Физика ядра и ионизирующего излучения Взаимодействие ионизирующего фотонного излучения с веществом. Эффект Мессбауэра

1. Физика ядра и ионизирующего излучения Взаимодействие ионизирующего фотонного излучения с веществом. Эффект Мессбауэра

Учреждение образования
«Международный государственный экологический университет им. А.Д. Сахарова»
Факультет мониторинга окружающей среды
Физика ядра и ионизирующего
излучения
Взаимодействие ионизирующего
фотонного излучения с веществом.
Эффект Мессбауэра
Специальность 1-100 01 01
«Ядерная и радиационная безопасность» 2020-2021 уч. г.

2.

3.

4. Резонансное поглощение фотонов в оптическом диапазоне

Резонансное поглощение фотонов
в оптическом диапазоне
- довольно известное явление.
Флуоресце́нция,
или
флюоресценция
—
физический процесс, разновидность люминисценции.
Флуоресценция
излучательный
переход
возбуждённого
состояния
с
самого
нижнего cинглетного колебательного уровня S1 в
основное состояние S0.
Типичное время жизни такого
состояния составляет 10−11−10−6 с.
возбуждённого

5.

Согласно
представлениям
квантовой
химии,
электроны
в
атомах
расположены
на энергетических уровнях. Расстояние между
энергетическими уровнями в молекуле зависит от её
строения. При облучении вещества светом возможен
переход
электронов
между
различными
энергетическими уровнями. Разница энергии между
энергетическими уровнями и частота колебаний
поглощённого света соотносятся между собой
уравнением (II постулат Бора):
E2 - E1 = h\ν
После поглощения света часть полученной системой
энергии расходуется в результате релаксации. Часть же
может быть испущена в виде фотона определённой
энергии.

6.

7. Резонансное поглощение γ-лучей

Резонансную оптическую флуоресценцию, которая
характеризуется
испусканием
поглощённой
световой энергии в виде излучения той же частоты,
продемонстрировал в 1904г. Р.Вуд.
Особенно широко известна именно исследованная им
резонансная флуоресценция жёлтого дублета Na.
В 1929 г. В.Кун предположил и осуществил попытку
наблюдения резонансного поглощения гамма-лучей как
аналога оптической флуоресценции в ядерной физике.
Попытки обнаружения резонансного поглощения гаммаквантов в опытах с неподвижными источником и
поглотителем излучения не увенчались успехом.

8. Резонансное поглощение γ-лучей

Однако работа Куна ценна тем, что в ней этот
швейцарский
физико-химик
постарался
проанализировать причины своей неудачи, выделив
три основных источника ослабления поглощения:
тепловое уширение изначально узкой линии ядерного
перехода;
дополнительное уширение в связи с возможной
отдачей при испускании β-частиц;
существенное смещение линии из-за большой
энергии отдачи при излучении γ-фотонов с
комментарием:

9. Комментарий

Третий вклад, уменьшающий поглощение, возникает
в связи с процессом испускания γ-луча. Излучающий
атом будет испытывать отдачу, обусловленную
испусканием γ -луча.
Длина
волны
излучения,
таким
образом,
испытывает красное смещение;
линия испускания смещается относительно линии
поглощения…
Возможно, поэтому, что из-за значительного гаммасмещения вся линия испускания покидает область
линии поглощения…

10. Исследования

Впервые описывал экспериментальное наблюдение
эффекта в 1950-1951 гг. британский физик Ф.Б. Мун.
Идея эксперимента заключалась в том, чтобы
198Au
разместить
источник
γ-излучения
на ультрацентрифуге, тем самым обеспечивая
компенсацию
энергии
отдачи
доплеровским
смещением спектральной линии.
Считая наблюдаемый эффект резонансным ядерным
рассеянием гамма-квантов, он описал резонансную
ядерную флуоресценцию.

11. Исследования

Примерно
в
это
же
время
шведский
учёный К.Мальмфурс исследовал поглощение гаммаквантов в той же комбинации 198Au и 198Hg, пытаясь
добиться увеличения поглощения за счёт теплового
уширения линий нагреванием золота в пламени
паяльной лампы.
Действительно,
количество
отсчётов
немного
возросло, и Мальмфурс сообщил в своей статье:
…Условие резонансного эффекта выполняется в тех
случаях, когда направленная в сторону поглотителя
компонента
тепловой
скорости
[источника],
направленная в сторону рассеивающего вещества
(ртути), компенсирует отдачу ядра…

12. Исследования

В
1953
г.
студенту-дипломнику
Рудольфу
Мёссбауэру
дали магистерской диссертационной
работы:
«Продолжение исследований температурно-зависимого
поглощения гамма-излучения, начатых Мальмфурсом с
использованием 191Os и, в качестве дополнительной
задачи, определение в то время не известной величины
энергии бета-распада осмия-191.
После защиты Мёссбауэром магистерской диссертации
Майер-Лейбниц предложил продолжить работу по этой
теме, готовя диссертацию доктора философии (PhD)
в
Гейдельбергском
Институте
медицинских
исследований Общества Макса Планка

13. Исследования

Несмотря на настойчивые указания научного
руководителя следовать методу Мальмфурса и
искать перекрытия линий испускания и поглощения в
области высоких температур, Мёссбауэр проявил
самостоятельность,
рассчитав,
что
удобнее,
напротив, сконструировать криостат для охлаждения
образцов до температуры жидкого азота.
При
этом
он
ожидал
наблюдать
такую
температурную
зависимость
поглощения,
при
которой перекрытие линий становится слабее, а
скорость
счёта
гамма-квантов
излучения, прошедшего через поглотитель, должна
возрастать.

14. Мёссбауэр

Получив обратный результат, то есть усиление
резонансной ядерной гамма-флуоресценции, он
тщательно обдумал результат.
В
результате
Мёссбауэр
понял,
что
использовавшаяся
полуклассическая
концепция
излучающих и поглощающих ядер как свободных
частиц
для
твердых
тел
не
подходит:
в кристаллах атомы сильно связаны друг с
другом
и
характеризуются
существенно
квантовым поведением.

15. Природа эффекта

При
испускании
или
поглощении
γ-кванта,
согласно закону сохранения импульса, свободное
ядро массы M получает импульс отдачи p = E0/c и
соответствующую
этому
импульсу
энергию
отдачи R = p2/(2M).
На эту же величину оказывается меньше по
сравнению с разностью энергий между ядерными
уровнями E0 энергия испущенного γ-кванта, а
резонансное поглощение наблюдается для фотонов с
энергией, равной E0 + R.
В итоге, для одинаковых ядер линии испускания и
поглощения разнесены на величину 2R и условие
резонанса может быть выполнено только в случае
совмещения этих линий, либо их частичного
перекрытия.

16. Природа эффекта

В газах энергию отдачи получает одно излучающее
ядро массы M, тогда как в твердых телах помимо
процессов,
когда
за
счёт
энергии
отдачи
возбуждаются фононы, при определённых условиях
смещение только одного атома или небольшой группы
атомов становится маловероятным, и импульс отдачи
может испытать весь кристалл целиком.
Масса кристалла, содержащего огромное число
атомов, на много порядков больше массы ядра, а
значит и величина R становится пренебрежимо малой.
В процессах испускания и поглощения гамма-квантов
без отдачи энергии фотонов равны с точностью
до естественной ширины спектральной линии.

17. Схема распада ядра Со-57 в мёссбауэровский изотоп Fe-57 через электронный захват. Ширина распада возбуждённого состояния ядра

Схема распада ядра Со-57 в мёссбауэровский
изотоп Fe-57 через электронный захват. Ширина
распада возбуждённого состояния ядра Fe-57 с
уровнем энергии 14,4 кэВ составляет 6,8⋅10-9 эВ

18. Один из первых мёссбауэровских спектров поглощения иридия-191

Один из первых мёссбауэровских
спектров поглощения иридия-191
Энергия γ-квантов E0 =
129 кэВ.
Спектр получен
Мёссбауэром в 1959 г. с
использованием
радиоактивного
источника осмий-191,
помещённом во
вращающийся криостат.
Источник и поглотитель
находились при
температуре 88 К

19. Магнитное расщепление мёссбауэровского спектра железа-57

20. Суть эффекта Мессбауэра

состоит в испускании и поглощении квантов
электромагнитной энергии (γ-квантов) ядрами в твердом
теле без потери энергии на отдачу.
Дело в том, что атомное ядро, как и атом или ион,
может находиться в основном состоянии, то есть в
состоянии с наименьшей энергией, и в возбужденных
состояниях с более высокой энергией.
Эти
состояния
обозначаются
на
диаграммах
сплошными горизонтальными линиями, как это показано
на слайде, а по вертикали откладываются значения
энергии.
Энергия основного состояния при этом принимается
равной нулю.
Энергия первого возбужденного состояния различна у
разных
ядер
и
может
составлять
десятки
3
килоэлектронвольт (1 кэВ = 10 эВ, 1 эВ = 1,6 ⋅ 10−19 Дж).

21. Энергетическая диаграмма и схема внутриядерных переходов

119mSn
11/2__________ 89 кэВ
3/2____________23,8 кэВ
½ _____________ 0
119Sn

22. Суть эффекта Мессбауэра

В возбужденном состоянии ядро может оказаться
либо в результате поглощения γ-кванта, энергия
которого hω равна разности энергий между
возбужденным и основным состояниями ядра, либо
в результате радиоактивного распада.
В первом случае происходит поглощение гаммакванта, во втором – при переходе ядра из
возбужденного
состояния
в
основное
–
происходит его испускание.

23. Явление ядерной изомерии

было открыто в 1921 г. О. Ганном, обнаружившим,
что существуют два радиоактивных вещества,
имеющие одинаковые массовые числа A и
порядковый номер Z, но различающиеся периодом
полураспада.
В дальнейшем было показано, что это было
изомерное состояние 234mPa.
Согласно Вайцзеккеру изомерия ядер встречается
каждый раз, когда момент количества движения
ядра в возбужденном состоянии с низкой энергией
возбуждения отличается от момента количества
движения в любом состоянии, имеющем меньшую
энергию возбуждения на несколько единиц ћ.

24. Явление ядерной изомерии

Изомерное (метастабильное) состояние определили
как возбужденное состояние с измеримым временем
жизни.
По мере совершенствования экспериментальных
методов γ-спектроскопии измеримые периоды
полураспада понизились до 10-12-10-15 с.
Изомерные состояния следует ожидать там, где
оболочечные уровни, близкие друг другу по энергии,
сильно различаются значениями спинов.
Именно в этих областях и находятся так
называемые «острова изомерии».

25. Явление ядерной изомерии

Например, наличие изомера у приведенного выше
изотопа 115In обусловлено тем, что в нем не хватает
одного протона до замкнутой оболочки Z = 50), т. е.
имеется одна протонная «дырка».
В основном состоянии эта дырка в подоболочке 1g9/2,
а в возбужденном - в подоболочке 1p1/2. Такая
ситуация типична.
Острова изомерии расположены непосредственно
перед магическими числами 50, 82 и 126 со
стороны меньших Z и N.

26. Явление ядерной изомерии

Так, изомерные состояния наблюдаются в ядрах 86Rb
(N = 49), 131Te (N = 79, что близко к 82), 199Hg (Z = 80,
что близко к 82) и т. д.
Наряду с рассмотренными, существуют и другие
причины появления изомерных состояний.
В настоящее время обнаружено большое число
изомеров,
имеющих
период
полураспада
от
нескольких секунд до 3·106 лет (210mBi).
Многие изотопы имеют несколько изомерных
состояний.

27. Открытие Мессбауэра

Изомерами называются атомные ядра, имеющие
одинаковое число нейтронов и протонов, но
различные физические свойства, в частности
различные периоды полураспада.
Времена жизни γ-радиоактивных ядер обычно имеют
порядок 10-12–10-17 с.
В некоторых случаях при сочетании высокой степени
запрета с малой энергией γ-перехода могут
наблюдаться γ-радиоактивные ядра с временами
жизни макроскопического порядка (до нескольких
часов, а иногда и больше).
Такие долгоживущие возбужденные состояния ядер
называются изомерами.

28. Изомер 80mBr

Изомер 80mBr

29. Эффект Мёссбауэра

—
это резонансное испускание и поглощение гаммаквантов ядрами без отдачи излучающего и/или
поглощающего ядра, если ядра находятся в
кристаллической решётке.
При этом весь импульс отдачи передаётся всему
кристаллу, масса которого на много порядков больше
массы одного ядра, и поэтому сдвиг частоты гаммакванта в актах излучения и поглощения ничтожен.

30. Эффект Мёссбауэра

Эффект имеет квантовомеханическую природу и
наблюдается
в кристаллических, аморфных и
порошкообразных веществах.
На 2019 год эффект Мёссбауэра наблюдался у
87 изотопов 46 элементов — так называемых
мёссбауэровских изотопов.
За открытие эффекта Рудольф Мёссбауэр в 1961 г.
был удостоен Нобелевской премии по физике.

31. Эффект Мёссбауэра

При испускании или поглощении гамма-кванта,
согласно закону сохранения импульса, свободное
ядро массы M получает импульс отдачи p = E0/c и
соответствующую
этому
импульсу
энергию
отдачи R = p2/(2M).
На эту же величину оказывается меньше по
сравнению с разностью энергий между ядерными
уровнями E0 энергия испущенного гамма-кванта, а
резонансное поглощение наблюдается для фотонов с
энергией, равной E0 + R.
В итоге, для одинаковых ядер линии испускания и
поглощения разнесены на величину 2R и условие
резонанса может быть выполнено только в случае
совмещения этих линий, либо их частичного
перекрытия..

32. Эффект Мёссбауэра

В газах энергию отдачи получает одно излучающее
ядро массы M, тогда как в твёрдых телах помимо
процессов,
когда
за
счёт
энергии
отдачи
возбуждаются фононы, при определённых условиях
смещение только одного атома или небольшой
группы атомов становится маловероятным, и импульс
отдачи может испытать весь кристалл целиком.
Масса кристалла, содержащего огромное число
атомов, на много порядков больше массы ядра, а
значит и величина R становится пренебрежимо
малой.
В процессах испускания и поглощения гамма-квантов
без отдачи энергии фотонов равны с точностью
до естественной ширины спектральной линии.

33. Эффект Мёссбауэра

В
2000
году
в
журнале
Hyperfine
Interactions[1]
Мёссбауэр
привёл
образную
интерпретацию эффекта:
Ситуация … напоминает человека, прицельно
бросающего камень из лодки.
Бо́льшую часть энергии согласно закону сохранения
импульса получает лёгкий камень, но небольшая
часть энергии броска переходит в кинетическую
энергию получающей отдачу лодки.
Летом
лодка
просто
приобретёт
некоторое количество движения, соответствующее
отдаче, и отплывёт в направлении, противоположном
направлению броска.

34. Эффект Мёссбауэра

Однако зимой, когда озеро замерзнет, лодку будет
удерживать лёд, и практически вся энергия броска
будет передана камню, лодке (вместе с замерзшим
озером и его берегами) достанется ничтожная доля
энергии броска.
Таким образом, отдача будет передаваться не одной
только лодке, а целому озеру, и бросок будет
производиться «без отдачи».
Если человек натренирован так, что всегда
затрачивает на бросок одинаковую энергию, и в
цель, расположенную на удалении, он сможет
попасть, стоя на том же расстоянии от неё на
твёрдом грунте, то при броске камня с лодки отдача
будет приводить к «недобросу».

35. Эффект Мёссбауэра

Тепловое
уширение
в
этом
представлении
соответствует
волнению
на
озере,
которое
увеличивает разброс прицельно бросаемых камней,
а неизбежные собственные невынужденные ошибки
спортсмена
характеризуются
естественным
разбросом или кучностью бросков, аналогичными
естественной
ширине
спектральной
линии
излучения/поглощения
и
времени
жизни
соответствующего ей возбуждённого состояния ядра.

36. Суть эффекта Мессбауэра

Если ядра, испускающие или поглощающие γ-кванты,
находятся в состоянии теплового движения
(жидкость, газ), то при этом в соответствии с
законами сохранения энергии и импульса энергия γквантов будет определяться и состоянием движения
ядер.
Поскольку скорости движения ядер в газе или
жидкости могут быть различными, то и энергии γквантов будут составлять некоторый набор энергий,
в результате чего линия поглощения (излучения)
окажется широкой.
Здесь можно привести аналогию с одинаковыми
откатными орудиями, движущимися с различными
скоростями; очевидно, что кинетическая энергия
снарядов, выпущенных из них, будет различна.

37. Суть эффекта Мессбауэра

Однако если лафеты орудий упереть в неподвижную
стену, то при прочих равных условиях кинетическая
энергия выпущенных снарядов будет одна и та же
независимо от того, из какого орудия выпущен снаряд.
Аналогично при излучении гамма-кванта ядра,
сравнительно
жестко
закрепленные
в
узлах
кристаллической решетки твердого тела, должны
испускать (поглощать) кванты практически одной и той
же энергии.
При этом линия излучения (поглощения) становится
очень узкой, ее ширина в отдельных измерениях при
низких температурах становится практически равной
естественной ширине линии.

38. Суть эффекта Мессбауэра

Именно поэтому эффект Мёссбауэра определяют как
поглощение (излучение) гамма-квантов атомными
ядрами без потери энергии на отдачу (имеется в виду
отдача ядра).
Очень малая ширина линии излучения γ-квантов в
эффекте
Мёссбауэра
была
использована
американскими физиками Паундом и Ребки в 1960
году для экспериментального подтверждения одного
из основных выводов общей теории относительности
А. Эйнштейна – красного смещения частоты
электромагнитного излучения в поле тяжести Земли.
Наиболее широкое применение эффект Мёссбауэра
нашел в физике и химии твердого тела.

39. Динамика испускания фотонов ядрами

Ядро с массой M и импульсом P испускает -квант. Законы
сохранения энергии и импульса в этом случае
P p P ,
E E E Q
Q Mc 2 M c 2 W
где P – импульс ядра отдачи,
E и E – кинетические энергии ядра до и после испускания
фотона с энергией E и импульсом p ,
Q –энергия реакции, равная разности энергий покоя ядра до
и после испускания фотона, когда масса ядра становится
равной M , а
W – энергия перехода.

40. Динамика испускания фотонов ядрами

P P p ,
E E E Q
Q Mc M c E0 E0 W
2
2
W – энергия перехода
Из-за изменения кинетической энергии движения
ядра энергия вылетевшего гамма-кванта E
меньше энергии перехода W
E = W E

41. Энергия отдачи ядра после испускания гамма-кванта

Pp M M 2 E 2 Pp c 2 W
E E E
P
E
2M M 2MM
2E0 E0 E0
p 2
E 2
Pp c 2
2E0 E0
слагаемое WE/E0 может быть отброшено, поскольку
играет роль первой релятивистской поправки
В нерелятивистском приближении E
W2
2E
E
W cos
2E0 E0
где второе слагаемое может рассматриваться как
допплеровский сдвиг фотонной линии, возникший за
счет участия ядра в тепловом движении

42. Эффект Мёссбауэра

Если энергия отдачи Er ядра при испускании
фотона сравнима или превышает полуширину
уровня Г, связанную с его средним временем
жизни соотношением
то фотон, испущенный одним ядром, не может
быть поглощен другим таким же ядром,
находящимся в нижележащем состоянии. Для
того чтобы это произошло, необходимо каким-то
образом компенсировать энергию отдачи.

43. Эффект Мёссбауэра

U(r)
r
Er
В газах и жидкостях этого
сделать невозможно, так как в
газах
атомы
движутся
практически свободно, а в
жидкостях расстояние между
уровнями
в
связанном
состоянии, в котором молекулы
пребывают, как правило, в
течение 10 8 с, расстояние
между уровнями энергии не
превышает энергию отдачи.
Однако, энергия отдачи у ядер,
и, соответственно, атомов может
не
появиться,
если
они
находятся
в
связанном
состоянии с другими атомами на
уровнях,
расстояния
между
которыми больше, чем энергия
отдачи.

44. Эффект Мёссбауэра

Процесс испускания и поглощения фотонов
ядрами в кристалле без изменения его
внутренней энергии называют эффектом
Мёссбауэра (R. Mößbauer, 1958) или ядерным
гамма-резонансом (ЯГР).
Часто считают, что при этом энергию отдачи
принимает на себя весь кристалл, а так как
масса его несравненно больше массы одного
атома то в формуле для энергии отдачи
предлагают считать в этом случае знаменатель
стремящимся к бесконечности.

45. Что на самом деле?

На самом деле формула для энергии
отдачи в этом случае неприменима, так как
в связанной системе не выполняется закон
сохранения импульса, использованный при
ее выводе, а в законе сохранения энергии
необходимо учесть потенциальную энергию
взаимодействия ядер с решеткой
Можно в этом случае считать, что энергия
отдачи, рассчитанная для свободного ядра,
оказывается меньше энергии фононного
перехода в кристалле.

46. Условия наблюдения эффекта Мёссбауэра

Так как распределение по колебательным
уровням атомов в кристалле имеется при
любой температуре, то при любой
температуре в кристалле найдутся атомы,
для которых эффект Мёссбауэра имеет
место.
При охлаждении кристалла число таких
атомов растет.
Поэтому эффект Мёссбауэра лучше
наблюдается на охлажденных кристаллах.

47. Как обнаружить эффект Мёссбауэра

Источник
гаммаквантов
Резонансный
поглотитель
Детектор
гаммаквантов
Источник гамма-квантов может быть
изготовлен из 57Со, который превращается
в 57Fe, находящийся в одном из
возбужденных состояний
Поглотитель изготавливается из 57Fe,
находящемся в основном состоянии

48. Как обнаружить эффект Мёссбауэра

Если детектор просто измеряет скорость
счета (так было в первых опытах
Мёссбауэра), то регистрируются фотоны
всех энергий.
Тогда поглощение тех или иных фотонов
ядрами поглотителя приведет к падению
скорости
счета,
что
может
быть
зарегистрировано
соответствующим
образом.

49. Резонансное поглощение в эффекте Мессбауэра

V = с Г /W
Для перехода в
57Fe с
энергией 136,5 кэВ
V = 0,23 мм/c,
а для перехода с
энергией 14,4 кэВ
V = 0,19 мм/c.

50. Применения эффекта Мёссбауэра

Позволяет измерять энергии фотонов с колоссальной
относительной точностью 10 15 10 17.
Это позволяет
измерить
Изменение энергии фотона в гравитационном поле.
сверхтонкое расщепление ядерных уровней, вызванное
взаимодействием магнитного момента ядра и квадрупольного
электрического момента ядра с полем электронов атома,
Изомерный сдвиг уровней в атоме, обусловленный
изменением радиуса ядра при его переходе в возбужденные
состояния.
Эффект Мёссбауэра широко применяется в физике твердого
тела, в химии, в биологии и медицине, так как небольшие
изменения в конфигурации электронных оболочек можно
обнаружить с помощью ядерного гамма-резонанса.
В настоящее время известны 105 изотопов 45 элементов, для
которых имеет место эффект Мёссбауэра

51. Применения эффекта Мёссбауэра

Свойством,
обусловившим
применение
эффекта
Мессбауэра в качестве метода исследований, является
малая ширина линии излучения, меньшая характерных
значений
энергий
магнитного
дипольного
и
электрического квадрупольного взаимодействий ядра с
электронами оболочки.
Так, например, влияние магнитного поля от электронов
электронной оболочки на ядро, вызывает расщепление
гамма-спектра резонансного поглощения ядрами Fe-57
на 6 спектральных линий, положения этих линий и их
профиль зависят от химического окружения ядра Fe-57
из-за влияния электронных оболочек соседних атомов,
что позволяет устанавливать детали строения молекул и
кристаллических решёток.

52. Применения эффекта Мёссбауэра

Метод ядерного гамма-резонанса (резонансный
структурный анализ) используется в физическом
материаловедении, химии, минералогии и биологии (н
апример, при анализе свойств Fe-содержащих групп
в белках).
Эффект поглощения излучения усиливают путём
обогащения образца мёссбауэровскими изотопами,
повышая, например, содержание 57Fe в пище
подопытных животных.
В минералогии эффект Мёссбауэра применяется
главным образом для определения структурного
положения ионов Fe и определения степени
окисления железа.