MÖSSBAUER SPEKTROSKOPİSİ

Zümrüt VAROLZümrüt VAROL

MÖSSBAUER

SPEKTROSKOPİSİ

Zümrüt VAROL

Gazi Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü

İleri Teknolojiler ABD


Anlatacaklarım• Rudolf Ludwig Mössbauer

• Mössbauer Etkisi

• Geri Tepme

• 57Fe Geri Tepme Enerjisi

• Geri Tepme Etkisi

• Doppler Etkisi

• Mössbauer Parametreleri

• İzomerik Kayma

• Kuadropol Yarılma

• Manyetik Yarılma

• Nükleer Enerji Seviyelerinin Mössbauer Spektrumundaki Yarılmaları

• İdeal Mössbauer Spektrumu

• Mössbauer Spektrometresi

• Mössbauer Spektrometresinin Çalışma Prensibi

• Mössbauer Kaynak Seçimi

• Mössbauer Parmak İzi

• Mössbauer Spektroskopisinde Kullanılan Yaygın İzotoplar

• Mössbauer Spektroskopisi Kullanım Alanları

• Fe (II) Bileşiklerinin 57Fe Mössbauer Spektrumları

• Kaynaklar


Rudolf Ludwig Mössbauer

• Münih’de doğmuştur.

• Münih Teknik Üniversitesi’nde

fizik eğitimi almıştır.

• Amerikalı Robert Hofstadter ile

1961 yılında “Mössbauer Etkisi”

adlı çalışmasıyla Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülmüştür.


Mössbauer Etkisi

• Mössbauer etkisi; uyarılmış bir atom çekirdeğinden gama

ışınlarının yayınımı ve soğurulması ile ilgilidir.

• Yüklü çekirdeğin elektromanyetik momenti ve çekirdeğin

dışında bulunan elektronların oluşturduğu elektromanyetik

alan arasındaki etkileşimi inceler.

• Bu etkileşimler nükleer enerji seviyelerinde yarılma ve

kaymalara neden olur.


Geri Tepme

• Bir tüfek ateş ettiği zaman geri teper. Aynı şekilde

momentum korunumu gereği serbest çekirdek emisyonu

sırasında geri teper ya da gama ışınlarını absorplar.

• Bir çekirdek gama bozunmasında enerji (Q) geçişi

yaptığında (14.4 keV) momentumun korunumu çekirdeği geri

tepme gerektirir.

fi EEQ ppN NTQE

Nm

pQE N

2

2

2

2

2 cm

EQ

N


57Fe Geri Tepme Enerjisi

eVGeV

keV

cm

EE

N

geritepme

002.0)022.53(2

)4.14(

2

2

2

2

= 107 s, =108 eV

• 57 Fe bozunumların %90’ı 14.4 keV lik

enerji açığa çıkar.

• En yaygın kullanılan Mössbauer izotopu 57Fe’dir. Çizgi genişliği 5x10-9 eV’dir.


Serbest yayıcı ve absorber atom/ çekirdek

Geri tepme

Enerjisi

γ-Işını Enerjisi

Atomun kütlesi


• Kristal örgü içindeki çekirdekler birbirlerine bağlı oldukları

için geri tepme ihmal edilecek kadar azdır. Enerji harcanır

ama geri tepmenin belirgin bir şekilde olması için bu enerji

yeterli olmayabilir. Parçacığın kütlesinin çok büyük olduğu

durumda gözlenir.

Örgü içindeki sabit atomlar arasında yayılma ve absorplama


Geri Tepme Etkisi


Doppler Etkisi

• Dalga özelliği gösteren herhangi bir fiziksel

varlığın frekans ve dalga boyunun hareketli yani yakınlaşan

veya uzaklaşan bir gözlemci tarafından farklı zaman veya

konumlarda farklı algılanması olayına Doppler Etkisi denir.


Mössbauer Parametreleri

Aşırı İnce Yapı Etkileşimleri

• Çekirdek ve çevresi arasındaki etkileşimlerdir. Bu

etkileşimler çekirdeğin kendi enerji seviyeleri ile

karşılaştırıldıklarında çok küçük olduklarından diğer

spektroskopik yöntemlerle görülmesi çok zordur.

• Fakat Mössbauer etkisinin çok yüksek bir enerji çözünürlüğü

sağlaması, aşırı ince yapı etkileşimlerini görmemizi sağlar.

• Aşırı İnce Yapı Etkileşimleri;

• İzomerik Kayma

• Kuadropol Yarılma

• Manyetik Yarılma


İzomerik Kayma

• Nükleer yük yoğunluğu ve çevreleyen “s” elektron yük bulutu

arasındaki etkileşimi arasındaki etkileşimi ortaya çıkarır.

Elektrik monopol etkileşimi olarak da adlandırılır.

• Nükleer yüklü çekirdekte, elektron yoğunluğu etkileşiminde

atom değerlik etkisiyle oluşan Mössbauer rezonansındaki

kaymadır.

• Demir iyonlarının çekirdekteki “s” elektron yoğunluğu

nedeniyle “d” elektronları tarafından zayıf tarama etkisi

nedeniyle daha büyüktür.


- v

+ v

v [mm / s]v

0

0- v

+ v

1/2 1/2

v


Kuadropol Yarılma

• Nükleer enerji düzeyleri ve elektrik alan gradiyenti

çevresindeki etkileşimi gösterir. Elektrik kuadropol etkileşimi

olarak da adlandırılır.

• Çekirdeklerin küresel olmayan yük dağılımlı halleri asimetrik

bir elektrik alan üretir. Nükleer enerji seviyelerini böler ve

kuadrupol moment üretir.

• 57Fe, I=3/2 uyarılmış haldeki izotop durumunda olan 3/2 ve

1/2 geçişi iki alt hale yarılmış m1=±1/2 and m2 =±3/2

gözlenir.

• Spektrumda dublet olarak tanımlanan iki belirli pik olarak

görülür. Kuadropol yarılma bu iki tepe arasındaki ayrılık

olarak ölçülen ve çekirdekte elektrik alanının karakterini

yansıtır.


mI=±1/2

I=3/2

I=1/2

mI=±3/2

mI=±1/2

1/2 AQ

v


Manyetik Yarılma

• Çekirdeğin çevresindeki manyetik alan arasındaki etkileşimi

sonucu oluşur. Nükleer Zeeman etkisi, manyetik dipol

etkileşimi olarak da adlandırılır.

• Spine (I) sahip çekirdek, manyetik alan varlığında 2I+1 alt

enerji seviyelerine ayrılır.

• Uyarılmış hal ve temel hale geçiş arasında I=1 ya da 0 ise

m1 değişir.

• I=3/2 den 1/2 geçişi için 6 olası geçiş söz konusudur.

• Bu durumların çoğunda çekirdeğin aşırı ince yapı

yarılmasında çekirdek tarafından bir yelpaze şeklinde

gözlemlenir.


14,4keV

I=3/2

I=1/2

mI

+1/2

+3/2

-1/2

-3/2

-1/2

+1/2

2/3exH

v0


Nükleer Enerji Seviyelerinin

Mössbauer Spektrumundaki

Yarılmaları

İzomerik Kayma

Kuadropol Yarılma

Manyetik Yarılma


İdeal Mössbauer Spektrumu

• Fe atomlarının manyetik alana bağlı özellikleri mössbauer

spektrumunda demir oksitler singlet, doublet, sextet şeklinde

oluşabilir

( Murad, 2008)


( Murad, 2008)


Mössbauer Spektrometresi

• 3 ana bölümden oluşur;

1. Doppler etkisi oluşturmak için ileri ve geri hareket

eden bir kaynak.

2. Paralel olmayan gama ışınlarını filtreleyen bir

kolimatör

3. Detektör


Mössbauer Spektrometresinin

Çalışma Prensibi

• Gama ışınlarına katı numune maruz bırakılır.

• Dedektör numune üzerinden iletilen ışınların yoğunluğunu

ölçer.

• Yayıcı ve absorplayan çekirdek aynı kimyasal ortamda ise;

nükleer geçiş enerjileri her iki malzeme ile gözlemlenen eşit

ve rezonans absorplaması olacaktır.

• Farklı kimyasal ortamlarda ise nükleer enerji seviyelerinde

kaymalara neden olur.

• Kaynak belirli bir hız aralığında lineer motor kullanarak ivmeli

bir şekilde hızlandırılarak Doppler etkisi üretilir.


Mössbauer Kaynak Seçimi

• Geçiş enerjisi atomun kafes titreşimden büyük olmalıdır (10-

150 eV).

• Uyarılmış haldeki atomun ömrü geçiş enerjinden kesinlikle

büyük olmalıdır fakat spektrumda yoğun çizgilere sahip

olacak kadar düşük olmalıdır (1-100ns).

• Emitör uyarılmış haldeyken bile uzun yarılanma ömrüne

sahip malzemeden olmalıdır.

• İzotoplar temel halde kararlı olmalıdır.


Mössbauer Parmak İzi• İzomerik kaymalar ve Fe taşıyan fazların kuadropol

yarılması Fe-oksidasyonu, Fe-spin durumu ve Fe-

koordinasyonları sistematik olarak değişir. Bu özellik

sayesinde Mössbauer parametrelerinin bilinmesi bilinmeyen

fazlar için Parmak izi özelliği taşır.


Mössbauer Spektroskopisinde

Kullanılan Yaygın İzotoplar

• Mor kutucuklar Mössbauer izotoplarıdır. Sık kullanılan

izotoplar mavi çerçeveli olanlardır.

(Gütlich,2004)


Mössbauer Spektroskopisi Kullanım

Alanları

• Nükleer rezonans probunda oksidasyon ve spin durumu

• Moleküler simetri

• Malzemenin manyetik özelliklerinin incelenmesi


Fe (II) Bileşiklerinin 57Fe

Mössbauer Spektrumları


KAYNAKLAR

• Cranshaw T.E., Dale B.W., G O Longworth G.O. ve Johnson C.E. (1985). Mössbauer Spectroscopy and its Applications. Cambridge

Univ. Press: Cambridge.

• Dickson D.P.E. ve Berry F.J. (1986). Mössbauer Spectroscopy. Cambridge Univ. Press: Cambridge.

• Frauenfelder H. (1962). The Mössbauer Effect. Benjamin: New York.

• Gibb T. C. (1977). Principles of Mössbauer Spectroscopy. Chapman and Hall: London.

• Goldanskii V.I. ve Herber R.H. (1968). Chemical Applications of Mössbauer Spectroscopy. Academic Press Inc: London.

• Greenwood N. N. ve Gibb T. C. (1971) Mössbauer Spectroscopy. Chapman and Hall: Novel Materials and Ground States London

• Gütlich P. (2004 ). Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie, Mössbauer

Spectroscopy –Principles and Applications.

• Long G.J. ve Grandjean F. (1993). Mössbauer Spectroscopy Applied to Magnetism and Materials Science Vol. 1: New York

• Murad E. Mossbauer Spectroscopy of 57Fe. Marktredwitz, Germany

• Perepelitsa D.V. (2007). Mossbauer Spectroscopy of 57Fe. MIT Department of Physics.

• Petrovic P. Jozef Šafárik University in Košice, Faculty of Science Supportive Textbooks in Course: Methods of Condensed Matter

Spectroscopy Mössbauer Spectroscopy.

• http://faculty.knox.edu/cschulz/M%C3%B6ssbauer/theory.htm

• http://www.fastcomtec.com/fwww/moss.htm

• http://www.cryoindustries.com/moss.htm

• http://www.dwiarda.com/scientific/Moessbauer.html


TEŞEKKÜRLER…

MÖSSBAUER SPEKTROSKOPİSİ

Technology

Transcript of MÖSSBAUER SPEKTROSKOPİSİ