Изомерный сдвиг - Isomeric shift - Wikipedia

В изомерный сдвиг (также называемый изомерный сдвиг) - это сдвиг на атомные спектральные линии и гамма-спектральные линии, возникающие в результате замены одной ядерный изомер другим. Обычно это называется изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях и Мёссбауэровский изомерный сдвиг соответственно. Если в спектрах также есть сверхтонкая структура смещение относится к центру тяжести спектров. Изомерный сдвиг дает важную информацию о ядерной структуре и физическом, химическом или биологическом окружении атомов. Совсем недавно эффект также был предложен в качестве инструмента для поиска изменения во времени фундаментальные константы природы.^[1]

Изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях

В изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях представляет собой сдвиг энергии или частоты в атомных спектрах, который происходит при замене одного ядерного изомера другим. Эффект был предсказан Ричард М. Вайнер^[2] в 1956 г., расчеты которого показали, что его следует измерить с помощью атомной (оптической) спектроскопии (см. также^[3]). Это наблюдалось экспериментально^[4] впервые в 1958 г. Теория изомерного сдвига атомов^[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] название ядерный изомерный сдвиг на спектральных линиях использовался. До открытия Эффект Мёссбауэра, изомерный сдвиг относится исключительно к атомные спектры; это объясняет отсутствие слова атомный в начальном^[2][3] определение эффекта. Впоследствии изомерный сдвиг наблюдался также в гамма-спектроскопия через эффект Мёссбауэра и был назван Мёссбауэровский изомерный сдвиг. Подробнее об истории изомерного сдвига и используемой терминологии см.^[5][6]

Изотопный сдвиг в зависимости от изомерного сдвига атомных спектральных линий

Спектральные линии атомов обусловлены переходами электронов между различными уровнями энергии атома. Eс последующим испусканием фотонов. Атомные уровни - это проявление электромагнитного взаимодействия между электронами и ядрами. Уровни энергии двух атомов, ядра которых представляют собой разные изотопы одного и того же элемента, смещены один относительно другого, несмотря на то, что электрические заряды Z двух изотопов идентичны. Это так, потому что изотопы различаются числом нейтронов, и поэтому массы и объемы двух изотопов различны; эти различия приводят к изотопический сдвиг по атомным спектральным линиям.

В случае двух ядерных изомеров количество протонов и количество нейтронов одинаковы, но квантовые состояния и, в частности, уровни энергии двух ядерных изомеров различаются. Эта разница вызывает различие в распределении электрического заряда двух изомеров и, следовательно, разницу δφ в соответствующих электростатических ядерных потенциалах φ, что в конечном итоге приводит к разнице ΔE на уровнях атомной энергии. Изомерный сдвиг на спектральных линиях атомов тогда определяется выражением

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

где ψ - волновая функция электрона, участвующего в переходе, е его электрический заряд, а интегрирование проводится по электронным координатам.

Изотопный и изомерный сдвиг подобны в том смысле, что оба являются эффектами, в которых проявляется конечный размер ядра, и оба они обусловлены разницей в энергии электромагнитного взаимодействия между электронами и ядром атома. Изотопический сдвиг был известен за десятилетия до изомерного сдвига и давал полезную, но ограниченную информацию об атомных ядрах. В отличие от изомерного сдвига, изотопический сдвиг сначала был обнаружен экспериментально, а затем интерпретирован теоретически (см. Также ^[7]). В то время как в случае изотопического сдвига определение энергии взаимодействия между электронами и ядрами представляет собой относительно простую электромагнитную проблему, для изомеров проблема более сложная, поскольку именно сильное взаимодействие объясняет изомерное возбуждение ядра и таким образом, для разницы зарядовых распределений двух изомерных состояний. Это обстоятельство частично объясняет, почему ядерный изомерный сдвиг не был обнаружен ранее: соответствующая ядерная теория и, в частности, модель ядерной оболочки были разработаны только в конце 1940-х - начале 1950-х годов. Что касается экспериментального наблюдения этого сдвига, ему также пришлось дождаться разработки новой техники, которая позволила бы проводить спектроскопию с изомерами, которые являются метастабильными ядрами. Это тоже произошло только в 1950-х годах.

В то время как изомерный сдвиг чувствителен к внутренней структуре ядра, изотопический сдвиг (в хорошем приближении) нет. Следовательно, информация по ядерной физике, которую можно получить из исследования изомерного сдвига, превосходит то, что может быть получено из исследований изотопического сдвига. Измерения через изомерный сдвиг, например разность ядерных радиусов возбужденного и основного состояний представляет собой один из самых чувствительных тестов ядерных моделей. Более того, в сочетании с эффектом Мёссбауэра изомерный сдвиг в настоящее время представляет собой уникальный инструмент во многих других областях, помимо физики.

Модель ядерной оболочки

Согласно модели ядерной оболочки существует класс изомеров, для которого в первом приближении достаточно рассмотреть один-единственный нуклон, называемый «оптическим» нуклоном, чтобы оценить разницу между зарядовыми распределениями два изомерных состояния, остальные нуклоны отфильтрован. Это, в частности, относится к изомерам в ядрах с нечетными протонами и четными нейтронами с почти закрытыми оболочками. Индий -115, для которого рассчитан эффект,^[2] вот такой пример. Результатом расчета было то, что изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях, хотя и довольно мал, оказался на два порядка больше, чем типичная естественная ширина линии, которая составляет предел оптической измеримости.

Сдвиг, измеренный три года спустя^[4] в Hg-197 был довольно близок к рассчитанному для In-115, хотя в Hg-197, в отличие от In-115, оптический нуклон представляет собой нейтрон, а не протон, и взаимодействие электрона со свободным нейтроном намного меньше, чем электрон-свободный протон. Это следствие того, что оптические нуклоны не свободные, а связанные частицы.^[2] Таким образом, результаты^[4] можно объяснить^[8] в рамках теории^[2] связав с нечетным оптическим нейтроном эффективный электрический заряд Z/А.

Изомерный сдвиг Мёссбауэра

В Мёссбауэровский изомерный сдвиг представляет собой сдвиг, наблюдаемый в гамма-спектроскопии при сравнении двух различных ядерных изомерных состояний в двух разных физических, химических или биологических средах, и обусловлен комбинированным эффектом мессбауэровского перехода без отдачи между двумя изомерными ядерными состояниями и переходом между двумя атомными состояниями в этих двух средах.

Изомерный сдвиг на спектральных линиях атомов 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 (разные физические фазы или разные химические комбинации) волновые функции электронов также различны. Следовательно, помимо изомерного сдвига на атомных спектральных линиях, который обусловлен различием двух ядерных изомерных состояний, будет сдвиг между двумя средами (из-за экспериментальной схемы они называются источником (источниками) и поглотитель (а)). Этот комбинированный сдвиг представляет собой изомерный мессбауэровский сдвиг, и он математически описывается тем же формализмом, что и ядерный изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях, за исключением того, что вместо волновой функции одного электрона, что в источнике ψ_s, речь идет о различии волновой функции электрона в источнике ψ_s и волновая функция электрона в поглотителе ψ_а:

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

Сообщается о первом измерении изомерного сдвига в гамма-спектроскопии с помощью эффекта Мессбауэра.^[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 состояниях ядерных изомеров, так и о физическом, химическом или биологическом окружении атомов, представленных электронными волновыми функциями.

В рамках своего мессбауэровского варианта изомерный сдвиг нашел важные применения в таких различных 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 наблюдался также в мюонных атомах,^[11] то есть атомы, 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.

Рекомендации

1. Berengut, J.C .; Фламбаум, В. В. (2010). "Проверка изменения фундаментальных констант во времени с помощью ядерных часов 229Th". Новости ядерной физики. 20 (3): 19–22. Дои:10.1080/10619127.2010.506119. S2CID  119874937.
2. Вайнер, Р. (1956). «Ядерный изомерный сдвиг на спектральных линиях». Il Nuovo Cimento. 4 (6): 1587–1589. Bibcode:1956NCim .... 4,1587 Вт. Дои:10.1007 / BF02746390. ISSN  0029-6341. S2CID  122616293.
3. • Вайнер, Ричард (1959). «Зарядовое распределение возбужденных изомерных ядер и атомные спектры (ядерный изомерный сдвиг)». Физический обзор. 114 (1): 256–260. Bibcode:1959PhRv..114..256W. Дои:10.1103 / PhysRev.114.256. OSTI  4297429.
   • Вайнер, Ричард (1959). «Ядерная изомерия и атомные спектры». ЖЭТФ. 8 (1): 196.
4. Мелиссинос, Адриан Ч .; Дэвис, Самнер П. (1959). «Дипольные и квадрупольные моменты изомерной Hg.^197* Ядро; Изомерный изотопный сдвиг ». Физический обзор. 115 (1): 130–137. Bibcode:1959ПхРв..115..130М. Дои:10.1103 / PhysRev.115.130. HDL:1721.1/4474.
5. Ричард М. Вайнер, Аналогии в физике и жизни, World Scientific 2008.
6. С. Л. Руби, в Мессбауэровских изомерных сдвигах, редакторы Г. К. Шеной и Ф. Э. Вагнер, North Holland Publishing Company, 1978, с. 1.
7. Физический энциклопедический словарь, Советская энциклопедия, Москва, 1962 (Физический энциклопедический словарь) с. 144.
8. Д. А. Ширли, Ядерные приложения изомерных сдвигов, Proc. Int. Конф. on the Mössbauer Effect, Saclay 1961, редакторы Д. Х. Комптон и А. Х. Шон, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, с. 258.
9. Kistner, O.C .; Суньяр, А. В. (1960). "Доказательства квадрупольного взаимодействия Fe^57м, и влияние химического связывания на ядерную энергию гамма-излучения ». Письма с физическими проверками. 4 (8): 412–415. Bibcode:1960ПхРвЛ ... 4..412К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.4.412.
10. Mössbauer Isomer Shift, редакторы Г. К. Шеной и Ф. Э. Вагнер, North Holland Publishing Company, 1978.
11. J. Hüfner et al. in Muon Physics, под редакцией В. В. Хьюза и К. С. Ву, Academic Press 1977, Vol. 1, стр. 202.