Rudolf Ludwig Mössbauer

č. 1
Čs. čas. fyz. 62 (2012)
Rudolf Ludwig Mössbauer
— jeho život, efekt a spektroskopie
Karel Závěta1, Jaroslav Kohout2, Adriana Lančok3
1
Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i., Na Slovance 2, 182 21 Praha 8
Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta, V Holešovičkách 2, 180 00 Praha 8
3
Ústav anorganické chemie AV ČR, v. v. i., Husinec-Řež 1001, 250 68 Řež
2
Biografická data
V přípravách na oslavu 50. výročí udělení Nobelovy
ceny R. L. Mössbauerovi nás zastihla smutná zpráva
o jeho úmrtí. Pouhé tři měsíce ho dělily od tohoto mimořádného výročí, jehož se dožila řada nositelů Nobelovy ceny za fyziku. A je snad zajímavé si je připomenout. Jsou to W. L. Bragg (cena udělena v r. 1915,
zemřel po dalších 56 letech), M. Siegbahn (1924/54),
G. L. Hertz (1925/50), L.-V. P. R. de Broglie (1929/58),
P. A. M. Dirac (1933/51), C. D. Anderson (1936/55), W.
E. Lamb (1955/53) a dosud žijící C. N. Yang a T. D. Lee
(1957) a D. A. Glaser (1960).
Rudolf L. Mössbauer se narodil 31. ledna 1929
v Mnichově otci Ludwigovi a matce Erně, rozené
Ernst. Střední školu (Oberschule – neklasicky zaměřená varianta školy druhého stupně) navštěvoval
v Mnichově-Pasingu a ukončil ji v r. 1948. Než pokračoval ve svých studiích na Technické vysoké škole v Mnichově (Technische Hochschule, München),
pracoval rok v průmyslové laboratoři. V r. 1952 složil zkoušky, jimiž zakončil prvou etapu svého vysokoškolského studia, a prof. Heinz Maier-Leibnitz mu
zadal téma pro jeho magisterskou, a jak se později
ukázalo, i doktorskou disertaci. Týkalo se rezonační absorpce paprsků gama jádry vybraných izotopů.
Na magisterské disertaci pracoval Mössbauer od léta
1953 do března 1955. Magisterský diplom na základě
obhájené disertace obdržel v r. 1955 od Laboratoře
aplikované fyziky na Technické vysoké škole v Mnichově. V té době také zastával místo asistenta na Matematickém ústavu této školy. Prof. Maier-Leibnitz
Mössbauerovi doporučil, aby ve své doktorské disertaci pokračoval na Ústavu Maxe Plancka pro lékařský výzkum v Heidelbergu, kde jednou jeho částí byl
Fyzikální ústav vedený prof. W. Bothem, který právě v r. 1954 dostal Nobelovu cenu společně s Maxem
Bornem za objev a využití koincidenční metody. Sám
H. Maier-Leibnitz ostatně před několika lety z tohoto
pracoviště do Mnichova přišel a stále tam měl kontakty a jistou pozici. Výsledky své disertace publikoval Mössbauer ve třech zásadních článcích [1–3],
kde byly shrnuty základy objevu bezodrazové jaderné
rezonanční absorpce γ záření, za nějž posléze dostal
Nobelovu cenu.
Po dokončení své doktorské disertace byl zaměstnán jako vědecký asistent na Technické vysoké škole
v Mnichově. Uvedené publikace byly také důvodem,
proč byl R. Mössbauer prakticky okamžitě pozván
R. Feynmanem na California Institute of Technology v Pasadeně, kde od r. 1960 pracoval jako vědecký pracovník. Když mu byla 11. prosince 1961 jako
dvaatřicetiletému udělena Nobelova cena společně
s R. Hofstadterem, byl na tomto pracovišti neprodleně jmenován řádným profesorem. V r. 1964 dostal R. Mössbauer nabídku, „jaká se neodmítá“. Jako
novému profesorovi experimentální fyziky na jeho
minulém mnichovském pracovišti mu bylo přislíbeno vybudování nových laboratoří se špičkovým vybavením a široké pravomoci při jejich reorganizaci.
K jeho požadavkům patřilo, aby všechny tři fyzikální
ústavy Technické vysoké školy v Mnichově byly zcela
nově řízeny – do značné míry podle amerického vzoru. Ústavy byly restrukturalizovány do jednotlivých
oddělení vedených profesory se stejnými pravomocemi. Z nich pak bylo na časově omezené období voleno direktorium, jež mělo být zárukou dynamického rozvoje výzkumných plánů. Jeho podmínky byly
v zásadě přijaty a v Mnichově, kde byla v r. 1970 škola přejmenována na Technickou univerzitu, pracoval
R. Mössbauer až do r. 1972, kdy odchází do Grenoblu jako nástupce H. Maiera-Leibnitze do funkce ředitele Institutu Max von Laue-Paul Langevin (ILL)
a vedoucího německo-francouzsko-britského projektu reaktoru s vysokým tokem neutronů. Po skončení
svého pětiletého pobytu v Grenoblu se vrací v r. 1977
do Mnichova, kde se podle některých pramenů situace na Technické univerzitě částečně vrátila do sta rých
pořádků, ale přesto odmítá řadu výhodných nabídek
na zaměstnání, zejména v USA, a zůstává v Mnichově. Zásadně však mění obor svého výzkumu. Ve svém
článku [4] to zdůvodňuje tím, že v době jeho návratu
se využitím efektu bezodrazové jaderné rezonanční
absorpce γ záření, tedy Mössbauerova jevu, zabývaly
stovky laboratoří po celém světě a byly publikovány
tisíce článků z tohoto oboru, a proto chtěl dělat něco
jiného. Neutronové experimenty prováděné v ILL ho
neupoutaly natolik, aby se staly náplní jeho další vědecké práce, avšak reaktor byl kromě neutronů také
silným zdrojem neutrin. Jejich studium ho zaujalo
do té míry, že mu věnoval další roky svého vědeckého bádání. Jeho zájem se postupně přesunul na problematiku solárních neutrin, zejména určení jejich
hmotnosti, rezonancí a přeměn, a měření jejich celkového toku.
http://cscasfyz.fzu.cz
51
52
Historie fyziky
» O experi-
Osobní vzpomínky a komentáře k objevu
bezodrazové rezonanční jaderné absorpce
mentální
důkaz jaderné
rezonanční
absorpce se
dlouho snažila
řada fyziků
bezvýsledně.
«
Pro R. Mössbauera byla jednou z důležitých podmínek akademické práce svobodná mezinárodní spolupráce na co nejširším základě, takže po svém návratu
do Mnichova v r. 1977 v temných dobách studené války,
kdy většina amerických vědců se s kolegy za železnou
oponou prakticky nestýkala, přijímá pozvání a odjíždí
s delegací německých vědců do Sovětského svazu. Tím
byly položeny základy k pozdější vědecké výměně mezi
předními vědci ze Sovětského svazu a pracovníky mnichovské Technické univerzity. Pro podporu spolupráce
byly pořádány pravidelné semináře s americkými a sovětskými účastníky a realizovala se také řada pozvání sovětských vědců k práci na společných výzkumech
v Garchingu.
R. Mössbauer byl nejen mimořádným vědcem, ale
také vynikajícím akademickým učitelem, který bral
svoje přednášky velmi vážně a dovedl jimi strhnout své
studenty. Svým spolupracovníkům poskytoval zpravidla velkou svobodu v jejich výzkumné práci. Jeho umění přednášet a zájem na rozšiřování vědeckých znalostí
do širší společnosti ho přivedly k činnosti v berlínském
spolku Urania, který mu za jeho přednáškovou činnost
jako prvému v r. 1988 propůjčil spolkovou medaili. Byl
také nadaným pianistou a v jeho pracovně obvykle stávalo křídlo, na něž příležitostně hrával. K jeho koníčkům patřilo také fotografování a turistika.
31. března 1997 odchází do penze a je jmenován
emeritním profesorem Technické univerzity v Mnichově. Ačkoliv se vědecké zájmy R. Mössbauera odklonily
od „jeho“ efektu a spektroskopie, nikdy neztratil vědecký a osobní kontakt s početnou skupinou vědců, jež se
jimi zabývají. Ještě během osmdesátých a devadesátých
let publikoval články o jaderné difrakci Mössbauerova záření (viz např. [5]), účastnil se jejich konferencí
ICAME (International Conference on the Applications
of Mössbauer Effect) a např. v r. 1999 v Garmisch-Partenkirchenu oslavoval své sedmdesáté narozeniny jako
její čestný předseda a přednesl tam úvodní referát [4].
Poslední konference ICAME, jíž se účastnil, byla v r.
2003 ve městě Muscat v Omanu.
Byl dvakrát ženatý – se svou první ženou Elisabeth
Pritz měl dcery Suzi a Reginu a syna Petera; jeho druhou manželkou se stala Christel Braun. Jeho život se
završil 14. září 2011.
http://cscasfyz.fzu.cz
Rezonanční absorpce viditelného záření byla pozorována R. W. Woodem již v r. 1904 [6] a byla později
vysvětlena v kvantovém modelu atomu jako důsledek
přechodů mezi energetickými hladinami elektronového obalu s emisí či absorpcí příslušného fotonu. Podobný jev byl hledán i pro přechody mezi jadernými energetickými hladinami, avšak v r. 1929 poukázal Kuhn
na zásadní rozdíl mezi těmito dvěma případy. Problém
spočívá v tom, že šířky čar při přechodech mezi jadernými hladinami jsou ve srovnání s šířkami čar elektronových přechodů o několik řádů menší a naopak díky
velké energii příslušného γ kvanta (desítky až stovky
keV) vede přenos hybnosti při absorpci nebo emisi (izolovaným) jádrem k velké změně energie kvanta o kinetickou energii jádra získanou zpětným rázem [7].
O experimentální důkaz jaderné rezonanční absorpce se bezvýsledně po následujících více než 20 let
snažila řada fyziků. Až v r. 1951 se podařilo Moonovi [8] kompenzovat popsaný rozdíl energií pomocí
Dopplerova posunu energie kvanta umístěním zdroje 198Hg  198Au jaderného γ záření s energií 411 keV
na hrot ultracentrifugy, kde dosahoval lineární rychlosti 670 ms-1 vůči nepohyblivému absorbéru 198Au.
Účinný absorpční průřez pro rezonanční absorpci se
tím zvýšil 104násobně, a tak bylo možné absorpci pozorovat. Jiný přístup volil Malmfors [9], jemuž se podařilo pozorovat jadernou rezonanční fluorescenci pomocí
zvýšeného překryvu emisních a absorpčních čar jejich
rozšířením díky Dopplerovu efektu při vysoké teplotě
zdroje i absorbéru. Pomocí těchto dvou přístupů byla
postupně jaderná rezonanční absorpce pozorována
u řady izotopů.
Na radu svého vedoucího prof. H. Maier-Leibnitze
vybral R. L. Mössbauer pro studium absorpce γ kvantum o energii 129 keV vznikající při přechodu 191Os
na 191Ir. Volba byla provedena podle materiálů knihovny Německého muzea v Mnichově (Deutsches Museum, München) a byla ovlivněna několika faktory: energie přechodu byla dostatečně nízká pro měření teplotní
závislosti absorpce, radioaktivní izotop 191Os byl uveden v „Harwellském“ katalogu a protože v té době neexistoval v Německu žádný reaktor, katalog byl jedinou možností jak požadovaný izotop získat dovozem.
A konečně – doba života excitované hladiny 129 keV
nebyla známa a její určení mohlo být požadovaným novým výsledkem disertace. Během přípravy magisterské
práce postavil Mössbauer v Mnichově detekční systém
sestávající z 12 proporcionálních detektorů, který sice
dosahoval v té době patrně nejvyšší účinnosti ~5 % pro
daný izotop, ta se však ukázala být pro pozorování rezonanční absorpce nedostatečnou.
Jak jsme uvedli již výše, na doktorské práci R. L.
Mössbauer začal pracovat již v Heidelbergu. Ve své
přednášce [4] sám vyjmenovává řadu významných
změn, k nimž po přechodu do Heidelbergu došlo. Především podle příkladu heidelbergských kolegů nahradil svoje mnichovské proporcionální čítače scintilačními detektory s krystaly NaI, jež mají pro záření
o energii 129 keV takřka 100% účinnost – toto rozhodnutí se ukázalo být pro další práci klíčovým. Dalším kladným faktorem v Heidelbergu byl dostatek finančních prostředků na nákup elektroniky, jež jinak
musela být vyráběna vlastními silami. V té době exis-
č. 1
tovala ještě v Německu vojenská vláda, jejíž administrativa si hledala nová uplatnění, a jedním z nich byl
dohled a přidělování spektroskopicky čistých materiálů pro výrobu potřebných izotopů. Podle tehdy platných předpisů se měl písemný kontakt uskutečňovat
přes Max Planck Institut v Göttingenu, který jediný
měl povolení jednat s Brity. Když oficiální cesta nevedla k výsledku, Mössbauer se rozhodl překročit nařízení a napsal rovnou do Anglie, do Harwellu. K jeho
štěstí se tam našla pracovnice, která mu pomohla obejít předpisy a nechala vyrobit radioaktivní zdroje, jež
potřeboval. Jak Mössbauer poznamenává [4], nebylo
tehdy obvyklé, aby anglická dáma pomáhala chudému
německému studentovi, ale její pomoc byla pro celou
práci zásadní.
Konečně posledním šťastným faktorem bylo rozhodnutí, jakým směrem měnit teplotu. Zatímco
Mössbauerův vedoucí práce navrhoval jít stejnou cestou jako Malmfors, tedy zvýšit teplotu a tím zvětšit
překryv čar, Mössbauer si uvědomil, že snížení teploty na teplotu kapalného dusíku, který byl v té době
v Heidelbergu k dispozici, by mělo vést ke zhruba stejnému rozdílu pozorovaného efektu. A stavba a provoz
kryostatu byly jednodušší než stavba a používání pece.
Detekční zařízení dosáhlo rozlišení měřené intenzity
γ záření prošlého vzorkem ΔI/I = (2,7±0,7)x10-4, což
mělo dostačovat k prokázání snížené absorpce vzorkem při zmenšeném překryvu emisní a absorpční čáry
jejich zúžením při snížení teploty. Výsledek experimentu však byl překvapivě opačný – absorpce se při
snížené teplotě zvyšovala.
Při popisu dalších událostí se přidržujeme především vyprávění samotného R. L. Mössbauera [4]. Neočekávané pozorování se nejprve snažil marně vysvětlit
nějakým vedlejším efektem. Obrátil se s prosbou o radu
na prof. Jensena, který ho odkázal na starší publikaci
W. J. Lamba [10], týkající se záchytu pomalých neutronů atomy v krystalu nebo volnými se započtením zpětného rázu. Ovšem sám Jensen spolu se Steinwedelem
publikovali již v r. 1947 teoretickou práci [11], v níž dokazovali, že zabudováním atomu do krystalu nemohou
vzniknout úzké čáry jaderných přechodů. Jak podotýká Mössbauer, v té době pro získání magisterského
titulu v Mnichově nebylo třeba absolvovat kvantovou
mechaniku, takže Jensenovým argumentům plně neporozuměl. Tato příhoda podle něho ilustruje fakt, že
mladí lidé mohou přistoupit k problému nekonvenčním způsobem, který zkušenějšího a erudovanějšího
vědce vůbec nenapadne.
Jak uvádí již Lamb [10], ztráta energie díky zpětnému rázu ER je rovna
ER = (m/M) En ,
Čs. čas. fyz. 62 (2012)
účasti fononu, hybnost kvanta se přenese na krystal
jako celek a MJ je ve vztahu (2) nahrazeno hmotností
celého krystalu. Tím se energie zpětného rázu o mnoho řádů sníží a dojde k bezodrazové rezonanční jaderné absorpci. Tento efekt pak dostal název Mössbauerův jev. Pozorované zvýšení absorpce při snížení
teploty tedy bylo jednoduše vysvětleno tím, že se zvyšuje pravděpodobnost zmíněných bezfononových přechodů. S tímto výsledkem, obsaženým a teoreticky
vysvětleným v práci [1], se Mössbauer vrátil do Mnichova. Zde byl mezitím spuštěn první atomový reaktor
a Mössbauer se připravoval na práci ve fyzice neutronů. Když po 3 měsících vyšla publikace tiskem, autor
si ji, jako svou první práci, pozorně pročetl a zjistil, že
vlastně neprovedl hlavní experiment – změření šířky
příslušné čáry, což by bylo možné s použitím lineárního Dopplerova jevu. Jak sám vypráví, toto poznání
ho tak vzrušilo, že vrazil do pracovny prof. Maiera-Leibnitze a volal: „Jedu nejbližším vlakem do Heidelbergu, zapomněl jsem udělat ten hlavní experiment!“
Když se vrátil do Heidelbergu, kde jeho zařízení stále
ještě existovalo, propadl panice. Poslal totiž preprinty
své práce svým dvěma hlavním konkurentům, specialistům na experimenty s Dopplerovým posunem
– prof. Moonovi do Birminghamu a prof. Metzgerovi
do Filadelfie. Práce byla psána německy a domníval se,
že Moon nebude německy umět. Ale nevěděl, že vedle v pracovně sedí německý emigrant Rudolf Peierls,
který se však naštěstí pro Mössbauera domníval, že
práce je chybná. Takže Moon žádná měření neprovedl.
Uspořádání pokusu. A – kryostat s absorbérem; Q –
otáčivý kryostat se zdrojem; D – scintilační detektor. M
označuje část kruhové dráhy zdroje využité k měření.
(1)
kde m a M jsou hmotnosti dopadajícího neutronu
a absorbujícího jádra, En pak energie neutronu. Když
energii zpětného rázu počítáme pro γ kvantum o energii Eγ , dostáváme
ER = Eγ2 / 2 MJ c2 .
(2)
A Mössbauer si uvědomil, že podobně jako v Lambově případu existuje nenulová pravděpodobnost, že
tuto energii nemůže převzít samotný atom s emitujícím (nebo absorbujícím) jádrem, protože v krystalu je
jeho energie kvantována a přípustné jsou pouze přechody odpovídající vybuzení nebo anihalaci fononu.
Pokud pak dojde k emisi nebo absorpci γ kvanta bez
Závislost relativní intensity (IIr- IPt)/ IPt za Ir nebo Pt
absorbérem na rychlosti zdroje vzhledem k absorbéru.
E=(v/c).E 0 je energetický posun kvant 129 keV
vzhledem k nepohybujícímu se absorbéru. Zdrojem
záření bylo osmium o aktivitě 65 mCurie, jehož
rozpadové schéma obsahuje linii 129 keV isotopu Ir191
Obr. 1, 2 Schéma uspořádání historického Mössbauerova
experimentu a prvá rezonanční čára bezodrazové
absorpce jader izotopu 191Ir (převzato z [3]).
http://cscasfyz.fzu.cz
» ... nebylo
53
tehdy obvyklé,
aby anglická
dáma pomáhala
chudému
německému
studentovi, ale
její pomoc byla
pro celou práci
zásadní.
«
54
Historie fyziky
Metzger, původem Švýcar, německy uměl a dokonce
napsal Mössbauerovi dopis, v němž ho upozorňoval
na chybu ve výpočtu, kde mělo být ¼ kT místo ½ kT,
protože šlo o překryv dvou čar. Mössbauer se však domníval, že se Metzger jen snaží získat čas a s obavami se chodil dívat každé ráno do ústavní knihovny
na nově došlé fyzikální časopisy. Obavy však byly liché, protože ani jeden ze zmíněných konkurentů se
nechystal tento experiment provést. Ve skutečnosti byl
velmi jednoduchý, protože šlo o zjištění změn absorpce řádu jednotek procent, zatímco předchozí měření
při určování účinných průřezů dávala změnu zhruba
o dva řády menší. K uskutečnění svého pokusu potřeboval Mössbauer otáčecí zařízení, ale jeho výroba
v místních dílnách by byla příliš dlouhá, takže místo toho vykoupil v místním obchodě s mechanickými
hračkami všechna ozubená kolečka. Sestavené zařízení nepracovalo příliš hladce, ale to naštěstí nehrálo
podstatnou roli. Schéma zařízení a první experimentální křivka z [2] jsou na obr. 1 a 2.
Protože v tomto případě se dopplerovsky vzájemně posouvaly velmi úzké čáry, potřebné rychlosti byly
zhruba milionkrát menší než u původních Moonových experimentů. Mössbauer si uvědomil, jaké možnosti tato metoda skýtá a požádal ve svém ústavu,
v němž byl tehdy jediný cyklotron v Německu, o výrobu 57Fe (ve skutečnosti šlo zřejmě o přípravu 57Co,
jehož rozpadem vzniká vzbuzený stav 57Fe), která však
byla odmítnuta, zřejmě pro příliš vysokou požadovanou aktivitu. Tento opravdu převratný výsledek chtěl
Mössbauer ve stručné formě publikovat v nějakém nepříliš rozšiřovaném a samozřejmě německém časopise, aby získal čas pro další práci na tomto problému.
Bohužel mu jeho vedoucí práce poradil Naturwissenschaften [2]. Přes svou snahu o „utajení“ dostal během
týdne po zveřejnění 260 žádostí o zaslání reprintu,
takže bylo jasné, že se utajení nepovedlo. Mössbauer
své vyprávění o objevu uzavírá dvěma příhodami.
V Los Alamos se údajně vsadili o korektnost práce,
ale vsazená částka byla jen 5 centů; Mössbauer podotýká, že se mohli vsadit aspoň o 10 („nickel and dime“
se v USA užívá v řadě frází a většinou znamená něco
bezcenného, malé hodnoty, jež se případně může neočekávaně akumulovat).
Druhá příhoda se váže k jeho přednášce na semináři v Heidelbergu v r. 1959, kde byl také přítomen Felix Böhm z California Institute of Technology. Požádal
Mössbauera o preprint, který poslal na své pracoviště,
kde byli dva hlavní teoretici Bob Christie a Dick Feynman požádáni o vyjádření se k práci. Sešli se večer a dohodli se, že si vymění své názory na práci [2], stále publikovanou v němčině, příští ráno. Feynman údajně
prohlásil: Ta celá věc je bláznivá, ale v jeho výpočtech
jsem nenašel žádnou chybu. A do Heidelbergu přišel
slavný telegram o třech slovech: „Get the guy. Signed
Dick Feynman.“
A tak zpráva o udělení Nobelovy ceny za fyziku v r.
1961 – společně s R. Hostadterem – zastihla Mössbauera již v USA. Sluší se ještě uvést, jak bylo udělení ceny
odůvodněno. V případě Roberta Hostadtera to bylo „for
his pioneering studies of electron scattering in atomic
nuclei and for his thereby achieved discoveries concerning the structure of the nucleons“ a u R. L. Mössbauera
„for his researches concerning the resonance absorption
of gamma radiation and his discovery in this connection
of the effect which bears his name“.
http://cscasfyz.fzu.cz
detektor
hlavní
absorbér
podlaha
nástavby
podlaha
3. patra, 69.53´
~73´
mylarová
trubice
na He
podlaha
2. patra
podlaha
1. patra
podlaha
přízemí, 33.70´
zdroj s transduktorem
detektor pro pokus
se zaměněným
zdrojem a absorbérem
Obr. 3 Technický nákres systému v uzavřené věži
v Jeffersonově laboratoři.
Mössbauerova spektroskopie
Spektrum a hyperjemné interakce
Závislost efektu pozorovaného při bezodrazové jaderné absorpci na energii, tj. změnu intenzity primárního
svazku nebo emisi sekundárního záření, konverzních
elektronů nebo doprovodného Rentgenova záření, se
nazývá Mössbauerovým spektrem. Takovým jednoduchým spektrem je historicky první závislost z práce [3]
uvedená v našem obr. 2.
Protože k pozorování Mössbauerova jevu je třeba,
aby atom s příslušným jádrem byl zabudován v krystalu
(pevné látce), je energetické spektrum jader ovlivňováno interakcemi s krystalem. Tyto interakce se nazývají
hyperjemné a dělí se na elektrostatické a magnetické.
Nejjednodušší elektrostatickou interakcí je vzájemné působení prostorové hustoty náboje jádra s elektronovou hustotou v místě jádra. Tato interakce vede k tzv.
izomernímu nebo též chemickému posunu spektra IS
(Isomer Shift), který je dán výrazem
IS = K (Re2 – Rg2) {[Ψs2(0)]a – [Ψs2(0)]b},
kde K je konstanta, Re a Rg je poloměr jádra v excitovaném a základním stavu a Ψs je vlnová funkce s-elektronů v místě jádra absorbéru a referenčního absorbéru.
V další elektrostatické interakci působí gradient
elektrického pole elektronů na kvadrupólový moment
jádra, což vede pro případ s osovou lokální symetrií
ke kvadrupólovému štěpení spektra o velikosti
EQ=eQVzz/4I(2I-1) [3mz2-I(I+1)],
kde e je náboj elektronu, Q je kvadrupólový moment
jádra, Vzz je složka gradientu elektrického pole v místě
jádra, I je spin jádra a mz je magnetické kvantové číslo.
č. 1
Kvadrupólový moment je nenulový pro jádra se spinem větším než ½, a aby se štěpení vedoucí k charakteristickému dubletu ve spektru realizovalo, musí mít
okolí jádra symetrii nižší než kubickou.
Magnetická interakce vede k Zeemanovu štěpení
energetických hladin jádra působením (efektivního)
magnetického pole B v místě jádra na jeho dipolový
magnetický moment. Energie Zeemanova štěpení je
dána výrazem
Em = –g N μN B mz ,
kde g N je jaderný Landéův faktor, μN je jaderný magneton, mz je magnetické kvantové číslo, které nabývá hodnot od I po jednotkách do –I . Hladina se tedy rozštěpí
na (2I + 1) ekvidistantních hladin. Povoleny jsou však
pouze přechody mezi energetickými hladinami jádra
v základním a excitovaném stavu, u nichž je změna
magnetického kvantového čísla Δmz = 0 nebo ±1. Konkrétně tedy pro spin v základním a vzbuzeném stavu
rovném 1/2 a 3/2 (např. případ 57Fe) dochází k šesti dovoleným přechodům a ve spektru vzniká charakteristický sextet.
Velmi stručně lze říci, že izomerní posun podává informaci o hustotě s-elektronů a tedy na příklad o valenčním stavu atomu, v němž se dané jádro nachází. Kvadrupolové štěpení vypovídá především o symetrii rozložení
elektrických nábojů v okolí jádra a tedy o symetrii lokálního okolí jádra. Vzhledem k tomu, že relativní intenzity čar v dubletu závisí známým způsobem na vzájemné
orientaci γ paprsku a hlavní osy gradientu elektrického
pole, můžeme z nich zpětně získat informaci o orientaci
těchto hlavních os vůči osám krystalografickým.
Hyperjemné magnetické pole B v magneticky uspořádaných látkách se skládá z řady příspěvků obou znamének a zpravidla rozhodující roli hraje Fermiho kontaktní interakce s-elektronů s příslušným jádrem. Sluší
se poznamenat, že toto pole závisí na velikosti lokálního elektronového magnetického momentu, a proto se
Zeemanova štěpení využívá ke studiu teplotních závislostí lokálních magnetických momentů. Vzhledem
k tomu, že relativní intenzity čar v sextetu závisejí známým způsobem na vzájemné orientaci γ paprsku a B,
můžeme z nich naopak získat informace o orientaci lokálních momentů.
Efektivní magnetické pole v místě jádra se skládá
z vnějšího, hyperjemného a demagnetizačního. Jestliže
máme k dispozici dostatečně silné magnetické pole, je
pak možné detailně studovat magnetická uspořádání
i ve složitějších případech, např. v magnetických materiálech s více podmřížkami, nekolineární magnetická
uspořádání a další.
Čs. čas. fyz. 62 (2012)
a c je rychlost světla. Je-li výška h udána v metrech, činí
změna frekvence
Δν/ν0 = 1,09 . 10-16 h.
Praktické provedení pokusu zpočátku naráželo
na řadu obtíží. První užívaný mössbauerovský izotop 191Ir má dostatečně intenzivní bezodrazovou rezonanční absorpci jenom při nízkých teplotách, a navíc je
tato absorpční linie poměrně široká (relativní rozlišení
~2,5 . 10-11). Byl tudíž hledán izotop s užší linií poskytující dostatečně intenzivní rezonanční absorpci i při
vyšších teplotách. Volba padla na jádra 57Fe vázaná
v kovovém železe, u nichž je při pokojové teplotě ~70 %
fotonů γ-záření bezodrazových. První měření gravitačního rudého posuvu uskutečnili v Harvardu v roce
1960 R. V. Pound a G. A. Rebka [12]. Experiment provedli ve věži, která je součástí tamní fyzikální laboratoře. Výškový rozdíl mezi zdrojem a absorbérem γ-záření
byl 22 m (viz obrázek 3) a trubice, kterou procházelo záření, byla naplněna plynným heliem, aby byla snížena
absorpce záření ve vzduchu, který obsahuje těžší prvky.
Při experimentu několikrát zaměnili polohu zdroje
a absorbéru. Naměřená střední hodnota relativní změny frekvence fotonů byla v rámci experimentální chyby několik procent v souhlasu s teoretickou předpovědí. Uvedený experiment seznámil s Mössbauerovým
jevem širokou fyzikální komunitu. Později opakoval
experiment R. V. Pound s J. L. Sniderem s ještě větší
přesností [13] (viz obrázek 4) a v roce 1981 T. Katila s K.
J. Riskim pomocí izotopu 67Zn s relativním rozlišením
~5,3 . 10-16 na vzdálenosti 1 m [14].
Ze všech vědeckých prací, které se týkají Mössbauerovy spektroskopie, se nejvíce používá izotop železa 57Fe,
jehož se týká podle údajů Mössbauer Effect Data Center
z r. 2007 až 64 % prací. Na druhém místě v pomyslném
žebříčku je izotop cínu 119Sn s 18 %. Za pozornost ještě
stojí izotopy europia 151Eu, zlata 197Au, antimonu 121Sb
a teluru 125Te, které mají 3 %, resp. 2 %. Řada dalších izotopů je sice využívána, ale v zanedbatelné míře.
Oblasti použití Mössbauerova jevu jsou velmi rozsáhlé a ani dnes nejsou známy všechny možnosti jeho
využití. Mössbauerova spektroskopie je mimořádně
produktivním nástrojem získávání nových poznatků
v širokém spektru oblastí základního a aplikovaného
1,1
55
» Využití
Mössbauerova
jevu je velmi
rozsáhlé
a rozmanité.
«
výsledky dělené
2gh/c2
1
Aplikace MS
K rychlému udělení Nobelovy ceny R. L. Mössbauerovi
pouhé tři roky po publikování práce [1] přispělo jednak
pozorování bezodrazové absorpce γ záření na jádrech
57
Fe, což mělo za následek rychlý rozvoj této spektroskopické metody v mnoha vědních oborech, ale také
potvrzení A. Einsteinem předpovězeného rudého posuvu spektrálních linií v gravitačním poli. Relativní
změna frekvence fotonů (γ-záření) v gravitačním poli
Země je podle speciální teorie relativity dána vztahem
plná délka normální
plná délka obrácená
poloviční délka normální
poloviční délka obrácená
0,9
0,8
březen
duben
květen
červen
červenec
srpen
Δν/ν0 = gh/c2 ,
kde g je místní tíhové zrychlení, h je výška umístění
zářiče nad pozorovatelem, který je na povrchu Země,
Obr. 4 Shrnutí konečných výsledků experimentu o gravitačním posuvu spektrálních čar;
svislé čáry označují standardní odchylku a vodorovné definují dobu měření.
http://cscasfyz.fzu.cz
56
Historie fyziky
Obr. 5 MIMOS (MIniature MOessbauer Spectrometer),
Mössbauerův spektrometr použitý na Marsu.
vědeckého výzkumu, a to od jaderné fyziky přes fyziku
kondenzovaných látek, biofyziku, chemii, medicínu až
po mineralogii, archeologii a technické aplikace, např.
v materiálovém výzkumu, metalurgii nebo geologii.
V následujícím textu upozorníme na některé přehledové publikace, jež se různých vědeckých odvětví týkají.
Metalurgické problematice, a to transformacím v železných slitinách, je věnována publikace [15] a o problémech koroze a reakcích na povrchu a rozhraní slitin
pak pojednává [16]. Použití Mössbauerovy spektroskopie v chemii je velice rozsáhlé a o řadě směrů je dosti
podrobně pojednáno v nedávno vydané knize [17].
O některých relativně časných méně obvyklých aplikacích se lze dozvědět v práci [18]. Použití Mössbauerovy spektroskopie v archeologii je zejména rozšířeno
na řeckých pracovištích a práce [19] patří k prvním shrnujícím pojednáním o tomto směru. Poměrně blízká je
pak aplikace této metodiky na umělecká díla, a to zejména obrazy a sochy [20]. Určení vlastností pigmentů
v malbách je umožněno zejména tím, že řada z nich
obsahuje oxidy železa často jako hlavní složku.
Rozvoj aplikací Mössbauerovy spektroskopie v nejrůznějších odvětvích diskutuje Nagy v přehledové
publikaci [21], kde je také upozorněno na problémy
spojené s rozšířením této metody do odlehlých směrů
výzkumu.
Jedním z významných mezinárodních projektů,
který získal značnou pozornost nejen v mössbauerovské komunitě, ale i široké veřejnosti, byl úspěšný
vývoj a konstrukce miniaturních přístrojů MIMOS –
Miniaturised Mössbauer Spectrometer (obr. 5) – a jejich umístění na kosmických sondách, jejichž přistávací moduly úspěšně dosedly 4., resp. 25. ledna 2004
na protilehlých místech povrchu planety Mars. Z každého modulu byl uvolněn 180 kg těžký pohyblivý robot
MER – Mars Exploration Rover, nejdříve Spirit (viz obr.
6) a pak i jeho dvojče Opportunity. Ty do konce roku
2007 urazily na povrchu Marsu s nainstalovanými vědeckými přístroji vzdálenost 7,5, resp. 10,5 km a pokračují v činnosti. Kromě Mössbauerova spektrometru
a panoramatické kamery jsou na elektromobilu umístěny také TES – Thermal Emission Spectrometer, APXS
– Alpha Particle X-ray Spectrometer, MI – Microscopic
Imager, což je kombinace mikroskopu a CCD kamery
a další přístroje. MIMOS je upevněn na pohyblivém
ramenu robotu, který vysune kobaltový zdroj γ záření
proti zkoumanému materiálu – povrchové nebo předem odfrézované hornině – a detektor registruje zpětně odražené záření. Z Mössbauerových spekter se potom zjišťuje výskyt železných minerálů, z nichž některé
mohou vznikat pouze za přítomnosti vody.
Na obr. 7 je Mössbauerovo spektrum vyvřelé horniny z lokality Meradiani Planum, která obsahuje značný podíl minerálu jarositu (zásaditý síran draselnoželezitý). V části A jsou uvedena spektra při různých
teplotách v oboru rychlostí –12 až +12 mm/s získaná
složením spekter vyvřelin ze dvou různých kráterů.
Část B ukazuje spektrum z jedné lokality po odstranění povrchové vrstvy a jde zde o detail pro nižší rychlosti rozmítání. Ve spektrech jsou identifikovány dva
dublety odpovídající Fe3+ (Jar – jarosit, Fe3D3 – blíže
neidentifikovaná oktaedrická fáze), dublet odpovídající přítomnosti Fe2+ (Px – pyroxen) a sextet magneticky uspořádaného hematitu (Hm). Svislé čárkované
úsečky jsou centrovány z poloh maxim pro teploty 260
a 280 K. Změna polohy maxim při teplotě 200–220 K je
vyvolána známým Morinovým přechodem v hematitu. Přítomnost jarositu na povrchu Marsu je mineralogickým důkazem výskytu vodních procesů na této
planetě [22, 23].
Jaderný rezonanční rozptyl
synchrotronového záření – Mössbauerova
spektroskopie v časové doméně.
Obr. 6 Umělecké přenesení marsovského vozítka Spirit do krajiny jeho přistání.
http://cscasfyz.fzu.cz
V roce 1974 navrhl Ruby [24] novou metodu pro studium hyperjemných interakcí jader v kondenzovaných
látkách, realizovanou v časové doméně pomocí jaderného rezonančního rozptylu synchrotronového záření
jako analogii ke konvenční Mössbauerově spektroskopii v energetické doméně, viz obr. 8 [25]. Toto rozšíření
Mössbauerovy spektroskopie do časové domény bylo
umožněno dostupností zdrojů synchrotronového záření o veliké „brilianci“ [26] ( 1020 fotonů s-1 mm-2 mrad-2/
0,1 % energetické šířky) na synchrotronech ve Francii
(ESRF), Německu (PETRA II), USA (APS) a Japonsku
(SPring8). Mezi izotopy, na kterých byl pozorován jaderný rezonanční rozptyl synchrotronového záření,
č. 1
vyvřelá hornina z Meridiani Planum
(složené spektrum)
(počet pulsů/pozadí) - 1
intenzita dopředně
rozptýleného synchr. záření [l. j.]
60
20
ΔEQ = 0 mm s-1
100
80
60
40
20
ΔEQ = 2 mm s-1
-4
-2
0
2
4
rychlost [mm s-1]
0
20
40 60
čas [ns]
80 100
Obr. 8 Srovnání Mössbauerových spekter v energetické
a časové doméně pro případ singletu a dubletu
(podle [25]).
Literatura
[1] R. L. Mössbauer: „Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung in Ir191“, Z. Phys. 151, 124 (1958).
[2] R. L. Mössbauer: „Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung in Ir191“, Naturwissenschaften 45, 538 (1958).
[3] R. L. Mössbauer: „Kernresonanzabsorption von γ-Strahlung in Ir191“, Z. Naturforsch. A 14, 211 (1959).
[4] R. L. Mössbauer: „The discovery of the Mössbauer effect“,
Hyperfine Interactions 126, 1 (2000).
[5] G. V. Smirnov, U. van Burck, R. L. Mossbauer: „Anomalous transmission of Mossbauer radiation in pure nuclear
Laue diffraction. III. Anisotropic scattering“, J. Phys. C:
Solid State Phys., 21, 5835 (1988).
[6] R. W. Wood: „A quantitative determination of the anomalous dispersion of sodium vapor in the visible and ultra-violet regions“, Proc. Amer. Acad. Arts Sci. 40, 363 (1904).
[7] W. Kuhn: „Scattering of thorium C"γ-radiation by radium
G and ordinary lead“, Phil. Mag. 8, 625 (1929).
[9] K. G. Malmfors: „Nuclear resonance scattering of gamma-rays“, Arkiv for Fysik 6, 49 (1953).
[10] W. J. Lamb, Jr.: „Capture of neutrons by atoms in a crystal“, Phys. Rev. 55, 190 (1939).
260280 K
[11] H. Steinwedel, J. H. D. Jensen: „Über die Anregung von
Molekül und Gitterschwingungen durch den Rückstoss
bei Kernprozessen an chemisch gebundenen Atomen“, Z.
Naturforsch. A 2, 125 (1947).
200280 K
J ar
Hm
[12] R. V. Pound, G. A. Rebka Jr.: „Apparent weight of photons“, Phys. Rev. Lett. 4, 337 (1960).
Px
Fe3D3
-8
-4
0
4
8
spektrum
po odstranění
povrchové vrstvy
12
B
Hm
Px
0
[14] T. Katila, K. J. Riski: „Measurements of the interaction
between electromagnetic radiation and gravitational field
using 67Zn Mössbauer spectroscopy“, Phys. Lett. 83A, 51,
(1981).
[16] G. W. Simmons, H. Leidheiser, Jr.: „Corrosion and interfacial reactions“, in: Applications of Mössbauer Spectroscopy, ed. R. L. Cohen, Academic Press, New York, 1976, s.
85–128.
Fe3D3
-2
[13] R. V. Pound, J. L. Snider: „Effect of gravity on nuclear rezonance“, Phys. Rev. Lett. 13, 539 (1964); „Effect of gravity
on gamma radiation“, Phys. Rev. 140, B788 (1965).
[15] L. H. Schwartz: „Ferrous alloy phase transformations“, in:
Applications of Mössbauer Spectroscopy, ed. R. L. Cohen,
Academic Press, New York, 1976, s. 37–84.
Jar
-4
80
[8] P. B. Moon: „Interference between Rayleigh and nuclear
resonant scattering of gamma rays“, Proc. Phys. Soc. (London), 64, 76 (1951).
A
200220 K
-12
100
relativní přenos [%]
patří zejména 40K, 57Fe, 61Ni, 83Kr, 119Sn, 121Sb, 149Sm,
151
Eu, 161Dy, 169Tm a 181Ta [26].
Jaderný rezonanční dopředný rozptyl (NFS) synchrotronového záření se plně uplatňuje jako metoda
s časovým rozlišením (v časové doméně) od roku 1991
[27–29]. Pro určení hyperjemných parametrů se využívá analýza záznějů v časovém průběhu záření při deexcitaci jaderných hladin po předchozí excitaci pulzem
monochromatizovaného synchrotronového záření.
Další související metoda – jaderný neelastický rozptyl
(NIS) synchrotronového záření, jehož se účastní fonony
(kmity krystalové mříže) při excitaci jaderných hladin
[30] – se využívá k určení fononových spekter studovaných látek a rozšiřuje tak energetickou škálu konvenční
Mössbauerovy spektroskopie, která je pro hyperjemné
interakce v rozmezí energií od 10-9 do 10-7 eV až do energií molekulárních vibrací v rozmezí od 10-3 do 10-1 eV.
Využití jaderného rezonančního rozptylu synchrotronového záření s velkou briliancí, transverzální koherencí a polarizací umožnilo studium elektronové a magnetické struktury vzorků materiálů s velmi malým
objemem, jako jsou tenké vrstvy, multivrstvy a nanočástice. Tyto materiály je možné navíc studovat i při působení vnějších extrémních podmínek, jako jsou vysoké tlaky, silná magnetická pole, extrémní teploty apod.
Možnost využití konvečních zdrojů záření pro
Mössbauerovu spektroskopii je silně omezena u některých izotopů krátkou dobou života radionuklidů,
např. 99 min 61Co  61Ni a 78 h 67Ga  67Zn. Naproti
tomu možnost širokého přeladění energie synchrotronového záření 10–105 eV otevírá nové perspektivy využití dalších izotopů pro studium kondenzovaných látek
pomocí Mössbauerova jevu.
Čs. čas. fyz. 62 (2012)
2
rychlost [mm/s]
Obr. 7 Mössbauerova spektra vyvřelých hornin obsahujících
jarosit. Symboly označující komponenty spekter jsou
vysvětleny v textu.
4
[17] P. Gütlich, E. Bill, A. X. Trautwein: Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg 2011.
[18] R. S. Preston a U. Gonser: „Selected ´exotic´ applications“,
in: Mössbauer Spectroscopy II, ed. U. Gonser, Springer Verlag. Berlin-Heidelberg 1981, s. 167–184.
http://cscasfyz.fzu.cz
» Možnost
57
přeladění
energie fotonů
synchrotronového záření
v širokém
rozsahu
(10–105 eV)
umožňuje
využití dalších
izotopů pro
studium
pevných
látek pomocí
Mössbauerova
jevu.
«
58
Historie fyziky
[19] A. Kostikas, A. Simopoulos, N. H. Gangas: „Analysis of
archeological artifacts“, in: Applications of Mössbauer
Spectroscopy, ed. R. L. Cohen, Academic Press, New York,
1976, s. 241–262.
[20] B. Keisch: „Analysis of works of art“, in: Applications of
Mössbauer Spectroscopy, ed. R. L. Cohen, Academic Press,
New York, 1976, s. 263–286.
[21] D. L. Nagy: „Mössbauer effect: a dual method for myriad
applications“, Hyperfine Interactions 182, 5 (2008).
[22] R. V. Morris, G. Klingelhöfer, B. Bernhardt, C. Schröder,
D. S. Rodionov, P. A. de Souza, Jr., A. Yen, R. Gellert, E. N.
Evlanov, J. Foh, E. Kankeleit, P. Gütlich, D. W. Ming, F.
Renz, T. Wdowiak, S. W. Squyres, R. E. Arvidson: „Mineralogy at Gusev crater from the Mössbauer spectrometer
on the Spirit Rover“, Science 305, 833 (2004).
[23] G. Klingelhöfer, R. V. Morris, B. Bernhardt, C. Schröder,
D. S. Rodionov, P. A. de Souza, Jr., A. Yen, R. Gellert, E.
N. Evlanov, B. Zubkov, J. Foh, U. Bonnes, E. Kankeleit,
P. Gütlich, D. W. Ming, F. Renz, T. Wdowiak, S. W. Squyres, R. E. Arvidson: „Jarosite and hematite at Meridiani
Planum from Opportunity‘s Mössbauer spectrometer“,
Science 306, 1740 (2004).
[24] S. L. Ruby: „Mössbauer Experiments without Conventional Sources“, J. de Physique Coll. 35, C6-209 (1974).
[25] P. Gütlich, E. Bill, A. X. Trautwein: Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg 2011, s. 481.
[26] R.Röhlsberger: Nuclear Condensed Matter Physics with
Synchrotron Radiation. Springer Tracts in Modern Physics Vol. 208, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg 2004.
[27] J. B. Hastings, D. P. Siddons, U. van Burck, R. Hollatz, U.
Bergmann: „Mossbauer spectroscopy using synchrotron
radiation“, Phys. Rev. Lett. 66, 770 (1991).
http://cscasfyz.fzu.cz
Obr. 9 Zařízení na konci „paže“ vozítka Spirit včetně
spektrometru MIMOS.
[28] E. Gerdau, R. Rüffer, H. Winkler, W. Tolksdorf, C. P.
Klages, J. P. Hannon: „Nuclear Bragg diffraction of synchrotron radiation in Yttrium Iron Garnet“, Phys. Rev.
Lett. 54, 835 (1985)
[29] R. L. Cohen, G. L. Miller, K. W. West: „Nuclear resonance
excitation by synchrotron radiation“, Phys. Rev. Lett. 41,
381 (1978).
[30] M. Seto, Y. Yoda, S. Kikuta, X.W. Zhang, M. Ando: „Observation of nuclear resonant scattering accompanied by
phonon excitation using synchrotron radiation“, Phys.
Rev. Lett. 74, 3828 (1995).