1.2 Мессбауэровская спектроскопия

Мессбауэровская спектроскопия (гаммарезонансная спектроскопия), основана на явлении излучения и резонансного поглощения г-квантов атомными ядрами в твердых телах без потери части энергии на отдачу ядра. При этом внутренняя энергия решетки твердого тела не изменяется (не происходит возбуждения фотонов - колебательных квантов). Это явление названо эффектом Мессбауэра. Эффект Мессбауэра позволяет наблюдать ядерное резонансное поглощение (рассеяние) со спектральными линиями естественной ширины Г, которая обычно лежит в интервале от 10^-9 до 10^-5 эВ, что соответствует временам жизни первых возбужденных (так называемых мессбауэровских) ядерных уровней 10^-6 ? t ?10^-10с. Резонансное поглощение г -квантов возможно лишь при Е₀ = Е'₀ (где Е₀ и Е'₀ - энергии возбужденных состояний излучающего и поглощающего ядер соответственно) [3] (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение процессов излучения и резонансного поглощения г-квантов.

Для наблюдения спектра поглощения необходимо контролируемым образом изменить энергию г-квантов DЕ и найти зависимость интенсивности прошедшего через поглотитель пучка г-квантов как функцию этого изменения. Наиболее удобный и обычно применяемый способ - доплеровское изменение энергии DЕ_Д, возникающее при перемещении источника излучения (или поглотителя) с варьируемой скоростью u. Тогда DE_Д = E₀u/c (с-скорость света). Величины электрон-ядерных взаимодействий, обусловливающих различие Е₀ и Е'₀ для одинаковых нуклидов, соответствуют диапазону u в интервале -- 10 см/с ? u ? 10 см/с и обычно составляют менее 10^-6 эВ. Измеряя интенсивность прошедшего через поглотитель г-излучения как функцию скорости u, получают мессбауэровской спектр, характеристиками которого являются положение линий в шкале скоростей, их число, относительная интенсивность, форма и площадь. Для измерения зависимости резонансного поглощения от u используют мессбауэровской спектрометр, упрощенная схема которого представлена на рис. 3 [4]. Все нерезонансные процессы поглощения г -квантов в веществе от u не зависят. Естественно, что в случае наличия различных изотопов в источнике излучения и поглотителе невозможно компенсировать различие Е₀ и Е'₀, которое, как правило, более 10 эВ и обусловлено не электрон-ядерными взаимодействиями, а различиями в ядерном строении. Таким образом, мессбауэровская спектроскопия обладает свойством абсолютной избирательности: резонансное поглощение возможно лишь в случае, когда в источнике излучения и поглотителе существуют ядра одного и того же изотопа (в возбужденном и основном состояниях соответственно). Другие элементы и изотопы не оказывают на него влияние. Количество спектральных линий поглощения и их положение в энергетической шкале зависят от значений спинов ядер в основном и возбужденном состояниях и природы электрон-ядерных взаимодействий в данном веществе, наличия внутриатомных магнитных полей, градиентов электрических полей, природы химической связи.

Рис. 3. Упрощенная схема мессбауэровского спектрометра; источник г-квантов с помощью механического или электродинамического устройства приводится в возвратно-поступательное движение со скоростью u относительно поглотителя. С помощью детектора измеряется зависимость интенсивности потока г-квантов, прошедшего через поглотитель от скорости [3].

Эффект Мессбауэра открыт Р. Мессбауэром в 1958 г., в 1961 г. за это открытие автор удостоен Нобелевской премии.

Магнитное дипольное взаимодействие обычно наблюдается в магнитоупорядоченных веществах (ферро-, антиферро-, ферримагнетиках), в которых на ядра действуют сильные магнитные поля от электронных оболочек. Оно приводит к расщеплению основного и возбужденного состояний ядер, в результате чего в спектре поглощения появляется несколько спектральных линий, число которых определяется величинами спинов ядер в этих состояниях и правилами отбора (например, для ядра ₅₇Fe равно 6).

Энергия магнитного дипольного взаимодействия пропорциональна произведению напряженности магнитного поля (Н) на ядре на магнитный момент m ядра. Измерение (Н) дает возможность изучать электронное и спиновое строение исследуемого соединения и релаксационные эффекты.

Магнитное дипольное взаимодействие широко используется для изучения электронной и спиновой структуры химических соединений (высокоспиновые, низкоспиновые соединения), при исследовании магнитных свойств вещества в зависимости от характера химических связей. Важной особенностью мессбауэровской спектроскопии при изучении магнитных дипольных взаимодействий является высокая чувствительность спектров к локальному окружению мессбауэровских атомов. Поэтому эта область развита для изучения металлов, сплавов, твердых растворов, включая вопросы исследования фазового состава, дефектности, фазовых переходов, упорядочения [3].

А

Б

Рис. 4. Температурная зависимость магнитного момента комплекса [Fe(RSalen)₂]⁺PF₆^- (А) и мессбауэровские спектры комплекса Fe при температурах 293, 125 и 4,2 К (Б)[5].

Уникальная информативность мессбауэровской спектроскопии, относительная простота эксперимента и разработанные теоретические основы обусловили широкое применение мессбауэровской спектроскопии в физике и химии твердого тела, ядерной физике, геологии и археологии, аналитической химии, химической технологии.

1) выращенные кристаллы имеют кубическую форму, что соответствует литературным данным. При рассматривании через микроскоп подтверждается кубическая структура кристалла.

2) окраска кубических кристаллов "турнбулевой сини"-"берлинской лазури" очень близка, что указывает на идентичность их структуры.

3) поскольку более устойчивым является цианидный комплекс Fe (II), то при образовании "турнбулевой сини" происходит валентный переход:

[Fe(CN)₆]^3- + Fe²⁺ = Fe³⁺ + [Fe(CN)₆]^4-

4) таким образом, осуществляется переход к более устойчивому цианидному комплексу Fe (II), т. е. к "берлинской лазури".

5) окраска полученного комплексного соединения железа (III) с ЭДТА соответствует литературным данным (желтая).

6) окраска полученного триоксалатоферрата (III) калия соответствует литературным данным (оранжево-коричневая).

Выводы

1) целью данной работы было установить кубическую структуру и идентичность "турнбулевой сини"-"берлинской лазури".

2) выращены кристаллы турнбулевой сини и берлинской лазури.

3) визуальный осмотр полученных кубических кристаллов свидетельствует о близости формы и окраски этих кристаллов, в том числе и при осмотре через микроскоп.

4) сделан вывод на основании литературных данных, что за счет валентного перехода Fe^II₃[Fe(CN)₆]₂ превращается в Fe₄[Fe(CN)₆]₃, т. е. процесс идет в направлении создания более устойчивого комплекса Fe (II).

5) получено 2,32 грамма триоксалатоферрата Fe(III), что составляет 85% от теоретического выхода

6) получен комплекс железа (III) с ЭДТА

Список литературы

1. Теория кристаллического поля.

http://www.college.ru/chemistry/course/content/theory.html - WWW, курс «Открытая Химия 2.5», 2007

2. Налбандян В. Б. Курс лекций по общей и неорганической химии. - WWW.: Химический факультет РГУ, 2002.

3. Гольданский В.И. Эффект Мёссбауэра. М.: Изд-во АН СССР, 1963;

4. Мёссбауэр Р.Л. Резонансное ядерное поглощение квантов в твердых телах без отдачи. Успехи физических наук, 1960, т. 72, вып. 4, с. 658-671.

5. И.В. Овчинников, Ю.Г. Галяметдинов. Магнитные жидкие кристаллы на основе координационных соединений. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). - 2001. - т. XLV, №3. - С. 74-79.

6. Леенсон И. Лазурь берлинская.

http://www.krugosvet.ru/articles/111/1011153/1011153a1.htm - WWW, энциклопедия «Кругосвет», 2007.

7. Практикум по неорганической химии: Учеб. пособие /под ред. В.П. Зломанова. - М.: Изд-во МГУ, 1994 - 320с.

8. Мелентьева Г.А. Фармацевтическая химия: В 2 т. - М.: “Высшая школа”, 1976. - Т.1 - 780 с.; Т. 2. - 827 с.

9. Беликов В.Г. Фармацевтическая химия: Учеб. для фармац. ин-тов и фак. мед. ин-тов. - М.: “Высшая школа”, 1985. - 768 с.

10. Максютина Н.П и др. Методы анализа лекарств, - Киев: Здоровье,1987

11. Пономарев В.Д. Аналитическая химия. - М.: Химия,1982

12. Крамаренко В.Ф. Токсикологическая химия. - Киев: Выща школа, 1989 г. - 447 с.

13. Справочник школьника по химии 8-11 класс. / под ред. Н.Е. Кузьменко, В.В. Еремина - М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 31 век»:ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. - 624 с.

14. Третьяков Ю.Д. Неорганическая химия. Химия элементов: учебник для вузов. В 2 книгах. - М.: Химия, 2001 - 472с.

15. Химическая энциклопедия. В 5 томах. Том 1. / под ред. Кнунянца И.Л., Зефирова Н.С., Кулова Н.Н. - М.: Большая российская энциклопедия, 1988 - 624 с.

16. В.П. Васильев. Комплексоны и комплексонаты. // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 4. - с. 39-44.

17. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. / глав. ред. В. А. Володин. - М.: Аванта+, 2000. - 640 с.

18. Турова Н.Я., Неорганическая химия в таблицах. - М.: Высш. хим. колл. РАН, 1999. - 140 с.

Приложение

Параметры мёссбауэровских спектров:

1) Вероятность эффекта Мёссбауэра в общем случае записывается в виде [3]:

где <x²>- средний квадрат смещения ядер в поглотителе из положения равновесия при твердотельных колебаниях в направлении пучка г-квантов, l-длина волны г-кванта. Величина <х²> зависит от фононного спектра твердого тела и его абсолютной температур Т. С ростом температуры <x²> растет, а f' падает. Вероятность эффекта Мёссбауэра падает также с уменьшением порядкового номера элемента, так как при этом сильно возрастает энергия первого возбужденного ядерного состояния Е₀ и на ядрах легких элементов эффект не наблюдается. Пока он отмечен для 103 нуклидов 44 элементов.

Исследования зависимостей f' от температуры используют при установлении координационных чисел, для определения фазовых переходов и изучения характерных динамических параметров твердых тел до и после фазового перехода. Особенно эффективен этот метод в области низких и сверхнизких температур и для некристаллических веществ, когда, как правило, затруднены рентгеноструктурные исследования.

Площади спектральных линий, наблюдаемые экспериментально, пропорциональны концентрации исследуемого атома в образце при фиксированной температуре. На измерении этих площадей основано применение мессбауэровской спектрометрии для решения некоторых задач аналитической химии и фазового анализа вещества [4].

2)Энергетический сдвиг спектра излучения относительно спектра поглощения вычисляется как сумма температурного сдвига dT и изомерного сдвига d.

Температурный (доплеровский) сдвиг линии возникает вследствие изменения энергии г-квантов при их излучении и поглощении в результате релятивистского изменения массы излучающих и поглощающих ядер соответственно ("красное смещение"). Например, для ⁵⁷Fe ожидаемое смещение при переходе от комнатной температуры к Т > 0 близко к естественной ширине линии. Поскольку различие в температурах источника и поглотителя более 300 К встречается редко, вклад dT мал и обычно маскируется более сильным сдвигом, который от температуры не зависит.

Для тождественных ядер в отсутствии электрических и магнитных полей спектр представляет собой одиночную линию (рис. 7, а).

Изомерный (химический) сдвиг связан с электрическим монопольным кулоновским взаимодействием между ядром с зарядовым радиусом r и электронами атома [3]:

где е-элементарный заряд, Z-атомный номер, ?<r2>-изменение среднего квадрата радиуса ядра при его возбуждении (ядерный параметр), -квадраты волновой функции s-электронов на ядре в поглотителе (а) и источнике (s) г-излучения соответственно (электронные параметры). Последние представляют большой интерес для химии. Вследствие изменения заселенности s-состояний или экранирования s-электронов валентными р-, d-, f-электронами изменяются значения , измеряемые экспериментально по изомерным сдвигам. Например, в комплексах железа, в зависимости от характера участия d-электронов в химической связи (координации, степени электронной делокализации), максимум резонансного поглощения сдвигается на величину д относительно резонансной линии поглощения (испускания) при u = 0 (рис. 7, б) [4].

Рис. 7. Схематическое изображение спектров мёссбауэровского резонансного поглощения г-квантов: I-интенсивность потока г-квантов, прошедших через поглотитель, u -скорость движения источника г-квантов относительно поглотителя; а - резонансная линия при u = 0; б, в, г - соответственно изомерный сдвиг (d), квадрупольный дублет (DE_Q), магнитная сверхтонкая структура для ядер ⁵⁷Fe.

Значения д отсчитывают от стандарта, который принят для спектроскопии данного ядра. При этом выбирают соединения, стабильное химически и дающее простой мёссбауэровский спектр. Например, в случае ¹¹⁹Sn д отсчитывается от значения, соответствующего соединению ¹¹⁹SnO₂, а для ⁵⁷Fe в качестве стандарта используют нитропруссид натрия.

По величине химического сдвига можно судить о различии в характере химических связей. С помощью мессбауэровской спектроскопии изучено большое число соединений, составлены номограммы, с помощью которые по д определяют валентность элемента в неизученных соединениях. В зависимости от конфигурации валентных электронных оболочек атомов и ионов могут быть проведены квантовомеханические расчеты для свободных атомов. Однако для атомов в твердых телах эти расчеты носят пока полуколичественный характер.

3) Электрическое квадрупольное взаимодействие возникает вследствие взаимодействия квадрупольного момента ядра Q с градиентом электрического поля q, создаваемого электронной оболочкой атома или кристаллической решеткой твердого тела, в результате чего в спектрах поглощения наблюдается не одна, а несколько линий. Если спин ядра I > 1/2, a q ? 0, это взаимодействие приводит к "расщеплению" ядерного энергетического уровня на подуровни, расстояние между которыми определяется, например, для ядра ⁵⁷Fe выражением [4]:

, где

q_xx, q_yy, q_zz - градиенты электрического поля на ядре вдоль соответствующих осей. Величина q характеризует отклонение распределения электронного заряда от сферического.

Размещено на Allbest.ru