Mössbauerov jav
Bezodrazová jadrová rezonančná fluorescencia[1] alebo stručne Mössbauerov jav je jav prvýkrát opísaný nemeckým fyzikom Rudolfom Mössbauerom, ktorý bol publikovaný v roku 1958. V tejto práci ukázal, že za určitých podmienok môže byť atóm v kryštále viazaný tak, že jadrový prechod a s ním spojená emisia či absorpcia kvanta gama, môže nastať bez spätného odrazu.
Podmienky vzniku bezodrazovej fluorescencie
Atómy a teda aj atómove jadrá sú v kryštále tuhej látky navzájom silne viazané elastickými väzbovými silami. Pri javoch spojených s jadrovými prechodmi je preto treba brať do úvahy vplyv väzby daného atómu v kryštálovej mriežke.
Označíme energiu väzby (bound) atómu v kryštálovej mriežke Wb a WR kinetickú energiu pohybujúceho sa jadra, ktorú pôvodne nehybné jadro získa v dôsledku spätného odrazu pri vyžiarení/pohltení kvanta γ (pozri Jadrová rezonančná fluorescencia). Pri vyžiarení/pohltení kvanta γ jadrom atómu viazaného v kryštálovej štruktúre tuhej látky môžu z energetického hľadiska nastať dva prípady :
1. WR > Wb
V tomto prípade nemôže Mössbauerov jav nastať, pretože atóm prijal energiu, ktorá je väčšia ako väzbová energia. To spôsobí, že atóm je vytrhnutý zo svojho uzlového miesta v kryštálovej štruktúre.
2. WR < Wb
V tomto prípade atóm nebude vyrazený z mriežky, ale vplyvom elastických kryštálových väzieb sa hybnosť, ktorú pri interakcii s elektromagnetickým žiarením prijme jadro od kvanta γ, prenesie na susedné atómy a postupne na celý kryštál. V tomto prípade Mössbauerov jav môže, ale aj nemusí nastať, lebo prenos hybnosti na kryštál sa môže udiať dvoma mechanizmami :
a. Odovzdanie hybnosti kvanta γ je sprevádzané zmenou kmitavého stavu atómových jadier v mriežke, t. j. dôjde k zmene vnútornej energie kryštálu. Vybudenie kmitov mriežky znamená ohrev kryštálu. Tento mechanizmus neprispieva k Mössbauerovmu javu.
b. Odovzdanie hybnosti absorbovaného kvanta γ kryštálu ako celku bez zmeny jeho vnútornej energie, t. j. celé teleso sa posunie. V tomto prípade sa uplatní kvantový charakter kryštálovej štruktúry, v dôsledku ktorého nemôžu byť vybudené kmity o ľubovolnej frekvencii (energii). Ak teda má energia spätného odrazu takú hodnotu, že nemôže byť odovzdaná kmitom mriežky, zostáva stav kryštálovej mriežky nezmenený a hybnosť spätného odrazu jadra získa kryštál ako celok. Ale vzhľadom k svojej makroskopickej hmotnosti v porovnaní s hmotnosťou jadra, sa kryštál v dôsledku vyžiarenia kvanta γ takmer nepohne a rýchlosť jeho pohybu získaná spätným odrazom je praktický nulová.
Emisné a absorpčné krivky sa v tomto prípade úplne prekrývajú, čo je situácia zodpovedajúca Mössbauerovmu javu.
Pravdepodobnosť bezodrazového procesu
Mössbauerov-Lambov faktor
Mössbauerov-Lambov faktor fML nazývaný aj bezodrazový faktor, udáva pravdepodobnosť procesu bezodrazovej emisie, resp. absorpcie kvánt γ. Bezodrazovosť procesu znamená, že prebieha bez zmeny vnútornej energie systému, v ktorom sa nachádzajú emitujúce/absorbujúce jadrá. Pre bezodrazový faktor fML platí :
- ,
kde λ je vlnová dĺžka vyžiareného/absorbovaného kvanta γ a <x2> je stredný kvadrát amplitúdy kmitov jadra v smere šírenia kvanta γ.
Väzba atómov v kryštálovej mriežke tuhej látky
V tomto modeli započítavame okrem spätného odrazu aj samotný pohyb jadier, ktoré majú v okamihu emisie/absorpcie rýchlosť vT. Správanie sa jadier v kryštálovej mriežke najlepšie opisuje Einsteinov model tuhej látky a Debyeov model tuhej látky. Pre Mössbauerov-Lambov faktor v Debyeovom modeli platí vzťah :
- ,
kde c je rýchlosť svetla vo vákuu, kB je Boltzmannova konštanta, TD je Debyeova teplota a D je Debyeova funkcia.
Informácia obsiahnutá v tvare spektrálnych kriviek
Podstata vyžitia Mössbauerovho javu pri získavaní informácií o vlastnostiach skúmaných materiálov spočíva v zisťovaní vplyvu najbližšieho materiálového okolia na rezonančné atómové jadrá. Tento vplyv je v Mössbauerovom spektre reprezentovaný závislosťou intenzity žiarenia rozptýleného absorbátorom alebo predchádzajúceho cez absorbátor, ktorým je skúmaná vzorka, od vzájomnej rýchlosti žiariča a absorbátora. Mössbauerovo spektrum predstavuje závislosť počtu impulzov reprezentujúcich rozptýlené alebo pohltené kvantá γ zaregistrované v určitom časovom intervale, od relatívnej rýchlosti pohybu absorbátora vzhľadom na zdroj žiarenia γ.
Z parametrov opisujúcich spektrum je možné získať požadovanú fyzikálnu informáciu. Medzi základne parametre Mössbauerovho spektra patria :
1. šírka a intenzita emisnej/absorpčnej krivky,
2. posun absorpčnej krivky,
3. hyperjemná štruktúra absorpčnej krivky.
Referencie
- PETROVIČ, Pavol. Mössbauerova spektroskopia I. Základy teórie a experimentu. Košice : elfa, 2008.