Применение метода ЯГР для изучения самоорганизации в кристаллах

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

 

 

 

 

Применение метода ЯГР для изучения самоорганизации в кристаллах

 

 

 

 

 

Выполнил студент 217 группы

Толстов И.О.

Научный руководитель –

Годовиков С.К.

 

 

Москва  — 2012

 

Содержание:

Введение ……………………………………………………………………….….3

2. Мессбауэровский  резонанс…………………………………………………...5

3. Измеряемые величины

3.1. Изомерный сдвиг…………………………………………………..………..9

3.2. Квадрупольное  расщепление……………………………………………..10

3.3. Магнитная  сверхтонкая структура……………………………………….11

4. Синергетика  конденсированных сред……………………………………..12

5. Обзор литературы……………………………………………………………..13

Выводы……………………………………………………………………….…18

Список литературы………………………..……………………………………..22

 

Введение.

Резонансные методы приобрели в последние десятилетия широкое распространение при исследовании вещества в различном состоянии. Набор данных методов постоянно пополняется благодаря открытию новых видов резонанса. Особенно многообразны виды резонанса в твердых телах.

Колебательные системы, способные резонировать, могут иметь весьма различную природу. В веществе такими системами являются электроны, электронные оболочки атомов, магнитные и электрические моменты атомов, молекул, примесных центров в кристаллах и т.д. Однако во всех случаях общая картина резонанса сохраняется: вблизи резонанса возрастают амплитуда колебаний и энергия, передаваемая колебательной системе извне. Возрастание прекращается, когда потери энергии (трение, тепловое рассеяние) компенсируют ее прирост.

Каждое вещество имеет свой характерный спектр частот собственных колебаний. Собственные частоты могут находиться в широком диапазоне частот (от 102 до 1022 Гц). Указанный набор частот является своеобразной визитной карточкой вещества, изучая которую можно определить химический состав, структуру, симметрию и другие характеристики вещества.

Наиболее удобным  и распространенным видом периодического внешнего воздействия является электромагнитное излучение. В зависимости от диапазона частот используют различные способы генерации (радиопередатчики, лампы накаливания, рентгеновские трубки, радиоизотопы и т.д.) и детектирования (радиоприемники, болометры, фотоэлементы, фотопленки, счетчики Гейгера и т.д.). Таким образом появились различные области физики, как радиоспектроскопия, оптическая спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, мёссбауэровская спектроскопия. Хотя во всех этих областях изучают резонансное взаимодействие электромагнитного излучения с веществом, природа такого взаимодействия различна.

 Резонансные  методы являются наиболее чувствительными и точными методам исследования вещества. С их помощью был получен большой объем информации о химическом составе, структуре, симметрии и внутренних взаимодействиях между структурными единицами вещества.

1. Мессбауэровский резонанс.

Мессбауэровский резонанс - резонансное поглощение и рассеяние g -квантов ядрами атомов вещества [3]. В спектре твердого тела этому резонансу могут отвечать очень узкие пики, если процесс излучения или поглощения g -кванта происходит без отдачи (эффект Мёссбауэра, 1958 год). Такой процесс возможен, если энергия отдачи ядра меньше минимальной энергии фононов, так как в этом случае происходит бесфононный квантовый переход. В связи с чрезвычайной узостью пиков g -резонанса (dν/ν ~ 10^-10) его можно использовать для очень точного измерения частоты.

Суть эффекта  Мессбауэра состоит в испускании и поглощении g-квантов ядрами в твердом теле без потери энергии на отдачу. Поясним это определение. Дело в том, что атомное ядро, как и атом или ион, может находиться в основном состоянии, то есть состоянии с наименьшей энергией, и в возбужденных состояниях с более высокой энергией. Эти состояния обозначаются на диаграммах сплошными горизонтальными линиями, как это показано на рис. 1, 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 килоэлектронвольт.

 В возбужденном  состоянии ядро может оказаться  либо в результате поглощения g -кванта, энергия которого равна разности энергий между возбужденным и основным состояниями ядра, либо в результате радиоактивного распада. В первом случае происходит поглощение g -кванта, во втором - при переходе ядра из возбужденного состояния в основное - происходит его испускание. Если ядра, испускающие или поглощающие g -кванты, находятся в состоянии теплового движения (жидкость, газ), то при этом в соответствии с законами сохранения энергии и импульса энергия g-квантов будет определяться и состоянием движения ядер. Поскольку скорости движения ядер в газе или жидкости могут быть различными, то и энергии g -квантов будут составлять некоторый набор энергий, в результате чего линия поглощения (излучения) окажется широкой.

Однако в твёрдом  теле можно наблюдать иную ситуацию. Здесь энергия при излучении g -кванта передаётся решётке частями, кратными энергии фонона h n. И тогда, если энергия отдачи ядра гораздо меньше энергии фонона с вероятностью

могут наблюдаться процессы, проходящие без возбуждения решётки. Здесь п - квантовое число, задающее состояние твёрдого тела и зависящее от температуры. В дебаевской модели твёрдого тела формула принимает вид:

где k_и - фактор Больцмана и

 

температура Дебая, Т - температура. Вероятность процессов без отдачи наибольшая при низких температурах, а с ростом температуры и, следовательно, вероятность падает.

Важнейшим свойством излучения без отдачи является ширина линии. Если решётка не возбуждается, ширина бесфононной компоненты излучения определяется только шириной ядерных уровней, между которыми происходит переход. Из принципа неопределённости, для ядра со временем жизни ~10^-7 с ширина линии составит ~ 10 ^-8эВ. Для фотона с энергией 100 кэВ отношение ширины линии к энергии фотона составит10^-13 Это означает, что энергия фотонов может быть измерена с точностью 10^-13

Очень малая  ширина линии излучения g -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.

В настоящее время известно более 90 изотопов, на которых наблюдается  эффект Мёссбауэра. Наиболее часто в физических экспериментах используются два изотопа: ⁵⁷Fe и ¹¹⁹Sn, что объясняется относительной простотой выполнения на них мёссбауэровских измерений.

Схема эксперимента для наблюдения эффекта была предложена и реализована  Р.Л. Мёссбауэром в 1958 году и с тех пор лишь модернизируется. Эта схема приведена на рис. 2.

 Имеется  источник монохромных g-квантов, представляющий собой вещество, содержащее короткоживущие изомеры определенных изотопов, например ^57mFe и ^119mSn для изотопов ⁵⁷Fe и ¹¹⁹Sn с временами жизни 140 и 25,4 нс соответственно. В качестве материнских долгоживущих ядер, после распада которых образуются изомеры ^57mFe и ^119mSn, используются ядра ⁵⁷Со (период полураспада 270 дней) и ^119mSn (период полураспада 250 дней). Затем ставится поглотитель - вещество, содержащее тот же самый изотоп, что и излучатель, а за ним детектор g-квантов. Испускаемые излучателем g-кванты попадают на поглотитель. Те из них, энергия которых совпадает с разностью энергий возбужденного и основного состояний ядер изотопа в поглотителе, возбуждают ядро, поглощаясь при этом, и не попадают на детектор. Кванты же других частот проходят через поглотитель свободно и регистрируются детектором. Очевидно, что для того, чтобы получить спектральную линию, необходимо изменять энергию g-квантов излучателя. Поскольку спектральные линии в эффекте Мёссбауэра очень узкие, девиация частоты g-квантов излучателя должна быть небольшой. Для этого используют эффект Доплера - зависимость частоты излучения электромагнитной энергии от скорости движения источника излучения. При мёссбауэровских измерениях излучатель движется со скоростью ± V, поэтому вместо энергии или частоты по оси абсцисс откладывают скорость (обычно в мм/с).

2. Измеряемые величины

3.1 Изомерный сдвиг

Атомное ядро электростатически взаимодействует с окружающим его электронным зарядом. Изменение плотности электронов приводит к изменению кулоновского взаимодействия и сдвигу ядерных уровней.

Данный сдвиг называется изомерным, поскольку зависит от разности радиусов ядра в основном и возбуждённом состояниях. Диаграммы ядерных уровней при наличии изомерного сдвига приведены на рис. 3.

Рис. 3. Изомерный сдвиг.

 

Величина dE - разность энергий электростатического взаимодействия точечного ядра и ядра с радиусом R, имеющего тот же заряд. Данная разность обусловлена разностью электростатических потенциалов ( для точечного ядра, и при r < R, при r > R для ядра с радиусом R). Изменение энергии g-кванта за счёт электростатического взаимодействия определяется разностью величин dE для возбуждённого и основного состояний ядра.

Мессбауэровский спектрометр  позволяет сравнивать с большой  точностью энергии ядерных переходов  в двух веществах, что позволяет вычислить изомерный сдвиг относительно некоторого стандартного вещества.

Изомерный сдвиг даёт представление об электронных конфигурациях, валентностях атомов в веществе.

 

3.2. Квадрупольное расщепление

Квадрупольное расщепление  - результат взаимодействия квадрупольного момента ядра Q с градиентом электрического поля, создаваемым другими зарядами кристалла. Квадрупольный момент ядра отражает отклонение формы ядра от сферически симметричной. Градиент электрического поля (ГЭП) на ядре формируется из 2-х составляющих: 1) зарядов окружающих ядро ионов и 2) незавершённых оболочек собственного атома.

Собственные значения гамильтониана  взаимодействия квадрупольного момента  с ГЭП позволяют найти значения энергии расщеплённых ядерных подуровней.

Схема подуровней и пример мессбауэровского спектра для ⁵⁷Fe представлена на рис. 4.

Рис. 4. Квадрупольное расщепление [2].

 

Метод мессбауэровской спектрометрии  позволяет судить о форме ядер путём определения их квадрупольных моментов. Кроме того, при известном квадрупольном моменте, мессбауэровский метод позволяет оценить симметрию в кристаллах.

3.3. Магнитная сверхтонкая структура

В результате взаимодействия дипольного магнитного момента ядра m с магнитным полем на ядре Н, создаваемым электронами, возникает магнитная сверхтонкая структура Мессбауэровские опыты по сверхтонкому магнитному расщеплению позволяют наблюдать переходы не между подуровнями, а между двумя ядерными уровнями, каждый из которых может иметь магнитную сверхтонкую структуру. Диаграмма уровней магнитного сверхтонкого расщепления основного и первого возбуждённого состояний ⁵⁷Fe, а также пример мессбауэровского спектра, представлены на рисунке 5.

В зависимости  от задач эксперимента, в мессбауэровских  опытах по сверхтонкому магнитному расщеплению  могут быть определены магнитный  момент m_возб возбуждённого состояния, либо магнитное поле на ядре Н.

Сверхтонкое расщепление  подуровней и влияние сверхтонкой  структуры на мессбауэровский спектр проиллюстрировано на рис. 5.

 

Рис. 5. Магнитная  сверхтонкая структура [2].

 

4. Синергетика конденсированных сред.

Явление неравновесной самоорганизации в твёрдых телах на данный момент мало исследовано. Само явление самоорганизации впервые наблюдалось в 1951 г. в химической реакции Белоусова-Жаботинского (окисление в растворе малоновой кислоты в присутствии сульфата церия и бромата калия) [6]. Реакция характеризуется циклическим изменением цвета реагентов ввиду периодического изменения валентности ионов церия. Возникает также пространственный порядок (волны различных форм на поверхности жидкости). Другой характерный пример - ячейки Бенара в слое масла, подогреваемого на плоской поверхности [4,5]. Существуют примеры самоорганизации и в твёрдом теле, однако в целом подобные примеры для физики твёрдого тела редкость. Скорее всего, дело в малой подвижности атомов твёрдого тела. Для выявления периодичности нужны длительные промежутки времени: недели, месяцы.

Однако именно метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР) лучше всего подходит для изучения процессов подобного рода.

Уникальность метода складывается из нескольких достоинств:

1) время снятия спектра составляет ~ нескольких часов, что соответствует ожидаемым процессам изменения атомно-магнитной структуры с большим периодом;

2) абсолютная локальность метода позволяет наиболее полно исследовать микроскопическую, атомно-молекулярную структуру вещества;

3) исследование проводится на макроскопических образцах с характерным размером порядка единиц см, что полностью соответствует сущности синергетики - упорядочение в макрообъёмах.

Первые эксперименты по изучению процессов самоорганизации с применением метода ЯГР производились в 1980-е годы, однако в то время широкого распространения не получили [9].

В последние годы в  ОЯСМ НИИЯФ МГУ метод ЯГР активно  применяется для исследования данного класса явлений [7, 8]. Результатом изучения процессов самодиффузии в аморфных сплавах и металлических кристаллах стало обнаружение долговременных колебательных процессов атомной и магнитной структуры. Колебания наблюдаются при возбуждении внутренней структуры образца, в резко неравновесных условиях. Они имеют общую первопричину - локальное давление в образце (электрический/магнитный удар, механическое воздействие). Несомненен синхронизм процессов по всему объему материала, прослеживается стремление систем к самоорганизации.