книги из ГПНТБ / Крюкова Л.Н. Сверхтонкие взаимодействия в ядерной физике учеб. пособие для студентов физ. фак

ширинами

ядерных уровней. Поэтому с помощью

эффекта мессбауе -

ра они могут изучаться с большой точностью.

На

рис. 53

в качестве примера показан спектр

п о г л о -

щѳния

X -лучей

14,4

кэв ядрами

r e

, входящими

в

5

t r

соединение ферроцианид

брома. Источником служил

СО

,

!

\f

S 'о

• . . .

1

-0,4 -<JJ

-ол •0,1

О

0,1 OA 0,3 0,4

Скорость

СМ/С9К

Рио. 53. Спектр поглощения

>г - лучей

14,4 кэв

в , соединении

ог.СЪ(СН)1.

Источник -

" С о

в Cr.

*

'

поглотитель определяется

произведением ядерного и электронно ­

го факторов. Поэтому оба

эти фактора на

могут

быть определе ­

ны" одновременно из одного

опыта. Однако

само

по себе система ­

позволяет установить ванные закономерности,

характеризующие

электронную отруктуру этих соединений.

Характерным примером таких исследований

является у с т а ­

ности

связи в

ряду

галогенидов четырехвалентного

олова

Sn.Гч

,

где

Г

—

F , СС,ВггЭ . Степень ионнооти связи

х а ­

рактеризует полноту

передачи валентных электронов от катиона

к а г і о н у ,

т . е .

учитывает

вклад связи ковалѳнтного типа .

Сте ­

пень

ионности

Д %

определяется как

разность

эл ѳ ктроот -

рицательностей

атомов,

образующих

(двухатомную)

молекулу

. Величины

измеренных

изомерных

сдвигов для

у

-линии

23,8

к э в

ОЛ-

в галогѳнидах олова по отношению к

о( - Ьп

( с е р о е

олово)

нанесены

на

график рио .

54

в зависимости

от

&У-

, отложенных

по

оси абсцисс .

Оказа ­

л о с ь ,

что

все

точки

с

хорошей точностью

ложатся

на одну

п р я ­

нув, т . е . изомерный

сдвиг

о к а з а л с я

прямо

пропорционален

с т е ­

пени

ионности

ов я з и .

гаяогенидов

Sa

относительно а< - Sn

в зависимости

от

разности а л е к т р о -

отрицательностей

о л о ю - г в д о г е н Д ^ .

При

этом оказывается,

что Д в £ ( S n . f ^ ) - E ( & S n ) * 0 ,

т . е .

энергия

у

-перехода в

ol-Sn,

больше, чей в

галогенидах

олова . Эти результаты

могут

быть

интерпретированы

следующим

образом .

Нейтральный

атом

олова

имеет

14 электронов сверх

з а п о л ­

ненной

оболочки

криптона,

образующих

конфигурацию

( 4 d

) ^

( 5 s

) 2

( 5 р

) 2 . В предельном

случав

полностью

ионных ооеда -

нений 4-валентного олова

конфигурация внѳаней

ободочки

е с т ь

( 4 d

т . е . оба 5 S

электрона

удаляютоя не атома . Пол-

решетке

с<

- Six

имеют конфигурацию (5 s

) ( 5 р

) 3

. Сле­

довательно,

серое олово имеет фактически один

S

- электрон

не каждый атом . Поэтому

при переходе

от

ковалентного Ы -

S a

к 4-валентным соединениям с

большой степенью ионности плот -

нооть

5s

- электронов

на

ядрах

S п.

должна

уменьшаться

пропорционально

отепени

ионности

с в я з и . При этом будет

умень­

шаться (отрицательный) вклад в электростатическую энергию

взаимодействия. Следовательно, при 6R/R

>

0

энергия

у

-перехода в

ионном соединении

будет

меньше,

чем в Ы -

Sn.

о при

SR/R

<

0

-

больше. Данный

опыт показывает, что

для

ядра W £ r t

6R/R->0

, т . е . в

возбужденном состоянии

23,8

кэв его

размеры больше,

чем в ооновном

состоянии.

Диалогичные

измерения,

проделанные

для соединений

с у р ь ­

мы,

показали

что для изотопа

56*

(EQ

в 37,?

кэв)

SR/R

<0,

причем,

8 R/R

ai .

Sb

-

5,5 * 0,3

(SR/R

" ' S a )

Таким

образом,

ядро

SfSo

, в противоположность

so^11- •

имеет

более

компактную структуру в возбужденном, а

не

в о с ­

новном

ооотоянин.

Исходя

из представлений

об электронной отруктуре ооѳди-

неь..й

типа

Sn.

,

можно

оценить изменения

| \ { > ( 0 ) | *

при

переходе

от

чиото

ковалентного Ы ~ Six.

к почти

чиото

ионно­

му

StiF^

. Из этих

оценок

следует,

что (SR/R)

Ъп. «

10 .

-

194

-

Более точные значения

д | ц / ( О д

были получены из

ИЗИе-

рений коэффициентов конверсии

у

-перехода 23,8 кэв

on .

(6R/R)

Sri -

* 1,8 • Ю .

Отсюда

(SR/R)'"S6

«

- 9,9

10~4.

Следует отметить, что значительные изомерные сдвиги

наблюдаютоя

также в ыессбаузровоких

спектрах

на изотопе

г е

в ризличных

соединениях

железа,

хотя

в

железе

валентными

я в ­

ляются

3 d

- электроны,

дающие

нулевую

плотность заряда в

о б ­

ласти

ядра.

Объяснение

изомерного

сдвига

в

железе

качественно

с в о ­

дится к следующему. Орбиты валентных

Зс/ -

электронов

в з н а ­

чительной степени перекрываются о орбитами

4$ - э л е к т р о н о в .

Поэтому

уход

Зо/ - электрона из

атома

в

химическую

овязь

умень ­

шает

экранирование

4s

- электронов

и

их

плотность

на

ядре

Fe

в о з р а с т а е т .

Действительно,

наблюдается

большая раэнооть

изомерных сдвигов между 2 - и 3-валентными соединениями

F e ,

имеющими

конфигурации

3 d *

и 3 d 5 .

»

S7

Из

анализа

изомерных

сдвигов

для

у

-линии 14,4

кэв

су

Fe

в различных соединениях было получено: (SR/R)

Fe

•

= -

1,4

. К Г 3 .

Изучение

систематики

поведения

изомерных сдвигов

в р а з ­

личных химических соединениях, содержащих иѳссбауэровскиѳ

изотопы,

сыграли

и

продолжают играть

очень

важную

роль

в

н е -

-

195

-

следованиях

отруктуры

химической

с в я з и .

(Здесь следует

отме­

тить, как

важный пример,исследования

деталей кислородного

о б ­

мена в живых организмах, осуществляемого с помощью гемогло­

бина

- б е л к а ,

активным центром в

молекуле

которого является

ион

Fe

) ,

Очень важную роль в теории структуры ядра должны также

оыграть получаемые

сведения

о S R / R

,

хотн на данном

этапе

существующие

модели

ядре

не

могут, по-вѵ.димому, правильно

прѳдоказать

не

только

его

величину,

но

и знак .

2, jBafljynojibHoe _ра_сщепление

Другим типом электростатического взаимодействия ядра с

электронами,

которое

может изучаться

методом эффекта

Мессба-

уэра, является

электрическое

квадрупольное

взаимодействие.

В отличг.е

от

монопольного

взаимодействия,

пі вводящего

к

и з о ­

мерному сдвигу, квадрупольное взаимодействие приводит к

р а с ­

щепление

уровней и

появлению

в спектрах

мѳссбауэровского

пог ­

тензора ГЭП ядро получает приращение

энергии (в

предположе­

нии

•

О ) :

e o Q

.

где

«^, -

главная

компонента

ГЭП, <J,« - ~

, я ѵ

=

I , I

- f , . . . , - I .

Спектр

резонансного поглощения

у -лучей без отдачи

при наличии квадрупольного взаимодействия определяется спи­

нами

основного I j

и возбужденного

1 е

состояний ядра

(число подуровней),

иультипольностью

у -перехода

L

(пра -

-

196 -

вила

отбора

по

&т

)

и угловыми

распределениями

компонент

О

( 0 )

,

где

Ѳ

-

угол между направлением

тг - кваи -

та и

осью II) П.

Правило

отбора

по

Л С -

( Д т < L

) разрешает

ft

-переходы только между

подсостоннинми

возбужденного в о с ­

новного

состояний

ядра,

отличающиеся по

\т\

на

0 , 1 . , , . . L .

Для

широко

использующихся

в

экспериментах

по

эффекту

иѳосбауэрн

ядер

5 ' f i e

и

S u

Ту Ж 1/2

и

І е

»

3/2 .

Для

них

наблюдается

наиболее простая - дублетная картина

квадру -

польного

расщепления:

Vi

•

V i

я

0

Рис.

55. Квадрупольное

расщепление

уровней

і в

-

ъ/г

*

і }

ш 1/2.

На

рисунке

Д

£ e ( | m | -

* / » ) - £ „ ( М • ' / * ) -

^

энергия

квадрупольного

расщепления.

Буквами

Ä

и

6

о б о з ­

начены

компоненты

3/2,

3/2

—

1/2,

1/2

и 3/2,

1/2

—

1,2,

1,2,

соответственно .

Интенсивности

компонент

такого

квадрупольного

дублета

и

определяются вероятность* аффекта

неосбауэра

f

и угловыми

распределениями

3

(Ѳ)

Для

дипольного излучения при аксиально-симметричном ГЭП мож­

но

п о к а з а т ь , что

J T -

f*' [з/*Ь

* Со.л9)]

JFn(v)dv,

.00

—«О

/ ä

V

C o n s t

г- /_а

Соп. s t

формы линий

Я- -

и

€Г

-переходов

в скоростном спектре .

Поскольку ]

F.(v)dv

ш JF(v)<Jv

, то отношение

интенсивноотей

ЗЕ - и

б

-компонент в спектре

монокристал-

личѳокого источника равно:

JK

3(i+Cos'G)

J e

5 -

SCos ' e

При

uoпускании

- квантов

вдоль

оси

z

, т . е . главной

оои

кристалла

( Ѳ

= 0 ) ,

Ш . з , , .

- 3 : 5 .

Таким образом,

намеряя величину Э%

/

'в функции угла

в монокристалле, можно установить,

какая

из ЛИНИЙ спектра

соответствует

% -

, а какая

б -

переходам, т . е . знак

конотанты квадрупольного взаимодействия.

Во многих

с; / ч а я х по известным

структурам молекулы и

-

198 -

кристалла

может

быть

установлен

знак

ГЭП, и из измерений о

монокристаллом

может

быть установлен

знак квадрупольного мо­

мента ядра, характеризующий

знак

егс деформации соглаоно

формуле ( 26 ) •

При

Ѳ < 0

,

S <• 0

- сплюснутый эллипсоид

вращения.

0 > 0

,

S > О

- вытянутый эллипсоид вращения.

При

работе

о поликристалличѳокиыи источниками

и поглоти ­

телями

угловые

распределения

для компонент следует

усреднить

по воем

направлениям

ориентации

микрокриоталлов:

Г

*

Ш , - m/

JТ tne -. m *

/

mt~ m., '

*

3

о

• 3

1 .

Таким образом,

измерение спектра

поглощения

изотропного

( 4 « Const )

поликристалличеокого образца не позволяет оп ­

ределить

знак

константы квадрупольного

взаимодействия.

На

р и с

56

показан опектр

поглощения

V - к в а н т о в

14,4 кэв

Fe в соединении

NotFe(CN)sNO-2HtO

(нитропруосид

Na

) . Квадрупольное

расщепление в этом

Рио. 56. Мессбауэровский

спектр поглощения

j-квантов

І4, ч кав

' Т е в

нитро-

пруссидѳ натрия

(ыаі£Ре(Сы)%NO]-2H,0).

Д Ѵ ш 1,7048 + 0,0025 мм/сек

(при 23 + І°С) ,

повтону оно одухит

стандартон

для определений

изомерных сдви ­

гов и квадрупольных

расщеплений в других

соединениях.

Для т о г о , чтобы

иа намеренной

в опытах no

у - р е з о н а н ­

оольный

ыоыѳнт

ядра, нѳобходиш

знать все параметры

ГЭП: его

величину, знак

и асимметрию. Точный их расчет

даже

при и з ­

вестных

структурах молекулы и кристалла связан

с решением

вадачи

многих

тел . Приближенные

же решения, основанные на

Столь

же неточным будет и основанное на этих оценках

опреде ­

ление

Q

. С гораадо большей точностью может быть

опреде ­

лено

отношений квадрупольных моментов

ядра в ооновном и

в о з ­

бужденном

состояниях (если 1 ^ , 1 . > 1/2

) или отношение

квад ­

если

на обоих этих

изотопах можно наблюдать эффект Мессбауа-

р а .

Тогда, если один иа квадрупольных моментов хорошо

и з в е с ­

тен

иа независимых

данных, другой может быть определен

о т а -