Изомерный сдвиг - Isomeric shift
Изомерный сдвиг (также называемый изомерный сдвиг) является сдвиг на атомных спектральных линий и гамма спектральных линий, которое происходит в результате замены одного ядерного изомера другим. Обычно это называют изомерным сдвигом на атомных спектральных линиях и мессбауэровским изомерным сдвигом соответственно. Если спектры также имеют сверхтонкую структуру, 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 фундаментальных констант природы.
Изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях
Изомерный сдвиг на атомных спектральных линиях является энергия или сдвиг частоты в атомных спектрах, которое происходит , когда один замещает один ядерный изомер другим. Эффект был предсказан Ричардом М. Вайнером в 1956 году, расчеты которого показали, что его следует измерить с помощью атомной (оптической) спектроскопии (см. Также). Впервые экспериментально это наблюдалось в 1958 году. Теория изомерного сдвига атомов используется также при интерпретации мессбауэровского изомерного сдвига.
Терминология
Понятие изомер также появляется в других областях, таких как химия и метеорология . Поэтому в первых публикациях, посвященных этому эффекту, использовалось название ядерный изомерный сдвиг на спектральных линиях . До открытия эффекта Мёссбауэра изомерный сдвиг относился исключительно к атомным спектрам ; это объясняет отсутствие слова " атомарный" в первоначальном определении эффекта. Впоследствии изомерный сдвиг также наблюдался в гамма-спектроскопии через эффект Мёссбауэра и был назван изомерным мессбауэровским сдвигом . Подробнее об истории изомерного сдвига и используемой терминологии см.
Изотопный сдвиг в зависимости от изомерного сдвига атомных спектральных линий
Атомные спектральные линии обусловлены переходами электронов между различными атомными энергетическими уровнями E с последующим испусканием фотонов. Атомные уровни - это проявление электромагнитного взаимодействия между электронами и ядрами. Уровни энергии двух атомов, ядра которых являются разными изотопами 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 вызывают изотопический сдвиг на спектральных линиях атомов.
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 индуцирует разницу в распределении электрического заряда двух изомеров , и , таким образом , разность δφ в соответствующих электростатических ядерных потенциалах ф, что в конечном итоге приводит к разности Δ E в атомных энергетических уровнях. Изомерный сдвиг на спектральных линиях атомов тогда определяется выражением
где ψ - волновая функция электрона, участвующего в переходе, e - его электрический заряд, а интегрирование проводится по координатам электрона.
Изотопный и изомерный сдвиги 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). 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 можно получить из исследований изотопического сдвига. Измерения через изомерный сдвиг, например, разности ядерных радиусов возбужденного и основного состояний, представляют собой одну из наиболее чувствительных проверок ядерных моделей. Более того, в сочетании с эффектом Мессбауэра изомерный сдвиг 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 отфильтровываются . Это, в частности, относится к изомерам в ядрах с нечетными протонами и четными нейтронами с почти закрытыми оболочками. Индий- 115, для которого был рассчитан эффект, является таким примером. 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 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, а электронно-свободный - нейтронное взаимодействие намного меньше, чем взаимодействие электрона со свободным протоном. Это следствие того, что оптические нуклоны не свободные, а связанные частицы. Таким образом, результаты могут быть объяснены в рамках теории, связывая с нечетным оптического нейтрона эффективный электрический заряд Z / A .
Мёссбауэровский изомерный сдвиг
Изомерный сдвиг мессбауэровский является сдвигом видел в гамма-спектроскопии при сравнении два различных изомерных состояний ядер в двух различных физических, химических или биологических средах, и обусловлена совместное действие отдачи свободной мессбауэровского перехода между двумя ядерными изомерным состояния и переход 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 мессбауэровский изомерный 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 , рассматривается разница между волновая функция электрона в источнике ψ s и волновая функция электрона в поглотителе ψ a :
Первое измерение изомерного сдвига в гамма-спектроскопии с помощью эффекта Мёссбауэра было сообщено в 1960 году, через два года после его первого экспериментального наблюдения в атомной спектроскопии. 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 исследования Луны. Для получения дополнительной литературы см. Также.
Ядерный изомерный сдвиг также наблюдался в мюонных атомах, то есть в 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 ядра. изомерное ядерное состояние.