Файл: стр_193-222___Metody_analiza_i_kontrolya_veshch (1).docx

3.7.5. Другие методы радиоспектроскопии

Циклотронный резонанс (ЦР) наблюдается в металлах и полупро- водниках, помещенных в магнитное поле, при совпадении частоты вол- ны с циклотронной частотой носителей тока. Обусловлен переходами между орбитальными уровнями электронов проводимости, образован- ных их взаимодействием с полем.

Спектр ЦР в металлах определяется энергетическим спектром электронов проводимости в полупроводниках, зонной структурой, кон- центрацией, подвижностью и эффективной массой электронов и дырок.

ЦР в полупроводниках наблюдается на частотах примерно 10 10

– 10

11 Гц в полях 1–10 кЭ. При ЦР наблюдается резкое возрастание элек-

тропроводности проводников.

112

Циклотронный резонанс широко применяется в физике твѐрдого тела при изучении энергетического спектра электронов проводимости (например, для точного измерения их эффективной массы m*), даѐт возможность определить закон дисперсии, знак заряда носителей, кон- центрацию, времена жизни; позволяет изучить механизм рассеяния но- сителей заряда. ЦР применяют в технике СВЧ для генерации и усиления электромагнитных колебаний. Преимуществом ЦР по сравнению с дру- гими методами является его избирательность – возможность подбором частоты выделить определенную группу носителей заряда в образце.

Ферромагнитный резонанс (ФР) наблюдается в магнитоупорядо- ченных средах (резонансное поглощение радиоволн, связанное с кол- лективным движением магнитных моментов электронов). Диапазон ре- зонансных частот обычно 10

10 –10

13 Гц. Проявляется в избирательном

поглощении ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при ча- стотах, совпадающих с собственными частотами прецессии магнитных моментов электронной системы ферромагнитного образца во внутрен- нем эффективном магнитном поле.

Спектр определяется взаимодействием электронов с внешним маг- нитным полем, анизотропией и размагничивающими факторами, а в ан- тиферромагнетиках также обменным взаимодействием.

Изучение ФР привело к созданию на его основе СВЧ-устройств (вентилей, циркуляторов, генераторов, усилителей, параметрических преобразователей частоты и ограничителей мощности).

Микроволновая спектроскопия исследует переходы между уровня- ми энергии, обусловленными: вращательными движениями молекул, обладающих постоянным дипольным электрическим моментом; тонкой структурой колебательных уровней, вызванной инверсными движения- ми в молекулах типа аммиака; тонкой структурой вращательных уров- ней, связанной с взаимодействием квадрупольных моментов ядер с не- однородными молекулярными электрическими полями.

В микроволновой радиоспектроскопии исследуются газы. Резо- нансное поглощение обычно наблюдается в диапазоне 10

10 –10

11 Гц.

Микроволновую спектроскопию используют для получения точных значений ряда атомных и молекулярных констант (например, моментов инерции молекул, величин сверхтонкого расщепления уровней энергии в атомах, дипольных моментов молекул), сведений о строении и дина- мике молекул, их химическом и изотопном составе. Исследования уши- рения и сдвига молекулярных и атомных линий при соударениях в газе дают информацию о взаимодействиях частиц.

113

Контрольные вопросы

1. В чем сущность ядерного магнитного резонанса (ЯМР)? 2. Какие ядра обладают парамагнитными, и какие диамагнитными

свойствами? 3. Как рассчитывается химический сдвиг, что он характеризует? 4. В чем сущность качественного и структурного анализа по спектрам

ЯМР? 5. Какие методы количественного анализа используют в ЯМР? 6. В чем сущность: а) метода эталонной шкалы; б) метода градуиро-

вочного графика; в) метода добавок? 7. Принципиальная схема ЯМР-спектрометра. 8. Шкала химических сдвигов в спектроскопии ЯМР. 9. Взаимодействие спинового магнитного момента ядра и электрона

с внешним магнитным полем: классический и квантово- механический подход. Условие ядерного магнитного и электронно- го парамагнитного резонанса

10. Принципы спектроскопии электронного парамагнитного (спиново- го) резонанса. Условие ЭПР.

11. g-фактор и его значение. 12. Блок-схема спектрометра ЭПР. 13. Достоинства и ограничения метода ЭПР. 14. Электрический квадрупольный момент ядер. 15. Приложения метода ЯКР и его возможности. 16. Методические особенности метода ЯКР.

3.8. Ядерная спектроскопия

Ядерная спектроскопия объединяет методы исследования ядерных излучений (α-, β-частиц, γ-квантов), протонов, нейтронов, частиц, воз- никающих при радиоактивном распаде и в ядерных реакциях. Опреде- ляются спектр и квантовые характеристики ядерных состояний (энер- гия, спин, чѐтность, магнитные дипольные и квадрупольные моменты ядер), параметры деформации, вероятности переходов между ядерными состояниями. Значение этих данных необходимо для выяснения струк- туры ядер и получения сведений о силах, действующих между нукло- нами.

Установление перечисленных выше характеристик производится путѐм измерения энергий, интенсивностей, угловых распределений и поляризаций излучений, испускаемых ядром либо в процессе радиоак- тивного распада, либо в ядерных реакциях. Получение спектроскопиче- ских данных по исследованию радиоактивного распада называется

114

спектроскопией радиоактивных излучений, причѐм различают α (аль- фа), β (бета) и γ (гамма) спектроскопию в соответствии с типом излуче- ний.

Исследования в области ядерной спектроскопии подразделяют: на исследования радиоактивного распада короткоживущих нуклидов и исследования схем состояний ядер, возбуждаемых непосредственно в ядерных реакциях (в пучке). Ускорители заряженных частиц позволя- ют получать пучки электронов, протонов, α-частиц, лѐгких и тяжѐлых ионов с варьируемой энергией и скважностью, с заданной поляризаци- ей.

Аппаратура, используемая в анализе: магнитные спектрометры для измерения энергий заряженных частиц, кристалл-дифракционные спек- трометры для измерения энергий γ-излучения, различные детекторы ядерных излучений, позволяющие регистрировать и измерять энергию частиц и γ-квантов по эффектам взаимодействия быстрых частиц с ато- мами вещества (возбуждение и ионизация атомов).

Методы ядерной спектроскопии применяются практически во всех ядерных исследованиях, а также в биологии, химии, медицине, технике (например, активационный анализ опирается на данные о схемах распа- да радиоактивных изотопов; эффект Мѐссбауэра применяется для ис- следования электронной структуры твѐрдого тела, строения молекул и т. д.).

3.8.1. α-спектроскопия

Альфа-спектроскопия – спектроскопия α-частиц (ядра атомов ге- лия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов в связанном состоя- нии), возникающих при распаде материнского ядра.

Спектр α-частиц представляет собой ряд моноэнергетических ли- ний, соответствующих переходам на различные уровни дочернего ядра. Отличительная черта α-спектров – близкое расположение линий сильно отличающихся по интенсивностям. Знание тонкой структуры спектров α-частиц позволяет вычислить энергию возбужденных состояний атом- ного ядра.

Энергетическое условие возможности α-распада заключается в том, чтобы энергия связи α-частицы относительно материнского ядра была отрицательна. Энергия, выделяющаяся при α-распаде, делится между α-частицей и ядром обратно пропорционально их массам. Если конеч- ное ядро образуется в возбуждѐнном состоянии, то энергия α-частицы уменьшается на энергию этого возбуждения и, напротив, возрастает, ес- ли распадается возбуждѐнное ядро. Для разных изотопов энергия

115

α-частиц различна. По длине следов α-частиц можно качественно опре- делить изотопный состав радиоактивного образца. Изучение рассеяния α-частиц привело к понятию об атомном ядре как центре массы и поло- жительном заряде ядра. Облучение α-частицами легких элементов при- вело к открытию ядерных реакций и искусственной радиоактивности.

При вылете из ядра α-частица должна преодолеть потенциальный барьер. Вероятность α-распада пропорциональна проницаемости барье- ра, которая тем больше, чем больше кинетическая энергия α-частица в ядре. Вероятность α-распада зависит от размеров ядра, что используется для определения размеров тяжѐлых ядер. Период полураспада радиоак- тивных ядер экспоненциально зависит от энергии вылетающих α-частиц.

Для измерения энергии и интенсивности потока α-частиц, испуска- емых активными ядрами, используются газоразрядные и полупроводни- ковые детекторы частиц, а также спектрометры.

Принцип действия α-спектрометров основан либо на магнитном анализе α-частиц, либо на исследовании их ионизирующего действия.

В качестве детекторов α-излучения в первых применяется фотопла- стинка. Обработка результатов измерения производится путем счета числа следов α-частиц (треков) под микроскопом. α-спектрометры об- ладают очень высокой разрешающей способностью (для разделения близких линий спектра) и небольшой светосилой (величиной телесного угла, в котором расположены траектории α-частиц). Применяются для исследования ядер с периодом полураспада менее 10

5 лет.

Ионизационные α-спектрометры имеют низкую разрешающую способность и большую светосилу. С их помощью исследуют долгожи- вущие ядра и ядра новых элементов. Определение α-радионуклидов (в основном изотопов урана, тория, плутония) с помощью ионизационных камер имеет ряд преимуществ, среди которых: высокая эффективность регистрации; применение измеряемых препаратов с большими площа- дями регистрации, что повышает чувствительность метода; достаточно высокое разрешение; возможность дезактивации при загрязнении внут- ренней поверхности камеры. Недостатками при эксплуатации иониза- ционных камер являются: сложность конструкций ионизационных ка- мер и высокие профессиональные требования к обслуживающему пер- соналу; высокая температурная зависимость (следствие, плохая ста- бильность регистрации сигналов α-излучения); использование в каче- стве детектора газовой смеси и требования к ее чистоте, давлению, гер- метизации.

116

Применение полупроводниковых альфа-детекторов упростило экс- плуатацию альфа-спектрометров с ионизационными камерами, повыси- ло производительность альфа-анализов.

3.8.2. β-спектроскопия

β-спектроскопия – исследование распределения по энергиям β-частиц (электронов или позитронов), испускаемых радиоактивными ядрами при β-распаде, и дискретных спектров конверсионных электро- нов. Исследование β-спектров помогает определять схемы распада ра- диоактивных ядер.

Время жизни ядра относительно β-распада и форма спектра β-частиц зависят от состояний, в которых находятся внутри ядра исход- ный нуклон и нуклон-продукт, что позволило пополнить представления о структуре атомных ядер. Вероятность β-распада зависит от близости состояний нуклонов в начальном и конечном ядрах. Вероятность мак- симальна, если состояние нуклона не меняется, что характерно для β-распада легких ядер (разрешенные переходы). У более тяжелых ядер число нейтронов больше числа протонов, переход затрудняется из-за необходимости изменения спина ядра, малой вероятности переходов (запрещенные переходы).

Основным достоинством β-спектрометрического анализа проб яв- ляется проведение измерений при минимальном процессе подготовки проб.

Исследование β-спектров производится с помощью β-спектро- метра, определяются форма спектра и его верхняя граница (максималь- ная энергия электронов или позитронов, испускаемых при β-распаде). Основными характеристиками β-спектрометра является светосила (от- ношение числа электронов (или позитронов) к полному числу частиц, испускаемых радиоактивным источником), которая используется для анализа, и разрешающая способность (наименьшее различие в энергии (или импульсе) электронов, которое может быть замечено прибором).

Различают β-спектрометры, измеряющие энергию электронов по их воздействию на вещество, и β-спектрометры, действие которых основа- но на пространственном разделении электронов и позитронов, имеющих различную энергию. К приборам первого типа относятся β-спектро- метры, основанные на ионизации, возникающей в веществе при тормо- жении электронов; приборы этого типа обладают большой светосилой, но не дают возможности измерять энергию электронов с точностью большей, чем несколько процентов. К приборам второго типа принад-

117

лежат β-спектрометры, в которых используются магнитные или элек- трические (для медленных электронов) поля.

3.8.3. γ-и γ-резонансная спектроскопии