Исключительная узость мессбауэровской линии (малая величина естественной ширины ядерного уровня Г) позволяет использовать резонансное поглощение гамма-квантов для изучения очень малых взаимодействий ядра с электрическими и магнитными полями, существующими в кристалле, так называемых сверхтонких взаимодействий. Магнитное сверхтонкое взаимодействие совершенно анало­гично хорошо известному взаимодействию магнита с магнитным полем, которое, в частности, поворачивает стрелку компаса в магнит­ном поле Земли и ориентирует ее в направлении с севера на юг. Атомное ядро в магнитном поле ведет себя как миниатюрный магни­тик, полюса которого, подобно стрелке компаса, стремятся ориен­тироваться по полю. Силу этого своеобразного ядерного магнита характеризуют так называемым магнитным моментом ядра. Чем боль­ше магнитный момент ядра, который обычно обозначают буквой тем сильнее сверхтонкое магнитное взаимодействие ядра с маг­нитным полем. В результате магнитного сверхтонкого взаимо­действия ядерные энергетические уровни расщепляются на под­уровни. Для изотопа железа Fe57 это расщепление изображено на ри­сунке 3.10.

 

Разница в энергиях ближайших подуровней АЕм равна произве­дению напряженности магнитного поля Я, действующего на ядро, на его магнитный момент, т. е. АЕМ = рЯ. Из-за малости ядерных магнитных моментов величина Ем мала и даже в очень сильных А Е магнитных полях отношение не превышает 10~12. Число подуровней, на которое расщепляется ядерный уровень, равно 25 4* 4-1, где 5 — специальная квантовая характеристика ядерного состояния, которая называется спином.

Спином обладают не только атомные ядра, но и электроны, про­тоны и другие частицы микромира. Физический смысл этой величины весьма прост. Спин характеризует внутреннее вращательное дви­жение частицы (в нашем случае ядра). Хорошо известным аналогом спина является вращение волчка вокруг своей оси. Однако враща­тельное движение волчка не дискретно (волчок можно закрутить с любым числом оборотов в секунду), внутреннее же вращательное движение в ядре дискретно, или, как говорят, квантованно. Вслед­ствие этого спин 5 может быть равным только целому или полуце- лому числу (в том числе и нулю). Продолжая сравнение с волчком, можно сказать, что 5 = 0 соответствует отсутствию вращения, а отличные от нуля значения спина соответствуют вращению волчка с чем большим числом оборотов в секунду, чем больше 5.

Расщепление ядерных уровней в магнитном поле приводит к усложнению вида мессбауэровского спектра по сравнению соспек- чром, изображенном на рисунке 3.5, б. Вместо одной резонансной энергии Е появляется несколько значений энергий. Величины этих резонансных энергий в точности равны разности энергий отдельных подуровней возбужденного и основного состояний ядра (рис. 3.10). Поэтому в спектре наблюдается не одна линия, а целый набор, как говорят, наблюдается сверхтонкое магнитное расщепление мессбауэ- ровской линии (рис. 3.10). Проследим, как возникает магнитное сверхтонкое расщепление в спектре, на примере поглотителя, содержащего мессбауэровский изотоп железа Fe57. На рисунке 3.9 изображено расщепление в магнитном поле возбужденного и невозбужденного состояний мессбауэровского изотопа железа Fe67

 

 

Рис. 3.10. Магнитное свс'рхтонкое расщепление основного и первого возбуж­денного состояния Fe07. Указаны шесть возможных переходов между под­уровнями (вверху) и приведен спектр поглощения (внизу) для FeF3, в котором отчетливо видны шесть минимумов. Поскольку ДЕм << Е, линии, изобра­жающие энергии Е + Ем, даны с разрывом, так как размер рисунка не по­зволяет изобразить их в масштабе.

В невозбужденном состоянии Fe57 имеет спин, равный 1/2, а в возбужденном — 3/2, поэтому невозбужденное состояние рас­щепляется в магнитном поле на два, а возбужденное— на четыре подуровня. Каждый минимум в спектре (рис. 3.10) соответствует резонансному поглощению гамма-квантов, сопровождаемому пе­реходом мессбауэровских ядер с вполне определенного подуровня основного ядерного состояния на определенный подуровень воз­бужденного состояния. Эти переходы на рисунке отмечены стрел­ками. Разница в энергиях (расстояние) между ближайшими под­уровнями основного состояния равна \i0Hyа та же величина для возбужденного состояния р'Я, где p0> И*" — магнитные моменты основного и возбужденного состояния, aU— магнитное поле, действующее на ядро. Отсюда понятно, что разность резонансных энергий для переходов между различными подуровнями основного и возбужденного состояний ядра, т. е. расстояние между минимумами в мессбауэровском спектре (рис. 3.10), просто выражается через Ро Н и р'Я. Поэтому из мессбауэровского эксперимента можно непо­средственно найти величины \х0Н и р'Я. Далее, если известно маг­нитное поле Я, по данным эксперимента вычислить магнитные мо­менты ядра р0 и р/. Однако, как правило, ядерные магнитные мо­менты основного и возбужденного состояний мессбауэровского ядра хорошо известны и мессбауэровские спектры используют для нахождения магнитного поля. Как показали исследования, во мно­гих соединениях на атомные ядра действуют очень сильные магнит­ные поля, около 500 ООО э. Это существенно больше, чем те постоян­ные магнитные поля, которые в настоящее время умеют получать в лабораториях. Изучение магнитных полей, существующих в кри­сталле, их зависимости от температуры представляет большой инте­рес для физики твердого тела. Величина напряженности магнит­ных полей в кристалле связана с характером распределения и взаимодействия электронов в кристалле. Информация же о рас­пределении и взаимодействии электронов в твердом теле очень важна, поскольку этими величинами определяются многие свойства твердых тел.

Электрическое сверхтонкое взаимодействие, которое называют квадрупольным, аналогично магнитному. Только в этом случае речь идет о взаимодействии атомного ядра с неоднородным в про­странстве электрическим полем, т. е. полем, напряженность кото­рого изменяется от точки к точке в кристалле. Оно, так же как маг­нитное сверхтонкое взаимодействие, приводит к расщеплению ядер­ных уровней на подуровни.

Например, в случае ядер Fe57электрическое сверхтонкое вза­имодействие расщепляет возбужденное состояние на два подуров­ня, а основное состояние остается нерасщепленным. Поэтому мессбауэровский спектр для Fe67в случае электрического сверхтон­кого взаимодействия представляет собой дублет, т. е. состоит из двух минимумов. Каждый из минимумов в спектре соответствует резонансному поглощению гамма-квантов с переходом ядра из ос­новного состояния на один из подуровней возбужденного состояния. Расстояние между компонентами дублета A£q(величина расщепления возбужденного уровня) зависит от ха­рактера изменения электрического поля в месте расположения ядра.

Таким образом, электрическое сверхтонкое расщепление мес- сбауэровских спектров можно использовать для изучения электри­ческих полей в кристаллах. Электрические же поля в кристалле, как вы знаете, определяются распределением электронов в нем. Значит, и в этом случае по мессбауэровскому спектру и его измене­нию, например с температурой, можно судить о распределении электронов и изменении этого распределения с температурой. Срав­нивая спектры для различных кристаллов, можно получать инфор­мацию об отличиях электронного распределения в различных кри­сталлических структурах.

 

 

 

Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top