Тақырып: Қатты денелерді зерттеудің резонастық әдістері

Ядролық гамма-резонанс (ЯГР) (Мессбауэр эффектісі)

Металлдарды зерттеудің көптеген қазіргі заманғы физикалық әдістері объектінің электромагниттік толқынның қайсібір түрімен әсерлесуіне негізделген. Барлық жағдайда да түсетін немесе шығатын екінші реттік элекромагниттік толқындардың зерттелмекші жүйе бөлшектерімен жұтылуы немесе шаршауы зерттеледі. Түсетін сәулеленудің жүйенің сәйкес ауысуы энергиясымен дәл келетін қайсібір энергияларында эффект артады –мұндай әдістер резонанстық болып табылады. «Резонас» деген терминнің өзі қайсібір межелік жиіліктерде зерттелмекші материалда оған түсетін электромагниттік сәулелену энергиясының жұтуымен түсіндіріледі. Резонансты жұту құбылысы бірнеше әртүрлі эксперименталдық әдістерде пайдаланылады. Оның ішінде резонанстық құбылысқа 1958жылы ашылған Мессбауэр эффектісі жатады. Бұл эффектінің мәні - кванттардың энергиясының тебуге шығынданбай резонанстық жұтылуында.

- кванттардың резонанстық жұтылу құбылысының негізін қарастырайық. Оптикалық спектроскопиядан атомға энергия келтіру арқылы оны электромагниттік сәулелену шығаратындай дәрежеге дейін қоздыруға болатындығы белгілі. Сонда электромагниттік сәулеленуді атаомның электрондық қабықшалары ғана емес оны ядро да шығарады. Ол - кванттар түріндегі сәулеленуді береді.

Атомның ядросының атомның өздері сияқты дискретті энергия деңгейлері болады, олардың ең төменгісі қалыпты, қалғандары қозған деп аталады. Бұл деңгейлердің арасындағы ауысулар - сәулелердің пайда болуын тудырады. Ядроның барлық қозған күйінің дәлдігі ∆ - шамасына дейінгі дәлдікпен анықталған энергиясы болады. ∆ шамасы анықталмағандықтан қатынасынан шығады ∆ , мұндағы ядроның қозған күйдегі өмір сүру уақыты. Тек қана қалыпты (негізгі) күйде ғана тұрақты ядро үшін , . Неғұрлым шамасы аз болса соғұрлым анықталмағандық ∆ , демек қозған күйдің энергиясының шамасы да көп болады. Бос атомдардың ядросының қозған күйдегі өмір сүру уақыты 10^-13с құрайды. Бұл уақытқа эв энергия сәйкес келеді.

Ядроның қозған энергетикалық күйінің өмірінің шектеулілігі ядроның қозған күйінен негізгі күйіне ауысуынан пайда болатын -сәулеленудің монохроматты еместігіне келтіреді. Бұл моноъхроматты еместік сызықтық табиғи ені деп аталады, ал қозған күйдің энергиясының анықталмағандығы - энергетикалық деңгейдің табиғи ені (және сәйкесінше, шығатын сызықтардың) деп аталады және г әрпімен белгіленеді.

Қалыпты жағдайда ядро жанулық қозғалысқа қатысады. Бұл қозғалыс Доплер эффектісі салдарынан спектральдік сызықтық мұндағы -ядролардың жылулық

жылдамдығы қозғалысының шамасына дейін кеңінен тудырады. Электромагниттік тлқын үшін Доплер эффектісі сәуле шығарушының бақылау нүктесінен - жылдамдықпен қозғалысы бақыланатын жиіліктің шамасының өзгеруіне тең. Спектральді сызықтардың атомдардың жылулық қозғалысындағы Доплерлік кеңені, сәулеленудің жиілігінің ығысуы, жалпы жағдайда әртүрлі атомдар үшін олардың жылдамдықтарының (шамасы бойынша да , бағыты бойынша да ) әр түрлілігі салдарынан әр түрлі екендігі мен түсіндіріледі. Сәуле шығарғыш пен өлшегіш құрылға бір-біріне жақындағанда жиілік артады, ал бір-біріне қашықтағанда кемиді.

59 – сурет 60 – сурет

Бөлмелік температураларда бос атомдардың ядроларының шығаратын спектральдік сызықтарының ені негізінен доплерлік енмен анықталатындығы және шамамен эв құрайтындығын есептеулер көрсетті.

- кванттардың сәулелену және жұтылу актілерінде ядроның тебуін де ескеру керек. энергиялы ядро қозған күйден негізгі күйге (оның энергиясы нөлге тең деп қабылданған) өткенде -квант -ден ядроның тебу энергиясына тең шамаға аз энергия алады .

61 – сурет

Осыған ұқсас ядро қозғанда және ол негізгі күйден энергиялы күйге өткенде жұтылған - кванттың энергиясы -ден -дің яғни -квант жұтатын ядроға беретін тебу энергиясына артық болуы керек . Суреттен көрініп тұрғандай ядроның сәулелену спектірі аз энергия жаққа қарай ығысқанда, жұту спектрі көп энергия жаққа қарай ығысқан. Есептеулер салыстырмалы жұмсақ -сәулелер үшін (энергиясы – 130 кэв) сәулелену және жұту сызықтарының жылжуы тербеліс

болғанда енімен шамалас. Фотонның энергиясы артқан сайын ығысудың шамасы спектральдік сызықтардың енімен 2D –дан асып кетуі мүмкін.

Мұндай жағдайда - кванттардың резонастық жұтылуын байқау мүмкін емес. - канттардың резонансты жұтылуын байқау үшін қалайда ядроның тебу энергиясын теңестіру және олардың жылулық қозғалысының жылдамдығын шұғыл төмендету керек.

1958 жылы Мессбауэр сәулелерді шығару және жұту процесінде ядроның табу энергиясын шұғыл азайтуға мүмкіндік беретін, сондықтан процесстердің практика жүзінде энергияның шығынысыз өтетін жағдай туғызатын әдіс ойлап тапты. Әдіс ядроның -сәулелерді шығаруын немесе жұтуын кристалдық тордлағы ядро арқылы, яғни байланысқан түрдегі бақылауға негізделген.

Бұл жағдайларда тебу импульсі мен энергиясы -квант шығаратын бір ғана ядроға (газдағы оның жұтылуы сияқты) емес түгелдей барлық кристалдың торға беріледі. Кристалдың массасы ядроның массасынан әлдеқалай ауырлығының салдарынан энергияның шығыны -сәулелерді сәулелендіргенде және жұтқанда тым аз болады. Бұл жағдайда қатаң белгілі бір жиіліктегі ( және D=0) резонанстық жұтылу байқалады, жұтылу және сәулелену сызықтары өте жіңішке, тек табиғи ені болады. Тебусіз резонанстың ықтималдығы мынадай шарттарда жоғары: атомдардың тордағы байланысы жеткілікті түрде қатаң болуы (жоғарғы характеристикалық температура), ядроның салыстырмалы үлкен массасы және өте қатаң емес сәулеленуі болады. Осы талаптармен сәуле шығарғыштардың мүмкін қатары анықталады. Эффектіні байқау үшін төменгі энергиялы (150/200 кэВ төмен) және қозған күйінде жеткілікті өмір сүру уақыты бар - ауысуы болатын Мессбауэр изотопының болуы қажет. Қазіргі уақытта Мессбауэр изотопының көптеген саны ИЗ белгілі. Бірақ металлтану мақсаты үшін практика жүзінде олардың өте аз бөлігі (ең жиірек), және басқа да пайдаланылады.

ЯГР- спектрін түсіру мынадай схема бойынша іске асырылады

62 - сурет

-сәулелердің көзін Q және жұтқышы А-ны алады. Жұтқыш А негізгі күйінде сәуле көзінің қозған күйіндегі болатын ядролары болады. Сәуле көзі және жұтқыш қатты дене болулары керек. Өте жұқа жұтқыштың артында көз шығаратын - кванттарды тіркейтін есептегіш 2 орналасады. егер сәуле көзі қозғалмайтын болса ( ), онда оның шығаратын тебусіз - кванттары дәл ауысу энергиясына ие болады, сондықтан жұтқыштың изотопын негізгі күйден қозған күйге (резонанстық жұтылу ауыстыра алады. Резонанс шарты орындалғанды жұтылу жоғары болады, сондықтан есептегіш салыстырмалы аз санды - кванттарды тіркейді. егер сәуле көзі қозғалатын болса онда Доплер эффектісі нәтижесінде сәулеленген -кванттардың энергиясы -ге өзгереді.

Егер жылдамдық u жеткілікті жоғары болса, онда - квант энергиясының шұғыл өзгеретіндігі сонша жұтқышта резонанстық жұтылу болмайды. Әдетте резонанстық жұтылуды толық басып тастау үшін жылдамдықтың секундына бірнеше сантиметр болуы жеткілікті. Мұның салдарынан детектор тіркейтін - кванттардың саны жылдамдық артқан сайын өседі. Міне осының өзі Мессбауэр спектірін түсірудің принципі болып табылады.

Мессбауэрдің экспериментін сәуле өтетін жағдайда ғана емес (1 детек) шағылу жағдайында жүргізуге өткізуге болады. Сонда детектор 2 жұтқыштағы резонанстың жұтылудан кейінгі сәулеленген -кванттарды (резонастықфауорессиенция деп аталатын) тіркейді. Егер резонанс шарты орындалмаса, яғни , онда сәуле көзінен шығатын -кванттар жұтқышқа жетіп резонанстық жұтылмайды да детектор 2-дегі есептеу жылдамдығы аз. Резонанс шарты орындалған уақытта ( ) детектор 2 –дегі есептеу жылдамдығы артады. Өтетін (1) және шағылатын жағдайлар үшін спектрдің түрі суретте келтірілген. Шағылуды түсіру әдісінің артықшылығы сәуле өте алмайтын қалың үлгілерді де пайдалануға болатындығында.