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.