Mössbauerspektroskopi: Forskelle mellem versioner

Content deleted Content added
m tilføjet internt link
m redaktionelle småændringer
Linje 1:
'''MøssbauerspektroskopiMössbauerspektroskopi''' er en metode inden for [[fysik|fysisk]]ken metode til identifikation af jernforbindelser, som bygger på møssbauereffektenmössbauereffekten: at [[gammastråling]] kan emitteres og absorberes uden [[rekyl]] hvis de involverede kerner sidder i et krystalgitter. Opdaget i 1958 af R. L. [http://wwwnobelprize.eksempelorg/nobel_prizes/physics/laureates/1961/mossbauer-bio.dkhtml Mössbauer].
 
==Teoretisk baggrund==
 
I den klassiske [[spektralanalyse]] udnyttes atomets evne til at absorbere og emittere [[foton]]er. Det er en kendsgerning at atomer af et givet grundstof kun kan opsugeopsluge og udsende fotoner med visse energier svarende til overgange mellem bestemte energiniveauer i atomet. Et absorptions- eller emissionsspektrum udgør således et "fingeraftryk" af atomet som kan benyttes til identifikationsformål.
 
Atomkerner[[Atomkerne]]r kan på tilsvarende måde emittere eller absorbere fotoner, blot er fotonenergien af størrelsesorden <math>10^5</math> gange så stor. Som konsekvens heraf bærer fotonen en betydelig [[bevægelsesmængde]]. Da den samlede bevægelsesmængde er bevaret ved alle fysiske processer, modtager såvel den emitterende som den absorberende kerne et mekanisk stød ved vekselvirkning med en gammafoton. Ved fotonudsendelsen deles den til rådighed stående energi mellem fotonen og den emitterende kerne. Fotonenergien bliver herved for lille til at fotonen senere kan absorberes af en anden kerne.
 
Løsningen er at indlejre kernerne i et krystalgitter. Rekylenergien (<math>E_\mathrm{R}</math>) ved emission eller absorption af et gammakvant med fotonenergien (<math>E_\gamma</math>) er nemlig givet ved <math>E_\mathrm{R} = \frac{E_\gamma^2}{2Mc^2}</math>. Når kernen sidder i en krystal, erstatter krystallens masse kernemassen på <math>M</math>’s plads i ligningen. Herved bliver forholdet <math>\frac{E_\mathrm{R}}{E_\gamma} = \frac{E_\gamma}{2Mc^2}</math> forsvindende lille, hvorved [[resonans]] muliggøres. Helt rekylfri resonans opnås imidlertid ikke – noget af energien går tabt ved dannelse af [[fonon]]er. Jo stivere krystallen er, jo færre gittervibrationer opstår der, og nedkøling er således en fordel.
 
Kilden består af radioaktive kerner (f.eks. Co-57) som via en exciteret tilstand henfalder til den [[isotop]] (f.eks. Fe-57) som prøven indeholder. Ved rekylfri resonans er det strålingens naturlige liniebredde (<math>\Gamma</math>) som afgør hvor høj opløsningen bliver. Det følger af [[Heisenberg]]s [[ubestemthedsrelation]] at jo længere levetiden (<math>T</math>) af den metastabile tilstand er, jo mindre er strålingens liniebredde: <math> \Gamma T = \hbar</math>, hvor <math>\hbar</math> er [[Planck|Plancks konstant]]. I Fe-57 er forholdet <math>\gamma/E_\gamma</math> mellem liniebredde og fotonenergi af størrelsesorden <math>10^{-13}</math>. Herved kan [[hyperfinvekselvirkning]]en mellem kernerne i prøven og deres magnetiske og kemiske omgivelser studeres.
 
Absorption finder kun sted når fotonenergien stemmer overens med forskellen mellem to energiniveauer i prøven. Dette opnås ved at bevæge kilden. [[Dopplereffekten]] bevirker da at fotonenergien øges når kilden nærmer sig prøven og vice versa: <math>E(v) = E_0\left(1 + \frac{v}{c}\right)</math>. I konkret forstand bliver et mössbauerspektrum herved en graf der viser tælletal som funktion af kildens hastighed (<math>v</math>).
Linje 19:
Isomerforskydningen (<math>\delta</math>) skyldes den elektriske vekselvirkning mellem kerneladning og elektroner. Herved kommer <math>\delta</math> til at afhænge af forskellen mellem elektrontætheden på kernernes plads i kilden og i prøven.
Quadropolopsplitningen (<math>E_\mathrm{Q}</math>) skyldes at kerner nedmed spinkvantetal (<math>I</math>) større end 1/2 har et elektrisk [[quadropolmoment]]. Quadropolmomentet kan vekselvirke med et inhomogent elektrisk felt i kernens omgivelser. I Fe-57 giver det anledning til en opsplitning i to energiniveauer svarende til kernespintilstandene <math>I = 1/2</math> og <math>I = 3/2</math>.
 
Den magnetisk hyperfinvekselvirkning skyldes at kerner med [[spin]] besidder et magnetisk [[dipol-moment]] der vekselvirker med magnetfeltet (<math>B_\mathrm{hf}</math>) ved kernen. Dette magnetfelt skyldes primært det magnetiske moment af elektroner med [[impulsmoment]] nul som med en vis sandsynlighed befinder sig i kernen. Kernespinnet kan orientere sig på <math>2I + 1</math> forskellige måder i forhold til det ydre magnetfelt. I Fe-57 giver det anledning til en yderligere opsplitning i hhv. 2 og 4 energiniveauer. Herved fremkommer en [[sekstet]] i mössbauerspektret.
Linje 27:
==Praktiske anvendelser==
 
Et foreløbigt højdepunkt for mössbauerspektroskopien indtraf i 2004 da man tog metoden i brug under udforskningen af [[Mars]]. De to [[robot]]køretøjer Spirit og Opportunity der blev landsat på Mars som led i missionen Mars Surveyor, medbragte begge permanente [[magnet]]er til opsamling af jernholdigt [[støv]] fra planetens overflade og atmosfære samt et specialudviklet rum-mössbauerspektrometer. Ud fra tilstedeværelse eller fravær af bestemte jernmineraler (maghemit, hematit, magnetit og goethit) kan man udtale sig om støvets dannelseshistorie, herunder afgøre om jernforbindelserne er af [[vulkan]]sk eller [[ocean]]isk oprindelse. Ideen om at anvende mössbauerspektroskopi til besvarelse af spørgsmålet om der har været [[vand]] i store mængder på Mars (og om en vigtig forudsætning for [[liv]] herved har været opfyldt andre steder end på [[Jorden]]) blev undfanget af fysikeren [[Jens Martin Knudsen]] og siden fulgt op af planetforskere[[planet]]forskere i ind- og udland, blandt andre [http://www.nbi.ku.dk/side23308.htm forskningsgruppen] Mars/Mössbauer ved [[Københavns Universitet]] og dens [http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/main.php?ln=d søstergruppe] ved [[Universität zu Mainz]].
 
[[Kategori:Fysik]]