Мессбауэровский спектрометр
Что такое мессбауэровская спектроскопия?
Мессбауэровский спектрометр это прибор, используемый для определения эффекта безоткатного резонансного поглощения γ-квантов от веществ.
Мессбауэровский спектрометр имеет свои корни в ядерной физике, но глубоко укоренился во многих технических областях, таких как химия, физика твердого тела, металлургия, геология, материаловедение, археология и наука об окружающей среде. Его можно использовать для изучения аморфных материалов, твердых поверхностей и химического катализа, минералогии, химической структуры и химической связи, динамики решетки и фазовых переходов, магнитных материалов и сверхтонких полевых исследований, радиационного повреждения и введения ионов, металлов и сплавов, электронных поляризация, дефекты решетки и т. д. В целом его можно найти почти во всех областях науки, где в настоящее время изучается микроструктура вещества.
Открытие мессбауэровского спектрометра
В 1958 году молодой немецкий физик Р. Л. Моссбауре открыл Эффект Мессбауэра при работе над резонансным поглощением Y-квантов атомным ядром Ir.
Эффект Мессбауэра на самом деле является явлением резонансного поглощения Y-лучей без отдачи. В 1961 году за это явление Мессбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике.
В настоящее время обнаружено 42 химических элемента (исключая постурановые элементы), обладающих эффектом Мессбауэра, и обнаружено более 100 ядерных переходов более чем 80 изотопов. Однако мессбауэровские химические элементы легче калия не обнаружены.
Эффект Мессбауэра
Эффект Мессбауэра это явление гамма-излучения и резонансного поглощения ядра атома без отдачи, что означает, что гамма-кванты, испускаемые возбужденным ядром, поглощаются другим атомным ядром того же элемента в основном состоянии и переходят в возбужденное состояние. .
Принцип работы мессбауэровского спектрометра
Эффект Доплера используется для модуляции энергии фотонов гамма-излучения путем регулирования относительной скорости между источником гамма-излучения и поглотителем, чтобы вызвать резонансное поглощение. Кривая изменения между стехиометрией Y-квантов и доплеровской скоростью (представляющая энергию Y-квантов) после прохождения через поглотитель называется спектр мюссбургера.
Структура мессбауэровского спектрометра
Структура Мессбауэровский спектрометр в основном состоит из радиоактивного источника, привода, усилителя, детектора гамма-излучения и устройства регистрации данных. в трансмиссионный мессбауэровский спектр, пики поглощения инвертированы, потому что скорость счета передачи минимальна, когда поглощение резонирует. Для некоторых простых спектров для получения ценной информации необходим только качественный анализ, в то время как для сложных спектров необходимо подогнать их к расщепленным пикам, а затем сравнить их с теоретическими спектральными линиями для получения полезной информации.
А. Источники излучения
A радиоактивный источник является источником, обеспечивающим гамма-излучение с определенной энергией, и выбирается в зависимости от образца (поглотителя). Обычными источниками Масбургера являются 57Co, 119Sn и 121Sb. Ядра Масбургера распределены неравномерно и в основном сосредоточены в пределах атомных номеров 50-80. Самое легкое ядро Мюсбургера — 40К.
Б. Приводное устройство
Приводное устройство используется для обеспечения движения источника излучения, чтобы модулировать частоту или энергию в соответствии с эффектом Доплера.
C. Детектор
Детекторы используются для обнаружения прошедших γ-квантов. Большинство γ-лучей, излучаемых источниками Масбургера, не являются монохроматическими, поэтому необходимо выбрать подходящий детектор. Энергия γ-квантов от Мессбауэровские ядра обычно находится в диапазоне 10-100 кэВ, поэтому можно использовать счетчики положительного отношения, сцинтилляционные детекторы NaI(TI) и полупроводниковые детекторы.
Особенность мессбауэровского спектрометра
Преимущества мессбауэровского спектрометра
а. Простота оборудования и измерений.
б. Наличие одновременно широкого спектра физической и химической информации.
c. Высокое разрешение и чувствительность.
d. Не наносит вреда образцу.
е. Резонансное поглощение наблюдается только у определенных ядер, и эффект Мёссбауэра не нарушается другими элементами.
f. Эффект Мессбауэра Обычно на него влияет внеядерная среда в пределах 2 нм, что делает его очень подходящим для обнаружения мелкокристаллических и аморфных материалов.
g. Объектом исследования может быть проводник, полупроводник или изолятор, а образцом может быть кристаллический или аморфный материал, тонкая пленка или поверхностный слой твердого вещества, порошок, ультрадисперсные частицы или даже замороженный раствор.
Недостатки мессбауэровского спектрометра
а. Измерение газов и менее вязких жидкостей невозможно.
б. Лишь ограниченное число ядер обладают этим свойством. Эффект Мессбауэра, общими элементами являются Fe, Sn и Sb.
c. Многие эксперименты необходимо проводить при низких температурах или в условиях использования препаративных источников.
Эксперимент по мессбауэровской спектроскопии
Мессбауэровская спектроскопия позволяет исследователям анализировать структуру элементов посредством изомерного сдвига, расщепления квадрупольного момента и магнитного сверхтонкого расщепления для анализа структурных элементов атомных ядер.
А. Изомерный сдвиг
Изомерные сдвиги может предоставить информацию о химических связях, валентных состояниях и координационных группах. Когда окружение ядер в падающем источнике и поглотителе различно, возникает разность энергий между поглотителем и источником, называемая однородным аномальным сдвигом, обозначаемая как δ или IS
Однородное аномальное смещение зависит в основном от плотности заряда электрона в положении ядра, что связано с состоянием спаривания электронов вокруг ядра ядра. мессбауэровский атом. δ может быть положительным или отрицательным, и положительный δ указывает на то, что плотность электронного заряда на ядре от радиоактивного источника к поглотителю увеличивается, а объем ядра уменьшается, и наоборот. Если химическое состояние, в котором мессбауэровские атомы в падающем источнике точно такие же, как и в поглотителе, химический сдвиг равен нулю. Когда Атомы мессбауэровского спектра находятся в разных валентных состояниях и разных спиновых состояниях, в принципе существуют разные химические сдвиги.
(Изомерные сдвиги в мёссбауэровской спектроскопии) спектрометр)
Спектр Musburger на месте
Эффект спектроскопии Масбургера имеет резонансное поглощение только для определенных ядер, поэтому тест является целенаправленным и не мешает другим элементам. Простота, высокое разрешение и чувствительность спектроскопии Масбургера делают ее инструментом неразрушающего контроля, способным одновременно предоставлять широкий спектр физико-химической информации. В результате его можно широко использовать в приложениях, специфичных для элементов. На эффект Масбургера обычно влияет внеядерная среда в диапазоне 2 нм, и поэтому он также очень подходит для обнаружения мелкокристаллических и аморфных материалов. Объектом исследования может быть проводник, полупроводник или изолятор, кристаллический или аморфный материал, порошок или ультрадисперсная частица. В настоящее время спектроскопия Масбургера хорошо зарекомендовала себя для характеристики соединений железа.
В последние годы несколько исследователей, изучающих Fe-содержащие катализаторы, начали использовать спектроскопию Мусбургера для характеристики координационного окружения Fe в наноматериалах Fe, что обеспечивает экспериментальную основу для роли Fe в катализаторах. Они попытались охарактеризовать изменения частиц железа в каталитических материалах во время электрохимических процессов, используя тесты спектроскопии Мусбургера in situ, чтобы указать источник их активности. Поскольку сбор сигнала спектра Масбургера требует определенного поглощения тестируемым материалом для получения значимого сигнала. Для природного железа естественное содержание 57Fe, которое может давать сигнал спектра Масбургера, составляет всего около 0.04%, а для железоуглеродных электрокаталитических материалов, в которых содержание железа уже невелико, количество 57Fe, содержащееся в природе, еще меньше и недостаточно. для экспериментальной проверки. Поэтому для подготовки каталитических материалов к испытаниям необходимо использовать изотоп 57Fe. Помимо приготовления тестовых материалов, богатых изотопами 57Fe, необходимо учитывать ослабляющее влияние водного слоя на γ-кванты во время теста. Следовательно, специальные электролитические ячейки должны быть спроектированы таким образом, чтобы иметь как можно более тонкий слой воды в тестовом окне, чтобы соответствовать требованиям испытаний для условий электрохимических испытаний in situ для спектроскопии Масбургера.
B. Квадрупольное расщепление в мёссбауэровской спектроскопии
Расщепление квадрупольного момента дает структуру с ключевыми свойствами, молекулами и электронами. Когда градиент электрического поля не равен нулю и распределение заряда ядра не является сферически-симметричным, возникает электрический квадрупольный момент. Электрические квадрупольные взаимодействия позволяют частично исключить простые энергетические уровни и, следовательно, сверхтонкое расщепление. Квадрупольное расщепление Fe дает изображение двойного пика в спектре Mu, а параметр расстояния между двойными пиками в спектре Mu обозначается ∆Q или QS.
Ядерная энергия и квадрупольное расщепление
(Уровень энергии поглотителя 57Fe / соответствующие бимодальные пики в спектре Масбургера с четырехуровневым расщеплением моментов)
C. Магнитное сверхтонкое расщепление
Часто существует магнитное поле, образованное электронами вне ядра, которое может вызвать дальнейшее расщепление уровней ядерной энергии, также известное как ядерный эффект Зеемана. Как показано на рисунке57, электроны вокруг атома Fe генерируют магнитное поле, и энергетические уровни в ядре Fe расщепляются, обеспечивая шесть возможных ядерных скачков и создавая спектр с шестью пиками. Положения шести пиков и параметры Hf отражают сверхтонкое расщепление уровней ядерной энергии.
Сверхтонкое расщепление возбужденного и основного состояний 57Fe
(Схематическое изображение шестикратного пика магнитного сверхтонкого расщепления на энергетическом уровне поглотителя 57Fe / соответствующий спектр Масбургера)
Как приобрести приборы для мёссбауэровской спектроскопии?
Если вы заинтересованы в нашем Мессбауэровский спектрометр или есть какие-либо вопросы, пожалуйста, напишите по электронной почте info@antiteck.com, мы ответим вам как можно скорее.