Мёссба уэра эффе кт, резонансное поглощение g -квантов , наблюдаемое, когда источник и поглотитель g -излучения - твёрдые тела, а энергия g -квантов невелика (~ 150 кэв). Иногда Мёссбауэра эффект называется резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР).

В 1958 Р. Мёссбауэр обнаружил, что для ядер, входящих в состав твёрдых тел, при малых энергиях g -переходов может происходить испускание и поглощение g -квантов без потери энергии на отдачу. В спектрах испускания и поглощения наблюдаются несмещенные линии с энергией, в точности равной энергии g -перехода, причём ширины этих линий равны (или весьма близки) естественной ширине G . В этом случае линии испускания и поглощения перекрываются, что позволяет наблюдать резонансное поглощение g -квантов.

Это явление, получившее наименование Мёссбауэра эффекта, обусловлено коллективным характером движения в твёрдом теле. Благодаря сильному взаимодействию в твёрдых телах энергия отдачи передаётся не отдельному ядру, а превращается в энергию колебаний кристаллической решётки, иными словами, отдача приводит к рождению фононов. Но если энергия отдачи (рассчитанная на одно ядро) меньше средней энергии фонона, характерной для данного , то отдача не каждый раз будет приводить к рождению фонона. В таких «бесфононных» случаях отдача не изменяет . Кинетическая же энергия, которую приобретает в целом, воспринимая импульс отдачи g -кванта, пренебрежимо мала. Передача импульса в этом случае не будет сопровождаться передачей энергии, а поэтому положение линий испускания и поглощения будет точно соответствовать энергии E перехода.

Вероятность такого процесса достигает нескольких десятков %, если энергия g -перехода достаточно мала; практически Мёссбауэра эффект наблюдается только при D E » 150 кэв (с увеличением E вероятность рождения фононов при отдаче растет). Вероятность Мёссбауэра эффекта сильно зависит также от . Часто для наблюдения Мёссбауэра эффекта необходимо охлаждать источник g -квантов и поглотитель до жидкого или жидкого , однако для g -переходов очень низких энергий (например, E = 14,4 кэв для g -перехода ядра 57 Fe или 23,8 кэв для g -перехода ядра 119 Sn) Мёссбауэра эффект можно наблюдать вплоть до , превышающих 1000 °С. При прочих равных условиях вероятность Мёссбауэра эффекта тем больше, чем сильнее взаимодействие в твёрдом теле, т. е. чем больше энергия фононов. Поэтому вероятность Мёссбауэра эффекта тем выше, чем больше .

Существенным свойством резонансного поглощения без отдачи, превратившим Мёссбауэра эффект из лабораторного эксперимента в важный метод исследования, является чрезвычайно малая ширина линии. Отношение ширины линии к энергии g -кванта при Мёссбауэра эффекта составляет, например, для ядер 57 Fe величину » 3´ 10 -13 , а для ядер 67 Zn » 5,2´ 10 -16 . Такие ширины линий не достигнуты даже в газовом , являющемся источником самых узких линий в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитных волн. С помощью Мёссбауэра эффекта оказалось возможным наблюдать процессы, в которых энергия g -кванта на чрезвычайно малую величину (»G или даже небольших долей G ) отличается от энергии перехода ядер поглотителя. Такие изменения энергии приводят к смещению линий испускания и поглощения друг относительно друга, что влечёт за собой изменение величины резонансного поглощения, которое может быть измерено.

Возможности методов, основанных на использовании Мёссбауэра эффекта, хорошо иллюстрирует эксперимент, в котором удалось измерить в лабораторных условиях предсказанное относительности теорией изменение частоты кванта электромагнитного излучения в гравитационное поле Земли. В этом эксперименте (Р. Паунда и Г. Ребки, США, 1959) источник g -излучения был расположен на высоте 22,5 м над поглотителем. Соответствующее изменение гравитационного потенциала должно было привести к относительному изменению энергии g -кванта на величину 2,5´ 10 -15 . Сдвиг линий испускания и поглощения оказался в соответствии с теорией.

Под влиянием внутренних электрических и магнитных полей, действующих на ядра в твёрдых телах (см. ), а также под влиянием внешних факторов ( , внешние магнитные поля) могут происходить смещения и расщепления уровней энергии ядра, а следовательно, изменения энергия перехода. Т. к. величины этих изменений связаны с микроскопической структурой твёрдых тел, изучение смещения линий испускания и поглощения даёт возможность получить информацию о строении твёрдых тел. Эти сдвиги могут быть измерены с помощью мёссбауэровских спектрометров (рис. 3 ). Если g -кванты испускаются источником, движущимся со скоростью v относительно поглотителя, то в результате эффекта Доплера энергия g -квантов, падающих на поглотитель, изменяется на величину Ev/c (для ядер, обычно применяемых при наблюдении Мёссбауэра эффекта, изменение энергии E на величину G соответствует значениям скоростей v от 0,2 до 10 мм/сек). Измеряя зависимость величины резонансного поглощения от v (спектр мёссбауэровского резонансного поглощения), находят то значение скорости, при котором линии испускания и поглощения находятся в точном резонансе, т. е. когда поглощение максимально. По величине v определяют смещение D E между линиями испускания и поглощения для неподвижных источника и поглотителя.

На рис. 4 , а показан спектр поглощения, состоящий из одной линии: линии испускания и поглощения не смещены друг относительно друга, т. е. находятся в точном резонансе при v = 0. Форма наблюдаемой линии может быть с достаточной точностью описана лоренцовой кривой (или Брейта - Вигнера формулой) с шириной на половине высоты 2G . Такой спектр наблюдается только в том случае, когда источника и поглотителя химически тождественны и когда на ядра в этих не действуют ни магнитное, ни неоднородное электрическое поля. В большинстве же случаев в спектрах наблюдаются несколько линий (сверхтонкая структура), обусловленных взаимодействием с внеядерными электрическими и магнитными полями. Характеристики сверхтонкой структуры зависят как от свойств ядер в основном и возбуждённом состояниях, так и от особенностей структуры твёрдых тел, в состав которых входят излучающие и поглощающие ядра.

Важнейшими типами взаимодействий с внеядерными полями являются электрическое монопольное, электрическое квадрупольное и магнитное дипольное взаимодействия. Электрическое монопольное взаимодействие представляет собой взаимодействие ядра с электростатическим полем, создаваемым в области ядра окружающими его ; оно приводит к возникновению в спектре поглощения сдвига линии d (рис. 4 , б), если источник и поглотитель химически не тождественны или если распределение электрического заряда в ядре неодинаково в основном и возбуждённом состояниях (см. ). Этот т. н. изомерный или химический сдвиг пропорционален в области ядра, и его величина является важной характеристикой в твёрдых телах (см. ). По величине этого сдвига можно судить об ионном и ковалентном характере , об в , об , входящих в состав , и т.д. Исследование химических сдвигов позволяет также получать сведения о распределении заряда в .

Важной для физики твёрдого тела характеристикой Мёссбауэра эффекта является также его вероятность. Измерение вероятности Мёссбауэра эффекта и её зависимости от атомов изотопов 41 элемента; самым лёгким среди них является 40 K, самым тяжёлым - 243 At.

Лит.: Эффект Мессбауэра. Сб. ст., под ред. Ю. Кагана, М., 1962; Мёссбауэр Р., Эффект RK и его значение для точных измерений, в сборнике: Наука и человечество, М., 1962; Фрауэнфельдер Г., Эффект Мёссбауэра, пер. с англ., М., 1964; Вертхейм Г., Эффект Мёссбауэра, пер. с англ., М., 1966; В. С., Резонанс гамма-лучей в , М., 1969; Химические применения , пер. с англ., под ред. В. И. Гольданского [и др.], М., 1970; Эффект Мессбауэра. Сб. переводов статей, под ред. Н. А. Бургова и В. В. Скляревского, пер. с англ., нем., М., 1969.

Н. Н. Делягин.

Рис. 3. Упрощённая схема мёссбауэровского спектрометра; источник g -квантов с помощью механического или электродинамического устройства приводится в возвратно-поступательное движение со скоростью v относительно поглотителя. С помощью детектора g -излучения измеряется зависимость от скорости v интенсивности потока g -квантов, прошедших через поглотитель.

Рис. 4. Спектры мессбауэровского резонансного поглощения g -квантов: I - интенсивность потока g -квантов, прошедших через поглотитель, v - скорость движения источника g -квантов; а - одиночные линии испускания и поглощения, не смещенные друг относительно друга при v = 0; б - изомерный или химический сдвиг линии. Сдвиг d пропорционален в области ядра и меняется в зависимости от особенностей в твёрдом теле; в - квадрупольный дублет, наблюдаемый для 57 Fe, 119 Sn, 125 Te и др. Величина расщепления D пропорциональна градиенту электрического поля в области ядра: г - магнитная сверхтонкая структура, наблюдаемая в спектрах поглощения для магнитоупорядоченных материалов. Расстояние между компонентами структуры пропорционально напряжённости магнитного поля, действующего на ядра в твёрдом теле.

Рис. 1. Схематическое изображение процессов излучения и резонансного поглощения g -квантов; излучающее и поглощающее ядра одинаковы, поэтому энергии их возбуждённых состояний E" и E"" равны.

Рис. 2. Смещение линий испускания и поглощения относительно энергии E g -перехода; Г - ширины линий.

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).

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.

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.

Энергия ядер квантована. При переходе ядра из возбужденного состояния в основное излучается -квант с энергией . Наиболее вероятное значение этой энергии для бесконечно тяжелого свободного ядра равно разности энергий его основного и возбужденного состояний: . Обратный процесс соответствует поглощению г-кванта с энергией, близкой к .

При возбуждении совокупности одинаковых ядер на один и тот же уровень энергия испущенных квантов будет характеризоваться некоторым разбросом около среднего значения .

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

Контур линии поглощения описывается тем же соотношением, что и контур линии испускания (Рис. 1.13). Понятно, что эффект резонансного поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона, когда оптические кванты, испускаемые при переходе электронов возбужденных атомов на нижележащие электронные уровни, резонансно поглощаются веществом, содержащим атомы того же самого сорта. Явление статического резонансного поглощения хорошо наблюдается, например на парах натрия.

К сожалению, явление резонансного ядерного поглощения на свободных ядрах не наблюдается. Причина заключается в том, что модель тяжелых ядер (атомов), когда потери энергии на отдачу по отношению к невелики, справедлива для оптического резонанса и совершенно неприменима для ядерного. Гамма-кванты, излучаемые в ядерных переходах, имеют значительно более высокую энергию – десятки и сотни кэВ (по сравнению с несколькими десятками эВ для квантов видимой области). При сопоставимых значениях времени жизни и, соответственно, близких значениях естественной ширины электронных и ядерных уровней в ядерном случае гораздо более существенную роль при испускании и поглощении играет энергия отдачи:

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

Поэтому 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 обнаружил, в противоположность предсказаниям классической теории, увеличение рассеяния -квантов при низких температурах (T≈77K). Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением -квантов ядрами атомов Ir и дал объяснение его природы.

В экспериментах по эффекту Мессбауэра измеряются не сами по себе линии испускания (или поглощения), а кривые резонансного поглощения (мессбауэровские спектры). Уникальные применения метода ядерного гамма-резонанса в химии и физике твердого тела обусловлены тем, что ширина составляющих мессбауэровский спектр индивидуальных резонансных линий меньше энергий магнитного и электрического взаимодействий ядра с окружающими его электронами. Эффект Мессбауэра – эффективный метод исследования широкого круга явлений, влияющих на эти взаимодействия.

Простейшая схема наблюдения эффекта Мессбауэра в геометрии пропускания включает источник, поглотитель (тонкий образец исследуемого материала) и детектор г-лучей (рис. 1.14).

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

Источник -лучей должен обладать определенными свойствами: иметь большой период полураспада ядра, в случае распада которого рождается ядро резонансного изотопа в возбужденном состоянии. Энергия мессбауэровского перехода должна быть относительно малой (чтобы энергия отдачи не превысила энергию, необходимую для смещения атома и узла кристаллической решетки), линия излучения – узкой (это обеспечивает высокое разрешение) и вероятность бесфонного излучения – большой. Источник г-квантов чаще всего получают введением мессбауэровского изотопа в металлическую матрицу посредством диффузионного отжига. Материал матрицы должен быть диа- или парамагнитным (исключается магнитное расщепление ядерных уровней).

В качестве поглотителей используют тонкие образцы в виде фольги или порошков. При определении необходимой толщины образца нужно учитывать вероятность эффекта Мессбауэра (для чистого железа оптимальная толщина ~20 мкм). Оптимальная толщина является результатом компромисса между необходимостью работать с тонким поглотителем и иметь высокий эффект поглощения. Для регистрации -квантов, прошедших через образец, наиболее широко применяются сцинтилляционные и пропорциональные счетчики.

Получение спектра резонансного поглощения (или мессбауэровского спектра) предполагает изменение условий резонанса, для чего необходимо модулировать энергию -квантов. Применяющийся в настоящее время метод модуляции основан на эффекте Доплера (чаще всего задают движение источника г-квантов относительно поглотителя).

Энергия г-кванта за счет эффекта Доплера изменяется на величину

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

Поскольку в эксперименте угол принимает только два значения =0 и , то ∆E = (положительный знак соответствует сближению, а отрицательный – удалению источника от поглотителя).

В отсутствие резонанса, например, когда в поглотителе отсутствует ядро резонансного изотопа или когда доплеровская скорость очень велика (, что соответствует разрушению резонанса из-за слишком большого изменения энергии -кванта), максимальная часть излучения, испущенного в направлении поглотителя, попадает в расположенный за ним детектор. Сигнал от детектора усиливается, и импульсы от отдельных -квантов регистрируются анализатором. Обычно регистрируют число -квантов за одинаковые промежутки времени при различных . В случае резонанса г-кванты поглощаются и переизлучаются поглотителем в произвольных направлениях (рис. 1.14). Доля излучения, попадающего в детектор, при этом уменьшается.

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

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

Вероятность эффекта Мессбауэра определяется фононным спектром кристаллов. В области низких температур () вероятность достигает значений, близких к единице, а в области высоких () она очень мала. При прочих равных условиях вероятность бесфонного поглощения и излучения больше в кристаллах с высокой температурой Дебая (определяет жесткость межатомной связи).

Вероятность эффекта определяется спектром упругих колебаний атомов в решетке кристалла. Мессбауэровская линия интенсивна, если амплитуда колебаний атомов невелика по сравнению с длиной волны г-квантов, т.е. при низких температурах. В этом случае спектр излучения и поглощения состоит из узкой резонансной линии (бесфонные процессы) и широкой компоненты, обусловленной изменением колебательных состояний решетки при излучении и поглощении г-квантов (ширина последней на шесть порядков больше ширины резонансной линии).

Анизотропия межатомной связи в решетке обусловливает анизотропию амплитуды колебаний атомов и, следовательно, различную вероятность бесфонного поглощения в различных кристаллографических направлениях. Для монокристаллов, таким образом могут быть измерены не только усредненные, но и угловые зависимости.

В приближении тонкого поглотителя вероятность бесфонных переходов пропорциональна площади под кривой резонансного поглощения.

Ядерный гамма-резонанс может быть использован для изучения колебательных свойств решетки твердого тела или примесных атомов в этой решетке. Наиболее удобным экспериментальным параметром в этом случае является площадь спектра S, так как она является интегральной характеристикой и не зависит от формы спектра испускания резонансных квантов и самопоглощения в источнике. Эта площадь сохраняется при расщеплении спектра на несколько компонент в результате сверхтонких взаимодействий.

Простейший спектр резонансного поглощения тонкого поглотителя представляет собой одиночную линию лоренцевской формы. Интенсивность прошедшего через поглотитель излучения минимальна в максимуме поглощения.

В качестве примера на рис. 1.15 приведены мессбауэровские спектры чистого железа.

Рис. 1.15 Мессбауэровские спектры чистого железа.

Cтраница 1

Ядерный гамма-резонанс (ЯГР) - излучение или поглощение гамма-квантов твердым телом без рождения в нем фононов - не относится к числу магнитных резонансов.  

Ядерный гамма-резонанс (эффект Мессбауэра) позволяет получать ценную информацию о строении электронных оболочек атомов, содержащих мессбауэровские ядра. Существенным недостатком метода является ограниченность числа элементов, практически доступных для исследования. В настоящей работе сделана попытка преодолеть это ограничение, используя результаты мессбауэровских измерений на ядрах Sn119 и Sb121 атомов олова и сурьмы, входящих в состав соединений, а также на ядрах Fe57 примесных атомов железа в качестве критерия применимости различных подходов при теоретическом расчете эффективных зарядов атомов в соединениях рассматриваемого типа.  

Спектроскопия ядерного гамма-резонанса (мессбауэровская спектроскопия) позволяет обнаружить слабые возмущения энергетических уровней ядер железа окружающими электронами. Этот эффект представляет собой явление испускания или поглощения мягкого v-излучения без отдачи ядер. Интересующий нас ядерный переход с энергией 14 36 кэВ - происходит между состояниями / 3 / 2 и / 1 / 2 мессбауэровского изотопа 57Fe, где / - ядерное спиновое квантовое число. Для белка с молекулярным весом 50 000, который связывает 1 атом железа на молекулу, и в отсутствие изотопного обогащения это соответствует весу образца 2 5 г. Рассматриваемые здесь многоядерные белки содержат гораздо больше железа и вполне подходят для исследования методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии. Широко исследуются четыре возможных типа взаимодействия между ядром 57Fe и его электронным окружением: изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление, ядерные магнитные сверхтонкие взаимодействия, ядерные зеемановские взаимодействия.  

Суть ядерного гамма-резонанса, или так называемого эффекта Мессбауэра, состоит в том, что у кванты испущенные при переходе возбужденного ядра в основное состояние, могут равновесно поглощаться невозбужденными ядрами с переходом последних в возбужденное состояние. Аналогичное явление хорошо известно в обычной оптике; существенно лишь то, что при сравнительно большом импульсе у-квантов следовало бы ожидать сильной отдачи как у испускающего; так и у поглощающего ядра и тем самым невозможности резонансного поглощения из-за эффекта Допплера. Мессбауэр показал, что по крайней мере в значительной доле случаев отдачу принимает на себя кристалл (или тяжелая молекула) как жесткое целое, и явлением отдачи при этом, естественно, можно пренебречь.  

Явление ядерного гамма-резонанса на атомных ядрах заключается в резком возрастании вероятности поглощения или рассеяния у-кван-тов с энергией, соответствующей возбуждению ядерных переходов.  

Исследование с помощью ядерного гамма-резонанса показало, что изучаемые частицы железа не окислены.  

Методом рентгеноструктурного анализа и ядерного гамма-резонанса было установлено, что данное изменение кристаллической структуры не связано с изменением концентрации углерода в твердом растворе, а обусловлено обратимыми переходами атомов внедрения (углерода) из октаэдрических междоузлий к радиационным дефектам. Для таких переходов не требуется диффузии углерода на значительные расстояния - она совершается в пределах элементарной ячейки. Повышенная концентрация точечных дефектов, созданных облучением в кристаллической решетке мартенсита, стимулирует переходы атомов внедрения с одних позиций на другие, энергетически более выгодные при данных температурах.  

Нами были проведены наблюдения ядерного гамма-резонанса в образцах различных массивных многокомпонентных оловосодержащих стекол и стекловолокнах того же химического состава. Составы стекол приведены в таблице.  

Нами было проведено изучение ядерного гамма-резонанса в комплексных соединениях железа с анионами 4-бутироил - и 4-бензоил - 1 2 3-три-азола. Спектры получены на спектрометре ЯГР механического типа, источник Со57 в хроме.  

Обработка экспериментальных данных по ядерному гамма-резонансу возможна только в том случае, если проведена калибровка ЯГР спектрометра по скоростям и определены положения линий поглощения каких-либо веществ, выбранных в виде стандарта. Обычно в качестве стандарта используют вещества, которые могут быть достаточно легко изготовлены и воспроизведены в идентичных условиях. Они должны быть стабильны, должны иметь достаточно большую величину вероятности поглощения - у-квантов без потери энергии на отдачу, их мессбауэровские спектры должны представлять собой узкую линию, характеризующуюся малым температурным сдвигом.  

Хотя квадруполыюе расщепление усложняет вид спектров ядерного гамма-резонанса (ЯГР) (рис. 111 6), но оно помогает вывести ряд важных заключений о структуре и симметрии исследуемых соединений. Это соединение (служившее поглотителем) было синтезировано с применением изотопа 1291 - долгоживущего продукта реакции деления. Сложный вид спектра обусловлен как квадрупольным расщеплением, так и тем, что иод находится в этом соединении в двух различных позициях.  

Нами было предпринято систематическое исследование методом ядерного гамма-резонанса (ЯГР) соединений олова с элементами пятой и шестой групп, а также халькогенидных полупроводниковых стекол в системе мышьяк - селен - олово с целью получения информации о химической связи и внутренних кристаллических полях в этих соединениях.  

Изучение узких линий проводят с помощью метода ядерного гамма-резонанса, который принято называть мессбауэровской спектроскопией. На рис. 8.14 показана типичная схема экспериментальной установки.  

Метод мессбауэровской спектроскопии, называемой иногда спектроскопией ядерного гамма-резонанса (ЯГР), основан на изучении поглощения у-излучения какого-то ядра-источника ядром того же изотопа, находящимся в исследуемом образце. Условия резонанса соблюдаются только тогда, когда устранен также эффект отдачи ядер при испускании и поглощении у-квантов, а также скомпенсирован каким-то образом эффект Допплера. Метод получил свое развитие именно с того момента, когда это было понято, а еще раньше экспериментально был найден простой и едва ли не единственно возможный путь ликвидации потерь на отдачу.