяется как лечебно-профилактический препарат при некоторых инфекционных заболеваниях).
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-дефектоскопия — } -и; ж. Метод проверки материалов и изделий, основанный на измерении поглощения гамма-лучей, испускаемых радиоактивными изотопами металлов (применяется для обнаружения скрытых дефектов).
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-излучение — -я; ср. Физ. Коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое радиоактивными веществами. Г. радия.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-квант — -а; м. Квант гамма-излучения. Поток гамма-квантов. Поглощение гамма-квантов атомными ядрами.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-лазер — -а; м. Генератор индукционного гамма-излучения; газер. Создать г.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-лучи — } -е́й; мн. Физ. = Га́мма-излуче́ние.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-плотномер — } -а; м. Прибор для измерения плотности вещества с помощью гамма-излучения.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-поле — } -я; ср.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-спектрометр — } -а; м. Прибор для измерения энергии (энергетического спектра) гамма-излучения.
Толковый словарь Кузнецова

Гамма-спектроскопия — } -и; ж. Раздел ядерной физики, связанный с изучением спектров гамма-излучения и различных свойств возбуждённых состояний атомных ядер.
Толковый словарь Кузнецова