Мёссбауэровская спектроскопия

(a. Mossbauer spectrorometry; н. Mossbauer- Spektrographie; ф. spectroscopie а effet Mossbauer; и. espectroscopia de Mossbauer) — метод исследования электронноядерных взаимодействий и атомно-молекулярной динамики в твёрдых телах. M. c. основана на использовании явления испускания и поглощения гамма-квантов атомными ядрами в твёрдых телах, не сопровождающегося изменением колебательного состояния твёрдого тела (явление открыто в 1958 нем. физиком P. Мёссбауэром и названо эффектом Мёссбауэра).

Благодаря эффекту Мёссбауэра спектры излучения и поглощения гамма-квантов ядрами в твёрдых телах при определённых условиях могут состоять из сверхузких линий c естеств. шириной за счёт теплового движения ядер и не смещённых по энергии за счёт отдачи ядер при излучении и поглощении гамма-квантов. Разл. хим. соединения данного элемента, используемые в качестве источников излучения (радионуклидов) или поглотителей (нуклидов), имеют свой характерный спектр излучения или поглощения соответственно. Изучая эти спектры, можно судить o хим. составе и структуре исследуемого вещества (рис. 1).

Рис. 1. Мёссбауэровские спектры поглощения тетрагалогенидов олова (источник излучений 119SnO2, d 1, 2, 3, 4 — химические сдвиги относительно 119SnO2, D — квадрупольное расщепление).

B M. c. обычно используются радионуклиды c 10^-6 > τ > 10^-10 c, 10 кэB < E < <200 кэB и 10^-10 > Г/E₀ >10^-14, где τ — время жизни ядра — источника излучения на "мёссбауэровском" энергетич. уровне, E — энергия ядерного перехода (энергия гамма-кванта), Г = ħ/τ (2πħ — постоянная Планка) — ширина спектральной линии на половине её высоты. Для экспериментального наблюдения спектров необходимо иметь пары одинаковых нуклидов — один в возбуждённом состоянии (источник излучения); другой в осн. состоянии (поглотитель излучения) и осуществить резонансное поглощение гамма-квантов. Нуклид в поглотителе может входить в его состав в качестве компонента или примеси. Если пропускать пучок гамма-квантов от источника излучения через поглотитель, то для получения спектра (эффекта резонансного поглощения) необходимо контролируемо изменять энергию гамма-кванта (∆E). Наиболее просто это сделать c помощью эффекта Доплера, возникающего при перемещении источника излучения относительно поглотителя co скоростью v:

∆E= v/c *·E, где c — скорость света.

Из зависимости относит. интенсивности прошедшего через поглотитель излучения от скорости получают мёссбауэровский спектр. Вид мёссбауэровского спектра (число линий, их относит. и абс. интенсивности, ширина и форма, сдвиг центра тяжести в шкале скоростей, расстояние между линиями) зависит как от выбранного нуклида, его хим. соединения, так и от внеш. условий (темп-ры, давления, внеш. электрич. и магнитных полей, наличия сверхтонких взаимодействий и характера движения).

Эффект Мёссбауэра наблюдался на 103 нуклидах 42 элементов (рис. 2).

Рис. 2. Таблица Д. И. Менделеева c указанием элементов, на которых наблюдался эффект Мёссбауэра, и элементов, на которых возможно его наблюдение.

Величина наблюдаемого эффекта Мёссбауэра обычно сильно уменьшается c ростом E и темп-ры. Поэтому практически нереально использование радионуклидов c E>200 кэB, даже при T≤4,2 K. Однако многие нуклиды, напр. ⁵⁷Fe, ¹¹⁹Sn, ¹⁵¹Eu и т.д., входящие в состав руд и минералов, обнаруживают эффект Мёссбауэра даже при T≥500 K.

M. c. применяется в геологии для фазового анализа руд и минералов и как экспрессный неразрушающий аналитич. метод, обладающий абс. избирательностью: при выбранном радионуклиде в источнике излучения, в поглотителе анализируется хим. соединение только этого нуклида. Наиболее распространены исследования железо- и оловосодержащих руд и минералов, однако нет принципиальных трудностей для применения M. c. к изучению природных соединений золота, редкоземельных элементов, актиноидов и др. элементов. Ha принципе измерения площади характерных спектральных линий (площади спектральных линий пропорциональны содержанию соответствующих фаз) разработаны и внедрены в пром-сть приборы для экспрессного (в течение нескольких минут) неразрушающего определения концентрации касситерита в пробах в условиях поиска и оконтуривания м-ния олова, в условиях его естеств. залегания и на обогатит. ф-ках (приборы автономны и их масса не превышает 5 кг). Чувствительность приборов — тысячные доли массового процента SnO₂. Ha основе M. c. созданы также приборы для изучения фазового состава железосодержащих руд и минералов и исследовано неск. тысяч индивидуальных соединений, спектры к-рых могут быть использованы при анализе сложных природных систем. M. c. применяется в геохронологии (используется зависимость нек-рых параметров мёссбауэровских спектров природных минералов, содержащих железо, от истории их образования). Наибольшее количество исследований проведено на глауконитах, биотитах и флогопитах, т.e. на осн. породообразующих минералах. Исследование соединений железа и их эволюции в осадках термальных вод и в кер-новом материале скважин выявило новые возможности M. c. для решения нек-рых задач сейсмогеохимии, практич. и поисковой геологии.

Литература: Химические применения мессбауэровской спектроскопии, пер. c англ., M., 1970; Гамма-резонансные методы и приборы для фазового анализа минерального сырья, M., 1974; Мессбауэровская спектроскопия, пер. c англ., M., 1983; Амирханов X. И., Анохина Л. K., Применение мессбауэровской (гамма-резонансной) спектроскопии в геохронологии и сейсмогеохимии, Махачкала, 1984.

E. P. Макаров.