Mössbauer-effekt

Mössbauer-effekt en kan bruges til meget præcise, spektroskopiske målinger med et Mössbauer-spektrometer. En radioaktiv gammastrålingskilde bevæges periodisk frem og tilbage af en stang, der er koblet til og styres af svingninger i to sammenbyggede højtalermembraner. Strålingen sendes mod en prøve og herigennem videre til en detektor. Her måles den transmitterede stråling, og med det tilkoblede elektroniske udstyr bestemmes, hvor meget stråling der er absorberet i prøven som funktion af kildens hastighed. Energien af strålingen vil ved udsendelsen fra kilden være meget veldefineret pga. Mössbauer-effekten, men afhængigt af, om kilden bevæges mod eller fra prøven, vil energien ved prøven være en smule højere eller lavere pga. Dopplereffekten. Meget fine nuancer i prøvens absorptionsspektrum kan derved bestemmes. Ill.: Gram Gl. Skole/KB.

.

Artikelstart

Mössbauer-effekt, (efter R.L. Mössbauer), resonant kernefluorescens, rekylfri emission og absorption af gammastråler fra atomkerner i faste stoffer. Mössbauer opdagede i 1957, at atomkerner i en krystal er i stand til at sprede gammastråling på en sådan måde, at hele krystallen og ikke den enkelte kerne optager rekylenergien fra "sammenstødet" med hvert gammakvant.

Gammakvanter, der udsendes fra atomkerner, vil have energier, som er karakteristiske for den pågældende kerne, og som svarer til forskellen mellem to af kernens energitilstande. Tilsvarende gælder det, at for at blive absorberet i en kerne skal et gammakvants energi have netop samme størrelse (resonansabsorption). Normalt vil gammakvantet imidlertid overføre en del af sin impuls og energi til kernen, hvad enten det udsendes fra eller absorberes i kernen (rekyleffekt). Derved vil et udsendt gammakvant ikke have en veldefineret energi og vil ikke nødvendigvis kunne absorberes igen i en tilsvarende kerne.

Mössbauer opdagede imidlertid, at rekyleffekten kan undgås, hvis de henfaldende og absorberende kerner befinder sig i et fast stof. I en vis del af emissionerne og absorptionerne optages rekylimpulsen og rekylenergien af det faste stof som helhed, og derved vil energien af gammakvantet svare nøjagtig til energien af den overgang i kernen, som er årsag til dets udsendelse. Effekten forekommer i ca. 100 isotoper, men for mange af dem kræves meget lave temperaturer, for at den kan iagttages; for jernisotopen 57Fe kan effekten imidlertid observeres ved stuetemperatur.

For 57Fe er gammakvantets energi (14,4∙103 eV) meget veldefineret, dvs. resonanslinjen er ekstremt smal, og den rekylfri gammastråling kan derfor bruges til meget præcise spektroskopiske målinger (Mössbauer-spektroskopi) med en opløsningsevne bedre end 10-8 eV. Det er tilstrækkeligt til, at man kan studere hyperfinstrukturer og forskydninger af kernens tilstande, som skyldes kernens vekselvirkning med de elektromagnetiske felter fra de omgivende elektroner. En af de første anvendelser af metoden var at påvise, at gammakvanters energi ændrer sig i et tyngdefelt i overensstemmelse med relativitetsteorien.

Ethvert fast stof, som indeholder passende kerner for Mössbauer-spektroskopi, har sit eget karakteristiske Mössbauer-spektrum, hvorfra man kan uddrage oplysninger om magnetiske, kemiske og krystallografiske egenskaber af det faste stof. Mössbauer-spektroskopi kan derfor anvendes til ikke-destruktiv analyse af prøver, som indeholder flere faser, og til studier af amorfe og mikrokrystallinske materialer, som kan være yderst vanskelige eller umulige at karakterisere med andre metoder. Metoden finder anvendelse inden for så forskellige områder som faststoffysik, kemi, materialelære, biokemi, arkæologi og geologi. 4.1. og 25.1.2004 landedes for første gang Mössbauer-spektrometre på en anden planet. Et tyskbygget Mössbauer-spektrometer var en vigtig del af den videnskabelige nyttelast på de to Mars Exploration Rovers, Spirit og Opportunity. Netop dette instrument spillede en afgørende rolle ved identifikation af mineraler på Mars-overfladen, som enten indeholder vand eller er dannet i flydende vand.

Eksperimentel metode

Mössbauerspektroskopi udføres, ved at en radioaktiv kilde med en enkelt emissionslinje af rekylfri gammastråling bevæges frem og tilbage med konstant acceleration i forhold til den prøve, som ønskes undersøgt. Når gammakilden bevæges i forhold til prøven, forskydes energien af strålingen pga. Dopplereffekten. Der er således en entydig sammenhæng mellem kildens hastighed og gammastrålingens energi, og når energien er sammenfaldende med en energiovergang i prøven (absorberen), kan gammakvanterne absorberes resonant. Absorptionen medfører en reduktion af intensiteten af strålingen, som måles med en detektor bag absorberen. Den således målte transmitterede intensitet som funktion af kildens hastighed kaldes et Mössbauer-spektrum.

På Mars blev et modificeret instrument anvendt, idet den tilbagespredte stråling detekteres i stedet for absorptionen. Denne fremgangsmåde blev anvendt for at eliminere behovet for en speciel forberedelse af de undersøgte materialer.

Kommentarer

Din kommentar publiceres her. Redaktionen svarer, når den kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig