Файл: стр_193-222___Metody_analiza_i_kontrolya_veshch (1).docx

3.8.3.1. γ-спектроскопия

γ-спектроскопия – раздел ядерной спектроскопии, занимающийся исследованием спектров гамма-излучения и различных свойств возбуж- дѐнных состояний атомных ядер, распад которых сопровождается ис- пусканием γ-квантов. В более широком смысле гамма-спектроскопия включает в себя исследование всех характеристик γ-излучения, испус- каемого не только ядрами, но и атомами и элементарными частицами. К таким характеристикам испускаемых γ-квантов, помимо их энергии, относятся времена (или вероятности) их испускания, их моменты коли- чества движения (мультипольности), тип (электрический или магнит- ный), поляризация (преимущественная направленность спина γ-кванта), зависимость вероятности испускания от угла вылета γ-кванта.

Гамма-спектроскопия является одним из наиболее точных методов определения характеристик микрообъектов (прежде всего, атомных ядер), поскольку за испускание γ-квантов ответственно электромагнит- ное взаимодействие, свойства которого изучены лучше, чем свойства других фундаментальных взаимодействий (сильного, слабого, гравита- ционного). Поэтому интерпретация экспериментальных данных, полу- ченных методами гамма-спектроскопия, является наиболее простой и однозначной.

Поскольку γ-кванты, испускаемые атомными ядрами (или другими микрообъектами), возникают при переходах из состояний (уровней) с большей энергией в состояния (уровни) с меньшей энергией, то по ли- ниям в спектрах γ-квантов можно установить схемы энергетических уровней ядер. Энергия γ-кванта равна разности энергий состояний, между которыми происходит переход. По ширинам этих линий можно установить времена жизни уровней и вероятности их распада. Посколь- ку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр γ-излучения является линейчатым (состоит из ряда дискретных линий). Изучение спектров γ-излучения позволяет установить энергии возбуждѐнных состояний ядер. Знание вероятности вылета γ-квантов под различными углами позволяет найти их мультипольность и тип (электрический квант или магнитный) и тем самым определить спины и четности ядерных уровней, участвующих в γ-переходе. Кроме того, по характеристикам γ-переходов возможно определение электрических

118

квадрупольных и магнитных дипольных моментов ядер (распределений зарядов и токов в ядрах в различных состояниях).

Гамма-излучение имеет хорошо известные энергии, которые явля- ются характеристиками испускающих их изотопов. Значения энергий служат для идентификации изотопного состава материалов. При объ- единении с измерениями интенсивностей излучения они могут предо- ставить информацию о количестве имеющегося материала.

Одними из наиболее информативных методов ядерной гамма- спектроскопии являются метод угловых корреляций γ-квантов и ядерная резонансная флуоресценция. В первом из них исследуются корреляции между углами вылета последовательно испускаемых ядром γ-квантов. Во втором ядро резонансно поглощает внешний γ-квант известной энер- гии и исследуется энергетический спектр вторичных γ-квантов, испу- щенных этим ядром.

В исследованиях γ-спектроскопии используются γ-спектрометры. В γ-спектрометрах энергия и интенсивность потока γ-квантов опреде- ляются измерением энергии и интенсивности потока вторичных заря- женных частиц, возникающих в результате взаимодействия γ-излучения с веществом (исключение – кристалл-дифракционный γ-спектрометр, непосредственно измеряющий длину волны γ-излучения). Основными характеристиками γ-спектрометров являются эффективность (вероят- ность образования вторичной частицы и вероятность еѐ регистрации) и разрешающая способность (возможность разделения двух γ-линий, близких по энергии). Мерой разрешающей способности обычно служит относительная ширина линии, получаемой при измерении монохрома- тического γ-излучения, количественно определяемая как отношение DE/E, где E – энергия вторичной частицы, DE – ширина линии на поло- вине еѐ высоты.

В магнитных γ-спектрометрах (рис. 3.60) вторичные частицы воз- никают при поглощении γ-квантов в радиаторе. Величина магнитного поля в спектрометре и радиус кривизны траектории электронов опреде- ляют энергию электронов, регистрируемых детектором. Если радиатор изготовлен из вещества с малым атомным номером, то вторичные элек- троны образуются в основном в результате комптон-эффекта (рассеяние на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты). Если радиатор изготовлен из тяжѐлого вещества (свинец, уран), а энер- гия γ-квантов невелика, то вторичные электроны будут возникать глав- ным образом вследствие фотоэффекта.

119

Рис. 3.60. Схема магнитного γ-спектрометра

Магнитные γ-спектрометры обладают высокой разрешающей спо- собностью, однако их эффективность невелика, что приводит к необхо- димости применять источники γ-излучения высокой активности.

В сцинтилляционных γ-спектрометрах (рис. 3.61) вторичные элек- троны возникают при взаимодействии γ-квантов со сцинтиллятором (веществом, в котором вторичные электроны возбуждают флюоресцен- цию). Световая вспышка преобразуется в электрический импульс с по- мощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), причѐм величина сигна- ла, создаваемого ФЭУ, пропорциональна энергии электрона и, следова- тельно, связана с энергией γ-кванта. Для измерения распределения сиг- налов по амплитуде используются специальные электронные устрой- ства – амплитудные анализаторы.

Рис. 3.61. Схема сцинтилляционного γ-спектрометра

Эффективность сцинтилляционного γ-спектрометра зависит от размеров сцинтиллятора; его разрешающая способность невысокая.

120

Действие полупроводниковых γ-спектрометров основано на обра- зовании γ-излучением в объѐме полупроводникового кристалла (Ge с примесью Li) электронно-дырочных пар. Возникающий при этом заряд собирается на электродах и регистрируется в виде электрического сиг- нала, величина которого определяется энергией γ-квантов (рис. 3.62).

Рис. 3.62. Схема полупроводникового γ-спектрометра

Полупроводниковые γ-спектрометры обладают высокой разреша- ющей способностью, что обусловлено малой энергией, расходуемой на образование одной электронно-дырочной пары. Эффективность полу- проводниковых γ-спектрометров ниже, чем сцинтилляционных, по- скольку γ-излучение в Ge поглощается слабее, чем, в сцинтилляцион- ном кристалле, и необходимо их охлаждение до температур, близких к температуре жидкого азота.

3.8.3.2. γ-резонансная (мѐссбауэровская) спектроскопия

γ-резонансная спектроскопия (эффект Мѐссбауэра) основана на явлении излучения и резонансного поглощения γ-квантов (энергия по- рядка 150 кэВ) атомными ядрами в твердых телах без потери части энергии на отдачу ядра. Эффект Мѐссбауэра иногда называется резо- нансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР).

При облучении вещества γ-квантами наряду с обычными процес- сами взаимодействия возможно резонансное поглощение γ-квантов яд- рами, при котором γ-квант исчезает, а ядро возбуждается (переходит в состояние с большей внутренней энергией). Это явление аналогично ре- зонансному поглощению световых квантов атомами.

Необходимое условие резонансного поглощения – энергия, кото- рую квант расходует на возбуждение ядра, должна равняться энергии

121

квантового перехода (разности внутренних энергий ядра в возбуждѐн- ном и основном состояниях).

При испускании или поглощении γ-кванта, согласно закону сохра- нения импульса, свободное ядро массой M получает импульс отдачи

cEp 0

(3.76)

и соответствующую этому импульсу энергию отдачи

M2pR 2

. (3.77)

На эту же величину энергия испущенного γ-кванта оказывается меньше по сравнению с разностью энергий между ядерными уровнями E0, а резонансное поглощение наблюдается для фотонов с энергией, равной E0+R. Таким образом, для одинаковых ядер линии испускания и поглощения разнесены на величину 2R и условие резонанса выполняет- ся в случае совмещения этих линий либо их частичного перекрытия.

Эффект Мѐссбауэра обусловлен коллективным характером движе- ния атомов в твѐрдом теле. Благодаря сильному взаимодействию атомов в твѐрдых телах энергия отдачи передаѐтся не отдельному ядру, а пре- вращается в энергию колебаний кристаллической решѐтки. Масса кри- сталла на много порядков больше массы ядра, а значит, и величина R становится пренебрежимо малой. В процессах испускания и поглоще- ния гамма-квантов без отдачи энергии фотоны равны с точностью до естественной ширины спектральной линии.

Эффект Мѐссбауэра позволяет наблюдать ядерное резонансное по- глощение (рассеяние) со спектральными линиями в интервале 10

-9 –10

-5 эВ, что соответствует временам жизни (

610 10t10 с) первых

возбужденных ядерных уровней. При испускании или поглощении γ-кванта ядром, находящимся в

узле кристаллической решетки, могут происходить два процесса: изме- нения колебательного состояния решетки (возбуждение фононов); пе- редача импульса γ-кванта решетке как целому, без изменения ее колеба- тельного состояния (упругое испускание и поглощение γ-кванта). Каж- дый из этих процессов обладает определенной вероятностью, значение которой зависит от конкретных свойств кристалла, энергии γ-кванта и температуры.

Под влиянием внутренних электрических и магнитных полей, дей- ствующих на ядра атомов в твѐрдых телах, а также под влиянием внеш- них факторов (давление, внешние магнитные поля) могут происходить смещения и расщепления уровней энергии ядра, а, следовательно, изме- нения энергии перехода. Поскольку величины этих изменений связаны с микроскопической структурой твѐрдых тел, изучение смещения линий

122

испускания и поглощения даѐт возможность получить информацию о строении твѐрдых тел. Эти сдвиги могут быть измерены с помощью мѐссбауэровских спектрометров (рис. 3.63).

Рис. 3.63. Схема γ-резонансного спектрометра

Если γ-кванты испускаются источником, движущимся со скоро- стью v относительно поглотителя, то в результате эффекта Доплера энергия γ-квантов, падающих на поглотитель, изменяется на величину Ev/c. Измеряя зависимость величины резонансного поглощения от v (спектр мѐссбауэровского резонансного поглощения), находят то значе- ние скорости, при котором линии испускания и поглощения находятся в точном резонансе (когда поглощение максимально). По величине v определяют смещение между линиями испускания и поглощения для неподвижных источника и поглотителя.

Когда вещества источника и поглотителя химически тождественны и когда на ядра атомов в этих веществах не действуют ни магнитное, ни неоднородное электрическое поля спектр поглощения состоит из одной линии (линии испускания и поглощения не смещены друг относительно друга – находятся в точном резонансе при v = 0). В большинстве случа- ев в спектрах наблюдаются несколько линий (сверхтонкая структура), обусловленных взаимодействием атомных ядер с внеядерными элек- трическими и магнитными полями. Характеристики сверхтонкой струк- туры зависят как от свойств ядер в основном и возбуждѐнном состояни- ях, так и от особенностей структуры твѐрдых тел, в состав которых вхо- дят излучающие и поглощающие ядра.

Важнейшими типами взаимодействий атомного ядра с внеядерны- ми полями являются:

1) электрическое монопольное взаимодействие. Электрическое монопольное взаимодействие представляет собой взаимодействие ядра с электростатическим полем, создаваемым в области ядра окружающи- ми его электронами. Оно приводит к возникновению в спектре погло- щения сдвига линии, если источник и поглотитель химически не тожде- ственны или если распределение электрического заряда в ядре неодина- ково в основном и возбуждѐнном состояниях. Химический сдвиг про- порционален электронной плотности в области ядра, его величина явля-

123

ется важной характеристикой химической связи атомов в твѐрдых телах. По величине этого сдвига можно судить об ионном и ковалентном ха- рактере химической связи, об эффективных зарядах атомов в химиче- ских соединениях, об электроотрицательности атомов, входящих в со- став молекул, о распределении заряда в атомных ядрах.

2) электрическое квадрупольное взаимодействие. Взаимодей- ствие квадрупольного момента ядра с неоднородным электрическим полем приводит к расщеплению ядерных уровней, в результате чего в спектрах поглощения наблюдается не одна, а несколько линий. Разность энергии между компонентами дублета пропорциональна произведению квадрупольного момента ядра на градиент электрического поля в обла- сти ядра. Поскольку величина градиента электрического поля является характеристикой симметрии зарядов, окружающих ядро в твѐрдом теле, то исследование квадрупольного взаимодействия позволяет получить информацию об электронных конфигурациях атомов и ионов, об осо- бенностях структуры твѐрдых тел, а также о квадрупольных моментах атомных ядер.

3) магнитное дипольное взаимодействие наблюдается в магнито- упорядоченных (ферро-, антиферро-, ферримагнитных) веществах, в ко- торых на ядра атомов действуют сильные магнитные поля, достигаю- щие величины 10

6 . Энергия магнитного дипольного взаимодействия

пропорциональна произведению магнитного момента ядра на напря- женность магнитного поля и зависит от ориентации магнитного поля. Магнитное дипольное взаимодействие приводит к расщеплению основ- ного и возбуждѐнных уровней ядра, в результате чего в спектре погло- щения наблюдаются несколько линий, число которых соответствует числу возможных γ-переходов между магнитными подуровнями основ- ного и возбуждѐнных состояний (эффект Зеемана). По расстоянию меж- ду компонентами магнитной сверхтонкой структуры можно определить напряжѐнность магнитного поля, действующего на ядро в твѐрдом теле. Величины этих полей очень чувствительны к особенностям электрон- ной структуры твѐрдого тела, к составу магнитных материалов, поэтому исследование магнитной сверхтонкой структуры широко используется для изучения магнитных свойств кристаллов.