Файл: стр_193-222___Metody_analiza_i_kontrolya_veshch (1).docx

Вероятность эффекта Мѐссбауэра сильно зависит от температуры (необходимо охлаждать источник γ-квантов и поглотитель до темпера- туры жидкого азота или жидкого гелия). Вероятность эффекта Мѐссбау- эра тем больше, чем сильнее взаимодействие атомов в твѐрдом теле (чем больше энергия фононов) и больше температура Дебая кристалла. Измерение вероятности эффекта Мѐссбауэра и его зависимости от тем- пературы позволяет получить сведения об особенностях взаимодей-

124

ствия атомов в твѐрдых телах и о колебаниях атомов в кристаллической решѐтке. Измерения, в которых используется эффект Мѐссбауэра, отли- чаются высокой избирательностью (в каждом эксперименте резонанс- ное поглощение наблюдается только для ядер одного сорта). Эта осо- бенность метода позволяет эффективно использовать эффект Мѐссбауэ- ра в тех случаях, когда атомы, на ядрах которых он наблюдается, входят в состав твѐрдых тел в виде примесей. Эффект Мѐссбауэра используется для исследования электронных состояний примесных атомов в металлах и полупроводниках и для изучения особенностей колебаний примесных атомов в кристаллах. Вероятность эффекта Мѐссбауэра падает с умень- шением порядкового номера элемента.

Эффект Мѐссбауэра применяется в биологии (например, исследо- вание электронной структуры гемоглобина), в геологической разведке (экспресс-анализ руд), для целей химического анализа. Эффект Мѐс- сбауэра наблюдался для 73-х изотопов 41-го элемента; самым лѐгким среди них является

40 K, самым тяжѐлым –

243 At.

3.8.4. Нейтронная спектроскопия

Нейтронная спектроскопия – совокупность исследований энерге- тической зависимости различных процессов взаимодействия нейтронов с атомными ядрами и свойств образовавшихся возбуждѐнных состояний ядер. Специфическая особенность взаимодействия нейтронов с ядрами связана с отсутствием заряда, отсюда и протекание реакции при низких энергиях нейтронов менее 1 МэВ.

Образующееся после захвата нейтрона высоковозбужденное (резо- нансное) состояние ядра нестабильно (время жизни примерно 10

-15 с):

ядро распадается с испусканием нейтрона (резонансное рассеяние нейтронов) или γ-кванта (радиационный захват). Значительно реже ис- пускаются α-частица или протон. Для некоторых очень тяжѐлых ядер (например, U, Pu) происходит также деление возбуждѐнного ядра на 2–3 осколка.

Нейтронная спектрометрия охватывает исследования зависимости эффективного поперечного сечения взаимодействия нейтронов с атом- ными ядрами от энергии нейтронов. Эффективное поперечное сечение характеризует вероятность перехода системы двух сталкивающихся ча- стиц в результате их рассеяния в определѐнное конечное состояние. Эффективное поперечное сечение σ равно отношению числа dN таких переходов в единицу времени к плотности nv потока рассеиваемых ча- стиц, падающих на мишень (к числу частиц, проходящих в единицу

125

времени через единичную площадку, перпендикулярную к их скорости v):

n dN

, (3.78)

где n – плотность числа падающих частиц. Таким образом, эффективное поперечное сечение имеет размерность площади.

Эффективные сечения измеряются с помощью нейтронного спек- трометра: сцинтилляционного спектрометра нейтронов с кристаллом стильбена и спектрометра нейтронов по времени пролета. Первый ис- пользуют для измерения спектров быстрых нейтронов, второй – для изучения спектра медленных нейтронов. Основными элементами спек- трометра являются источник И моноэнергетических нейтронов с плавно изменяемой энергией и детектор Д нейтронов или вторичного излуче- ния. Полное сечение Г определяется из отношения отсчѐтов нейтронно- го детектора Д с мишенью М, расположенной на пути пучка и вне пучка (рис. 3.64).

Рис. 3.64. Схемы нейтронных спектрометров: а – с моноэнергетическим ис-

точником И; б – с кристаллическим монохроматором на канале ядерного реакто- ра; Д – нейтронный детектор; М – поглощающая или рассеивающая мишень;

К – коллиматор

В области энергии менее 10 эВ в качестве нейтронного источника иногда используются кристаллические нейтронные монохроматоры, ко- торые устанавливаются на канале ядерного реактора и выделяют пучки нейтронов с определѐнной энергией (рис. 3.64, б). Поворачивая кри- сталл, изменяют энергию нейтронов. Для энергии более 30 кэВ обычно используют ускорители, в которых моноэнергетические нейтроны обра- зуются в результате ядерных реакций.

126

Существует прямой метод определения скорости нейтрона путем измерения времени пролета нейтроном определенного пути. Этот метод особенно пригоден в спектрометрии медленных нейтронов. Спектр нейтронов оценивают также с помощью пороговых индикаторов и по- роговых камер деления.

После захвата нейтрона ядро переходит в высоковозбужденное со- стояние, ниже которого обычно расположено множество других состоя- ний. Его распад с испусканием γ-квантов может происходить многими путями через различные промежуточные уровни, что приводит к тому, что полная радиационная ширина для каждого резонанса является усреднѐнной по большому числу путей распада (и, следовательно, мало изменяется от резонанса к резонансу и плавно меняется от ядра к ядру). Полная радиационная ширина при переходе от средних ядер к тяжѐлым изменяется в диапазоне 0,5–0,02 эВ. Спектр γ-лучей распада нейтрон- ных резонансов даѐт информацию о распадающемся состоянии (спин, чѐткость, набор парциальных ширин). Энергии отдельных γ-переходов позволяют определить энергии нижележащих уровней, а интенсивности γ-переходов – спин, чѐтность, природу уровня.

Анализ экспериментальных данных позволяет определять такие характеристики резонанса, как энергия, полная и парциальные ширины, спин и чѐтность резонансных состояний ядер.

Данные нейтронной спектроскопии важны для ядерной физики, ре- акторостроения (сведения о взаимодействии нейтронов с делящимися материалами, а также материалами конструкции и защиты реакторов). Данные нейтронной спектроскопии используются для определения эле- ментного и изотопного состава образцов без их разрушения. В астрофи- зике они необходимы для понимания распространѐнности элементов во Вселенной.

Методы нейтронной спектроскопии нашли применение в исследо- ваниях структуры твѐрдых тел и жидкостей, а также динамики различ- ных процессов (например, колебаний кристаллической решѐтки).

Контрольные вопросы

1. Методы ядерной спектроскопии. 2. На каком явлении основана γ-резонансная спектроскопия? 3. Параметры мессбауэровских спектров. 4. Исследование возбужденных состояний ядер методами нейтронной

спектрометрии. 5. Эффекты сверхтонких взаимодействий. 6. Вероятность эффекта Мессбауэра.

127

7. Мессбауэровская спектроскопия как метод исследования поверхно- стей.

8. Информация, получаемая из спектров α-частиц. 9. Понятие изомерного сдвига. 10. Зная изомерные сдвиги в мессбауэровском спектре, что можно ска-

зать о природе молекул?

3.9. Лазерная спектроскопия

Лазерная спектроскопия – совокупность спектральных методов в видимой и ИК-областях спектра, основанных на применении лазерных источников излучения. Применение монохроматического излучения ла- зеров позволяет стимулировать квантовые переходы, между вполне определѐнными уровнями энергии атомов и молекул.

В зависимости от типа взаимодействия света с исследуемым веще- ством, методы лазерной спектроскопии подразделяют:

на линейные, основанные на одноквантовом линейном взаи- модействии;

нелинейные, основанные на нелинейном одноквантовом или многоквантовом взаимодействии. Наиболее простой нелинейный про- цесс связан с возникновением насыщения населѐнностей уровней энер- гии системы за счѐт вынужденных переходов (для частиц, резонансно взаимодействующих с полем).

Специфические свойства лазерного излучения: монохроматич- ность; когерентность; направленность; высокая спектральная яркость.

Высокая монохроматичность лазерного излучения обеспечивает измерение спектров с необходимым спектральным разрешением, позво- ляет избирательно возбуждать атомы и молекулы одного вида в смеси, оставляя молекулы других видов невозбужденными.

Временная и пространственная когерентность лазерного излучения позволяет изучать структуру спектральных линий, скрытую обычно до- плеровским уширением, вызываемым тепловым движением частиц в га- зе. Благодаря высокой монохроматичности и когерентности излучение лазера переводит значительное число частиц из основного состояния в возбуждѐнное. Это повышает чувствительность регистрации атомов и молекул (в 1 см

3 вещества удаѐтся регистрировать включения, состоя-

щие из 10 2 атомов или 10

10 молекул).

Короткие и ультракороткие лазерные импульсы дают возможность исследовать быстропротекающие (примерно 10

-6 –10

-12 с) процессы воз-

буждения, девозбуждения и передачи возбуждения в веществе.

128

С помощью импульсов направленного лазерного излучения можно исследовать спектры флуоресценции и рассеяния в удаленной области, например в атмосфере, и получать информацию о ее составе. Этот принцип используется в методах дистанционной лазерной спектроско- пии, разрабатываемых для контроля окружающей среды.

При фокусировке лазерного света на малую площадь с размерами порядка длины световой волны можно получить большие интенсивно- сти, обеспечивающие быстрый нагрев и испарение локальной области. Это свойство лазера легло в основу микроспектрального эмиссионного анализа атомов и локального масс-спектрального анализа молекул.