Изомерный сдвиг

Сдвиг атомной спектральной линии

Изомерный сдвиг (также называемый изомерным сдвигом) — это сдвиг на атомных спектральных линиях и гамма-спектральных линиях, который происходит в результате замены одного ядерного изомера другим. Обычно его называют изомерным сдвигом на атомных спектральных линиях и мёссбауэровским изомерным сдвигом соответственно. Если спектры также имеют сверхтонкую структуру, сдвиг относится к центру тяжести спектров. Изомерный сдвиг предоставляет важную информацию о ядерной структуре и физическом, химическом или биологическом окружении атомов. Совсем недавно этот эффект также был предложен в качестве инструмента для поиска временного изменения фундаментальных констант природы. ^[1]

Изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях

Изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях — это энергетический или частотный сдвиг в атомных спектрах, который происходит при замене одного ядерного изомера другим. Эффект был предсказан Ричардом М. Вайнером ^[2] в 1956 году, расчеты которого показали, что он должен быть измерим с помощью атомной (оптической) спектроскопии (см. также ^[3] ). Впервые он был обнаружен экспериментально ^{[4] в 1958 году. Теория атомного изомерного сдвига [2] [3]} также используется при интерпретации мессбауэровского изомерного сдвига.

Терминология

Понятие изомера также появляется в других областях, таких как химия и метеорология . Поэтому в первых публикациях, посвященных этому эффекту ^{[3] [2],} использовалось название ядерный изомерный сдвиг на спектральных линиях . До открытия эффекта Мёссбауэра изомерный сдвиг относился исключительно к атомным спектрам ; это объясняет отсутствие слова атомный в первоначальном ^{[2] [3]} определении эффекта. Впоследствии изомерный сдвиг также наблюдался в гамма-спектроскопии через эффект Мёссбауэра и был назван изомерным сдвигом Мёссбауэра . Более подробную информацию об истории изомерного сдвига и используемой терминологии см. в ^{[5] [6].}

Изотопный и изомерный сдвиг в атомных спектральных линиях

Атомные спектральные линии обусловлены переходами электронов между различными атомными уровнями энергии E с последующим испусканием фотонов. Атомные уровни являются проявлением электромагнитного взаимодействия электронов и ядер. Уровни энергии двух атомов, ядра которых являются различными изотопами одного и того же элемента, смещены один относительно другого, несмотря на то, что электрические заряды Z двух изотопов идентичны. Это происходит потому, что изотопы различаются числом нейтронов, и, следовательно, массы и объемы двух изотопов различны; эти различия приводят к изотопическому сдвигу на атомных спектральных линиях.

В случае двух ядерных изомеров число протонов и число нейтронов идентичны, но квантовые состояния и, в частности, энергетические уровни двух ядерных изомеров различаются. Это различие вызывает различие в распределении электрического заряда двух изомеров и, таким образом, различие δφ в соответствующих электростатических ядерных потенциалах φ, что в конечном итоге приводит к различию Δ E в атомных энергетических уровнях. Изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях тогда определяется как

${\displaystyle \Delta E=-e\int \delta \phi |\psi |^{2}\,d\tau ,}$

где ψ — волновая функция электрона, участвующего в переходе, e — его электрический заряд, а интегрирование производится по координатам электрона.

Изотопический и изомерный сдвиг похожи в том смысле, что оба являются эффектами, в которых проявляется конечный размер ядра, и оба обусловлены разницей в энергии электромагнитного взаимодействия между электронами и ядром атома. Изотопический сдвиг был известен за десятилетия до изомерного сдвига и предоставил полезную, но ограниченную информацию об атомных ядрах. В отличие от изомерного сдвига, изотопический сдвиг был сначала обнаружен экспериментально, а затем интерпретирован теоретически (см. также ^[7] ). В то время как в случае изотопического сдвига определение энергии взаимодействия между электронами и ядрами является относительно простой электромагнитной проблемой, для изомеров проблема более сложная, поскольку именно сильное взаимодействие объясняет изомерное возбуждение ядра и, таким образом, разницу в распределении заряда двух изомерных состояний. Это обстоятельство частично объясняет, почему ядерный изомерный сдвиг не был открыт ранее: соответствующая ядерная теория и, в частности, модель ядерных оболочек были разработаны только в конце 1940-х и начале 1950-х годов. Что касается экспериментального наблюдения этого сдвига, то для этого также пришлось ждать разработки новой техники, которая позволила проводить спектроскопию с изомерами, которые являются метастабильными ядрами. Это также произошло только в 1950-х годах.

В то время как изомерный сдвиг чувствителен к внутренней структуре ядра, изотопный сдвиг (в хорошем приближении) нет. Поэтому информация ядерной физики, которая может быть получена из исследования изомерного сдвига, превосходит ту, что может быть получена из исследований изотопного сдвига. Измерения посредством изомерного сдвига, например, разности ядерных радиусов возбужденного и основного состояния, представляют собой один из самых чувствительных тестов ядерных моделей. Более того, в сочетании с эффектом Мёссбауэра изомерный сдвиг представляет собой в настоящее время уникальный инструмент во многих других областях, помимо физики.

Модель ядерной оболочки

Согласно модели ядерных оболочек, существует класс изомеров, для которых в первом приближении достаточно рассмотреть один-единственный нуклон, называемый «оптическим» нуклоном, чтобы получить оценку разницы между распределениями заряда двух изомерных состояний, отфильтровав остальные нуклоны . Это относится, в частности, к изомерам в нечетно-протонных и четно-нейтронных ядрах с почти замкнутыми оболочками. Индий -115, для которого был рассчитан эффект, ^[2] является таким примером. Результатом расчета стало то, что изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях, хотя и довольно мал, оказался на два порядка больше типичной естественной ширины линии, которая составляет предел оптической измеримости.

Сдвиг, измеренный три года спустя ^[4] в Hg-197, оказался довольно близким к рассчитанному для In-115, хотя в Hg-197, в отличие от In-115, оптический нуклон является нейтроном вместо протона, а взаимодействие электрона со свободным нейтроном намного меньше взаимодействия электрона со свободным протоном. Это является следствием того, что оптические нуклоны являются не свободными, а связанными частицами. ^[2] Таким образом, результаты ^[4] можно было бы объяснить ^[8] в рамках теории ^[2], связав с нечетным оптическим нейтроном эффективный электрический заряд Z / A .

Изомерный сдвиг Мёссбауэра

Изомерный сдвиг Мёссбауэра — это сдвиг, наблюдаемый в гамма-спектроскопии при сравнении двух различных изомерных ядерных состояний в двух различных физических, химических или биологических средах, и обусловленный совокупным эффектом безоткатного мёссбауэровского перехода между двумя изомерными ядерными состояниями и перехода между двумя атомными состояниями в этих двух средах.

Изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях зависит от волновой функции электрона ψ и от разности δφ электростатических потенциалов φ двух изомерных состояний.

Для данного ядерного изомера в двух различных физических или химических средах (различные физические фазы или различные химические комбинации) волновые функции электронов также различны. Поэтому, в дополнение к изомерному сдвигу на атомных спектральных линиях, который обусловлен разницей двух состояний ядерного изомера, будет сдвиг между двумя средами (из-за экспериментальной установки они называются источником (s) и поглотителем (a)). Этот комбинированный сдвиг является мессбауэровским изомерным сдвигом, и он математически описывается тем же формализмом, что и ядерный изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях, за исключением того, что вместо одной электронной волновой функции, которая находится в источнике ψ _s , мы имеем дело с разницей между электронной волновой функцией в источнике ψ _s и электронной волновой функцией в поглотителе ψ _a :

${\displaystyle \Delta E_{\text{Mossbauer}}=\Delta E_{\text{s}}-\Delta E_{\text{a}}=-e\int \delta \phi {\big (}|\psi _{\text{s}}|^{2}-|\psi _{\text{a}}|^{2}{\big )}\,d\tau .}$

Первое измерение изомерного сдвига в гамма-спектроскопии с помощью эффекта Мёссбауэра было сообщено ^[9] в 1960 году, через два года после его первого экспериментального наблюдения в атомной спектроскопии. ^[4] Измеряя этот сдвиг, можно получить важную и чрезвычайно точную информацию как о ядерных изомерных состояниях, так и о физическом, химическом или биологическом окружении атомов, представленном электронными волновыми функциями.

В своем мессбауэровском варианте изомерный сдвиг нашел важные приложения в таких разных областях, как атомная физика , физика твердого тела , ядерная физика , химия , биология , металлургия , минералогия , геология и лунные исследования. Для получения дополнительной литературы см. также. ^[10]

Ядерный изомерный сдвиг также наблюдался в мюонных атомах ^[11] , то есть атомах, в которых мюон захватывается возбужденным ядром и совершает переход из возбужденного состояния атома в основное состояние атома за время, меньшее, чем время жизни возбужденного изомерного состояния ядра.

Ссылки

1. Berengut, JC; Flambaum, VV (2010). "Testing Time-Variation of Fundamental Constants using a229Th Nuclear Clock". Nuclear Physics News . 20 (3): 19–22. Bibcode : 2010NPNew..20...19B. doi : 10.1080/10619127.2010.506119. S2CID  119874937.
2. Weiner, R. (1956). «Ядерный изомерный сдвиг в спектральных линиях». Il Nuovo Cimento . 4 (6): 1587–1589. Bibcode : 1956NCim....4.1587W. doi : 10.1007/BF02746390. ISSN  0029-6341. S2CID  122616293.
3. * Вайнер, Ричард (1959). "Распределение заряда возбужденных изомерных ядер и атомных спектров (ядерный изомерный сдвиг)" . Physical Review . 114 (1): 256–260. Bibcode : 1959PhRv..114..256W. doi : 10.1103/PhysRev.114.256. OSTI  4297429.
   • Weiner, Richard (1959). "Ядерная изомерия и атомные спектры". ЖЭТФ . 8 (1): 196. Архивировано из оригинала 2019-07-27 . Получено 2019-07-27 .
4. Мелиссинос, Адриан К.; Дэвис, Самнер П. (1959). «Дипольные и квадрупольные моменты изомерного ядра Hg ^197* ; изомерный изотопный сдвиг». Physical Review . 115 (1): 130–137. Bibcode :1959PhRv..115..130M. doi :10.1103/PhysRev.115.130. hdl : 1721.1/4474 .
5. Ричард М. Вайнер, Аналогии в физике и жизни, World Scientific 2008.
6. SL Ruby, в книге «Сдвиги изомеров Мёссбауэра», редакторы GK Shenoy и FE Wagner, North Holland Publishing Company, 1978, стр. 1.
7. Физический энциклопедический словарь, Советская энциклопедия, Москва, 1962 (Физический энциклопедический словарь), стр. 144.
8. DA Shirley, Ядерные приложения изомерных сдвигов, Труды Международной конференции по эффекту Мёссбауэра, Сакле, 1961, редакторы DH Compton и AH Schoen, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, стр. 258.
9. Кистнер, О.К.; Саньяр, А.В. (1960). «Доказательства квадрупольного взаимодействия Fe ^{57 m} и влияние химического связывания на энергию ядерного гамма-излучения». Physical Review Letters . 4 (8): 412–415. Bibcode : 1960PhRvL...4..412K. doi : 10.1103/PhysRevLett.4.412.
10. Мёссбауэровские изомерные сдвиги, редакторы Г.К. Шеной и Ф.Э. Вагнер, North Holland Publishing Company, 1978.
11. J. Hüfner et al. в Muon Physics, под редакцией VW Hughes и CS Wu, Academic Press 1977, т. 1, стр. 202.