Zakład Spektroskopii Mössbauerowskiej Akademia Pedagogiczna w Krakowie Zastosowanie promieniowania synchrotronowego w spektroskopii mössbauerowskiej Artur Błachowski Zakład Spektroskopii Mössbauerowskiej Instytut Fizyki Akademia Pedagogiczna w Krakowie - Promieniowanie synchrotronowe (PS) - Efekt Mössbauera - Synchrotron Mössbauer Spectroscopy (SMS) - Synchrotron Radiation Perturbed Angular Correlation (SRPAC)

Promieniowanie synchrotronowe – prom. elektromagnetyczne emitowane przez cząstki naładowane poruszające się po zakrzywionym torze z prędkością relatywistyczną

PS - Historia 1945 – duże straty energii przy przyspieszaniu elektronów w betatronie 1947 – Elder i in. - wykrycie PS w synchrotronie elektronowym 70-MeV 1956 – Tomboulian i in. - pierwsze wykorzystanie PS w badaniach spektroskopowych   1965-1980 – pierwsza generacja źródeł PS – akcelaratory fizyki cząstek elementarnych 1970-1990 – druga generacja źródeł PS – synchrotrony dedykowane do zastosowań PS – magnesy zakrzywiające 1990- – trzecia generacja źródeł PS – wigglery i undulatory 2000- – lasery na swobodnych elektronach

2/ v/c << 1 v/c » 1 moc PS kąt emisji elektrony lub pozytony acceleration electron orbit non-relativistic electrons relativistic electrons v/c << 1 v/c » 1 2/ moc PS kąt emisji elektrony lub pozytony mały promień orbity krytyczna energia PS

ESRF, Grenoble LINAC – 16 m Booster synchrotron Storage Ring 100 keV electron gun ® 200 MeV Booster synchrotron obwód 300 m 200 MeV ® 6 GeV Storage Ring obwód 845 m; R = 23.4 m liczba paczek elektronów - do 992 długość paczki - 6 mm czas impulsu PS 20 ps - 100 ps I = 100 mA (lifetime 50 h) P = 650 kW , EC = 20.5 keV

Wigglery i undulatory I  N I  N2 Okresowe struktury magnesów instalowane na prostoliniowych odcinkach orbity, wywołują lokalne (sinusoidalne) zakrzywienie toru wiązki  - maksymalny kąt ugięcia  - kąt emisji deflection parameter wiggler K >> 1 B0  6 T 0  m undulator K << 1 B0  1 T 0  cm I  N I  N2

(1) impulsowa struktura (2) polaryzacja (3) b. duża świetlistość (1) Własności PS (1) impulsowa struktura (2) polaryzacja (3) b. duża świetlistość    100 ps (1) TIME   2 ns – 1 s (2) (3)

ESRF, Grenoble

przejście atomowe w Na (żółta linia) Efekt Mössbauera - wstęp n  k h ER – energia odrzutu  - energetyczna szerokość połówkowa linii  - czas życia stanu wzbudzonego przejście atomowe w Na (żółta linia) E = 2.1 eV  = 4.4 10-8 eV , ER = 10-10 eV ER <<  przejście jądrowe w 57Fe E = 14.4 keV = 4.7 10-9 eV , ER= 1.9 10-3 eV ER >> 

bezodrzutowa emisji i absorpcji promieniowania  Efekt Mössbauera bezodrzutowa emisji i absorpcji promieniowania  Rudolf Mössbauer – 1958 r. Nobel – 1959 r. m jądra  M kryształu + skwantowana energia kreacji fononów ħ  - częstość drgań atomów w sieci krystalicznej  1013 s-1  - temperatura Debye’a f – współczynnik emisji i absorpcji bezodrzutowej ułamek ogólnej liczby przejść jądrowych zachodzących bezodrzutowo dla Fe57  = 608 K f (273 K) = 0.8 E  , m  ,   i T    >> T

Efekt Mössbauera - spektroskopia 104 przejść mössbauerowskich w 86 izotopach 44 pierwiastków Ruch źródła względem absorbenta powoduje dzięki efektowi Dopplera zmianę energii kwantów  V V  10 mm/s 1 mm/s  48 neV  przykładowe widmo mössbauerowskie hematyt Fe2O3 V

Oddziaływanie elektryczne monopolowe elektrostatyczne monopolowe oddziaływanie ładunku jądra z ładunkiem powłok elektronowych Rw , Rp – promień jądra w stanie wzbudzonym i podstawowym a (0)2 , e(0)2 - gęstość elektronów w miejscu jądra dla absorbenta i emitera

oddziaływanie momentu kwadrupolowego jądra Q Oddziaływanie elektryczne kwadrupolowe oddziaływanie momentu kwadrupolowego jądra Q z gradientem pola elektrycznego q wytwarzanym przez powłoki elektronowe I – spin jądra m – magnetyczna liczba kwantowa

Oddziaływanie magnetyczne dipolowe oddziaływanie dipolowego momentu magnetycznego jądra  z efektywnym polem magnetycznym H w obszarze jądra

Synchrotron Mössbauer Spectroscopy (SMS)

 modulacja ?

Emisja niekoherentna Emisja koherentna

Analogia między SMS i dyfrakcją na dwóch szczelinach forsterite (Mg0.9975Fe0.0025)2SiO4

konwencjonalna SM synchrotronowa SM

Synchrotron Radiation Perturbed Angular Correlation

Rotation of resonant molecules in liquid Random orientation of the quantization coordinates in the frame defined by incoming and outgoin photons

Iron penta-carbonyl molecule symmetry D3h

Krajowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Krakowie Super ACO, Orsay Super KRACO