|
|
|
|
Artur Błachowski, Krzysztof Ruebenbauer
Spektroskopia mössbauerowska
|
|
Rysunek 1. Układ poziomów energii dla stanu podstawowego i pierwszego stanu wzbudzonego jądra 57Fe: izolowane jądro (Jądro), jądro w powłoce elektronowej (Atom), po włączeniu elektrycznego oddziaływania kwadrupolowego (gradientu pola elektrycznego - GPE) oraz po włączeniu dodatkowo oddziaływania magnetycznego dipolowego (B). Rzeczywista odległość poziomu wzbudzonego od podstawowego jest około 100 miliardów razy większa od odległości pomiędzy poszczególnymi podpoziomami (w skali tego rysunku byłaby większa niż odległość Ziemia - Księżyc). Na rysunku pokazano przypadek osiowo symetrycznego gradientu pola elektrycznego o osi głównej równoległej do pola magnetycznego. Pokazany schemat poziomów wystąpi dla dodatniego gradientu pola elektrycznego. Dolna część rysunku pokazuje ideę działania spektrometru mössbauerowskiego. Pokazana jest sytuacja, kiedy badana próbka jest absorbentem. W takim przypadku używa się źródła o pojedynczej linii - najlepiej w formie folii o grubości około 0,006 mm. Rysunek ten pochodzi z pracy [1] |
Zakład posiada unikalną aparaturę do badań w wysokich temperaturach, prowadzonych metodą emisyjnej (od strony źródła) spektroskopii mössbauerowskiej w kontrolowanej atmosferze otaczającej źródło (próbkę). Aparatura umożliwia badania na źródłach w formie monokryształów, gdzie kierunek emisji rejestrowanego fotonu może być dowolnie zmieniany in situ. Posiadamy także urządzenia do produkcji źródeł w postaci płytek monokrystalicznych. Urządzenia te zostały zbudowane w Zakładzie.
Ponadto do naszej dyspozycji pozostaje najbardziej zaawansowany technologicznie spektrometr mössbauerowski MsAa-3 opracowany i wdrożony do produkcji we współpracy z krakowską firmą RENON prowadzoną przez mgr. inż. Roberta Górnickiego. Spektrometry te są zainstalowane także w kilku wiodących w skali światowej laboratoriach. Podstawowy zestaw takiego spektrometru jest pokazany na rysunku 2.

|
Rysunek 2. Podstawowy zestaw realnego spektrometru mössbauerowskiego MsAa-3. Źródło znajduje się we wnątrz osłony przed promieniowaniem |
Zakład dysponuje także najbardziej zaawansowanym pakietem oprogramowania do opracowywania danych mössbauerowskich ab initio - MOSGRAF. Pakiet ten w dużej mierze powstał w Zakładzie, a jego początkowe wersje zostały napisane przez K. Ruebenbauera w McMaster University w Hamilton w Kanadzie. Pakiet ten jest stosowany przez szereg wiodących laboratoriów z zakresu fizyki materiałów, jak na przykład Los Alamos National Laboratory w New Mexico. Ośrodek w Los Alamos powstał w czasie II wojny światowej jako centralne laboratorium w ramach Projektu Manhattan, którego celem było wyprodukowanie pierwszych bomb jądrowych.
Ostatnio w Zakładzie zainstalowano serwer Instytutu Fizyki służący do intensywnych obliczeń struktur elektronowych metodą ab initio przy użyciu pakietu Wien2k autorstwa Petera Blahy i współpracowników z Politechniki Wiedeńskiej. Serwer ten służy także do wykonywania czasochłonnych obliczeń za pomocą pakietu MOSGRAF.
Do ważniejszych wyników uzyskanych w ostatnich latach można zaliczyć wykazanie, że frakcja bezodrzutowa może wykazywać anizotropię w kryształach o najwyższej symetrii sześciennej. Anizotropię taką znaleziono w kryształach NaCl (chlorek sodu - sól kamienna) w wysokiej temperaturze metodą nierezonansowego rozpraszania składowej sprężystej (bezodrzutowej) promieniowania emitowanego ze źródła rezonansowego. Dane doświadczalne uzyskał profesor James G. Mullen na zbudowanej przez siebie specjalnej apara turze. Był to pierwszy na świecie, nie budzący wątpliwości, przypadek znalezienia takiego zjawiska. Tym samym zostało stwier dzone, że ruch drgający atomów w wyższej temperaturze nie ma charakteru ściśle periodycznego [2-3].
Innym ważnym wynikiem jest znalezienie bardzo szybkiej dyfuzji atomów żelaza w otwartych kanałach struktury rutylu (dwutlenek tytanu - TiO2). Żelazo powstaje tam po rozpadzie kobaltu (prekursora) w egzotycznym stanie elektronowym, który bardzo szybko się rozpada. W wyniku zastosowania emisyjnej spektroskopii mössbauerowskiej udało się ustalić własności tego stanu elektronowego, dysponując zaledwie pojedynczymi atomami w tym stanie, tzn. że w danej chwili czasu mamy co najwyżej jeden atom w tym stanie [4-6].
Zbadano także dynamikę drgań sieciowych, strukturę elektronową oraz mechanizmy dyfuzji domieszki żelaza powstającego w monokryształach tlenku kobaltawego, mieszanym tlenku kobaltawo-kobaltowym oraz w metalicznym kobalcie po rozpadzie promieniotwórczego kobaltu. Stwierdzono po raz pierwszy na poziomie mikroskopowym zależność szybkości dyfuzji domieszki od równowagowego ciśnienia parcjalnego tlenu, które to ciśnienie reguluje stężenie wakansji (pustych miejsc w sieci). Szybkość dyfuzji gwałtownie wzrasta ze wzrostem stężenia wakansji [7-9]. Z kolei stężenie wakansji w sieci kobaltu wzrasta ze wzrostem ciśnienia tlenu dla tlenku kobaltawego.
W ostatnim czasie stała się możliwa spektroskopia mössbauerowska przy zastosowaniu promieniowania synchrotronowego. W Zakładzie opracowano metodę badania dyfuzji za pomocą wiązek rezonansowych generowanych na synchrotronie i przy użyciu nierezonansowego rozpraszania quasi-sprężystego na próbkach monokrystalicznych. Jest to obecnie najbardziej kompletna teoria takiego procesu [10]. Wcześniejsze prace na ten temat zostały opublikowane przez G.V. Smirnova i W. Petry.
U. van Bürck i współpracownicy zaproponowali natomiast zastosowanie promieniowania synchrotronowego do badania rotacji cząsteczek w cieczach przy wykorzystaniu rezonansowego wzbudzenia jądrowego. Jest to możliwe ze względu na bardzo dużą intensywność promieniowania synchrotronowego. Metoda posiada dużo podobieństw do „klasycznej” metody zaburzonych korelacji kierunkowych. W naszym Zakładzie opracowano metodę pozwalającą na uzyskiwanie istotnych parametrów z takich „widm” metodami ab initio, tzn. poprzez bezpośrednie całkowanie i średniowanie zależnego od czasu równania Schrödingera [11]. Jest to interesujący problem, gdyż mamy do czynienia z „otwartym” układem kwantowo-mechanicznym podlegającym klasycznym zaburzeniom stochastycznym. Do jego rozwiązania użyto metody Monte Carlo przystosowanej do zastosowania w obszarze mechaniki kwantowej.
Jak zresztą wspomniano powyżej, jądro rezonansowe jest miniaturową sondą czułą na lokalną gęstość elektronową, lokalny gradient pola elektrycznego (elektryczne oddziaływanie kwadrupolowe) oraz na lokalne pole magnetyczne. Jeżeli sporządzimy stochastyczny stop o dwóch składnikach zawierający chaotycznie rozłożone domieszki w węzłach sieci otaczających atom rezonansowy będący pierwiastkiem stanowiącym główny składnik stopu, to dostaniemy rozkład oddziaływań nadsubtelnych odzwierciedlający wpływ domieszki na rozkład ładunku elektrycznego i namagnesowania w funkcji odległości domieszki od jądra rezonansowego. Z drugiej strony zaburzenie wywołane przez domieszkę może być obliczone metodami ab initio, stosując na przykład pakiet Wien2k. Pozwala to na wyciągnięcie wielu wniosków na temat oddziaływania pomiędzy elektronami w substancji metalicznej. Program takich badań został ostatnio zainicjowany w naszym Zakładzie. Opracowano niezbędne narzędzia do przetwarzania danych i dokonano pomiarów na kilku wybranych systemach. Można stwierdzić, że zaburzenie gęstości ładunkowej oraz gęstości spinowej elektronów przewodnictwa (namagnesowania) wywołane domieszką rozciąga się na małe odległości - do dwóch lub trzech odległości międzyatomowych [12-13]. Rysunek 3 pokazuje widma uzyskane w temperaturze pokojowej dla stopów żelazo-pallad. W miarę wzrostu stężenia palladu (Pd) opisanego parametrem widma ulegają zmianie w wyniku zaburzeń od domieszek Pd w najbliższym otoczeniu rezonansowych atomów żelaza.

|
Rysunek 3. Widma mössbauerowskie próbek żelaza me talicznego domieszkowanego palladem. Stężenie atomowe palladu jest pokazane przy każdym widmie. Widać wpływ palladu na gęstość ładunkową i spinową na jądrze rezonansowym 57Fe. Szczególnie istotny jest wpływ najbliżej położonych domieszek [12]. W próbkach tych nie występuje gradient pola elektrycznego. Proszę zauważyć wzrost szerokości linii ze wzrostem stężenia palladu (wynik sumowania po wielu nieco różnych widmach składowych dla różnych otoczeń) oraz wzrost odstępów pomiędzy liniami (przy małych stężeniach palladu pole magnetyczne na jądrach żelaza rośnie ze wzrostem stężenia palladu, mimo że pallad praktycznie nie posiada atomowego momentu magnetycznego w po równaniu z żelazem) |
W Zakładzie opracowano też szereg unikalnych rozwiązań konstrukcyjnych związanych z prowadzoną działalnością. Jako przykład może posłużyć skonstruowanie laserowego interferometru do kalibracji prędkości spektrometru mössbauerowskiego. Zastosowano specjalne rozwiązania, które powodują, że przyrząd ten nie jest wrażliwy na zakłócenia [14].
Pełny opis działalności Zakładu i ważniejszych wyników można znaleźć na stronie:
www.elektron.ap.krakow.pl. Mamy nadzieję, że ten krótki opis jest w stanie dać ogólne wyobrażenie o działalności naukowej prowadzonej w Zakładzie. Dalsze informacje można uzyskać na naszej stronie WWW cytowanej powyżej. Będziemy wdzięczni za bezpośrednie pytania i komentarze przesyłane na adres: sfrueben@cyf-kr.edu.pl
Skład osobowy: dr inż. Artur Błachowski (adiunkt), prof. dr hab. inż. Krzysztof Ruebenbauer (profesor zwyczajny - kierownik); poprzedni pracownicy: dr hab. inż. J. Dryzek, dr J.T. Kowalik, dr inż. M. Kwater, dr inż. U.D. Wdowik, dr K. Włodarczyk.
Historia: Zakład powstał od podstaw w 1990 r.
Artur Błachowski,
Krzysztof Ruebenbauer
Przypisy
1 A. Błachowski, K. Ruebenbauer, and J. Jura, Zastosowanie spektroskopii mössbauerowskiej w badaniach przejść fazowych stali, „Hutnik - Wiadomości Hutnicze” 71 (7-8), 316 (2004).
2 K. Ruebenbauer, U.D. Wdowik, and M. Kwater, Expansion of the Lamb-Mössbauer factor into semi-invariants, „Physica” B 229, 49 (1996).
3 K. Ruebenbauer and U.D. Wdowik, Quartic anisotropy of the recoilless fractions in NaCl, „Phys. Rev.” B 61, 11416 (2000).
4 K. Ruebenbauer, U.D. Wdowik, and M. Kwater, Calculation of the recoilless -ray emission spectra from a substitutional impurity diffusing via the <001> channels in the rutile structure, „Phys. Rev.” B 54, 4006 (1996).
5 K. Ruebenbauer, U.D. Wdowik, M. Kwater, and J.T. Kowalik, Extended model of the channel diffusivity in the rutile structure, „Phys. Rev.” B 54, 12880 (1996).
6 U.D. Wdowik and K. Ruebenbauer, Emission Mössbauer spectroscopy in TiO2 single crystal, „Phys. Rev.” B 63, 125101 (8) (2001).
7 K. Ruebenbauer and U.D. Wdowik, Nucleogenic iron charge states in CoO studied by Mössbauer spectroscopy, „J. Phys. Chem. Solids” 65 (11), 1785 (2004).
8 K. Ruebenbauer and U.D. Wdowik, Emission Mössbauer spectroscopy in the Co-O system under high oxygen pressure, „J. Phys. Chem. Solids” 65 (11), 1917 (2004)
9 K. Ruebenbauer and U.D. Wdowik, Nucleogenic iron studied by emission Mössbauer spectroscopy in Co-metal, „J. Phys. Chem. Solids” 66 (5), 716 (2005).
10 A. Błachowski and K. Ruebenbauer, Possible application of the SGMR interferometry to look upon microscopic mechanisms of diffusion in single crystals of partly disordered alloys, „Contribution to the series Recent Research Devel opments in Physics published by Transworld Research Network”, Volume 4, 37/661(2)-16, p. 333 (2003).
11 A. Błachowski and K. Ruebenbauer, Sensitivity of the synchrotron radiation perturbed angular correlation method to the rotation of resonant molecules, „Synchrotron Radiation in Natural Science” 3, No. 1-2, 2 (2004).
12 A. Błachowski, K. Ruebenbauer, and J. Żukrowski, Effect of Pd impurity on charge and spin density in metallic iron studied by Mössbauer spectroscopy, „Physica Scripta” 70 (6), 368 (2004).
13 A. Błachowski, K. Ruebenbauer, and J. Żukrowski, Charge and spin density perturbation on iron atom due to osmium impurity in metallic iron, „Nukleonika” 49, Suppl. 3, 67 (2004).
14 M. Kwater, Laser calibration of the Mössbauer spectrometer velocity: Improvements in design, Hyperfine Inter actions 116, 53 (1998).
|
Copyright © "Konspekt". Kraków, lipiec 2005 . Statystyka |