Mössbauer spektroskopi

⁵⁷Fe ait bir Mössbauer absorpsiyon spektrumu

Mössbauer spektroskopi, Mössbauer etkisine dayanan bir spektroskopik tekniktir. Rudolf Mössbauer tarafından 1957 yılında bulunmuştur. Rudolf Mössbauer bu çalışmasıyla 1961 yılında Fizik nobel ödülüne layık görülmüştür. Bu titreşimsel spektroskopi tekniği fizik, kimya, biyoloji ve malzeme bilimi gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Mössbauer spektroskopinin kilit noktası Mössbauer etkisidir. Mössbauer etkisi kısaca gama ışınının seğirdimsiz emilimi ve yayılımıdır.

Mössbauer spektroskopisi bütün bir sistem içindeki atomların kendi yerel çevreleri hakkında bilgi sağlar.

Çalışma prensibi

Çalışma prensibi rezonansa dayanır. Atomların çekirdeği gama ışınlarına maruz kaldıklarında farklı enerji düzeylerine geçiş yapar. Atomların elektronik ve magnetik çevresi bu enerji seviyelerini değiştirebilir ya da ayırabilir. Değişen ya da ayrılan enerji seviyelerinin incelenmesi bize atomların yerel çevresi hakkında bilgi sağlar. Fakat iki durum bu bilgiye ulaşmayı güçleştirir.

1. Aşırı ince yapı etkileşimlerinin çok küçük olması (hyperfine interactions)
2. Gama ışınlarının seğirdimli emilimi ve yayılımı

Aşırı ince yapı etkileşimleri

Aşırı ince 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. Bu etkileşimlerin sağladığı değişimler Mössbauer spektrumda büyük farklılara neden olur.

Nükleer enerji seviyelerinin manyetik bölünmesi ve buna tekabül eden Mössbauer spektrumu

Gama ısınlarının seğirdimli emilimi ve yayılımı

Şekil 1'de gösterilen seğirdimli hareket enerji kaybına neden olmaktadır ve enerji kaybı rezonansı engellemektedir. Gama ışınlarının seğirdimli emilimi ve yayılımı rezonansı engellediğinden spektrumda atom ve çevresinin etkileşimlerine bağlı bir değişiklik göremeyiz.

Atomların ısıya bağlı rastgele hareketi gama ışının şekil2'deki gibi ayrılmasına neden olur. Resonans sinyali elde etmek için, kırmızı kısımda gösterildiği gibi, iki enerjinin örtüşmesi gerekmektedir.

Mössbauer, katı matris içinde atomların etkili çekirdek ağırlığının çok fazla olduğunu ve seğirdimli kütlenin böylece tüm sistem olarak davranacağını bulmuştur. Bu sayede Er ve Ed ihmal edilebilecek kadar küçük olacaktır. Başka bir deyişle, tüm sistem seğirdim yapacak ve seğirdim enerjisi pratikte sıfırlanacaktır. Bu durumda şekil 3'te gösterilen seğirdimsiz hareket sonucunda emilen ve yansıyan gama ışını aynı enerjide olacak, rezonans sağlanacaktır.

Mössbauer spektrometresinin şematik görünüşü

İzotoplar

Rezonanas etkisi izotoptan izotopa farklılık gösterir. Seğirdimsiz emilim ve yayılma gama ışının enerjisiyle doğrudan ilişkilidir ve Mössbauer etkisi sadece düşük uyarılmış seviyeye sahip izotoplarda gözlenmektedir. Benzer bir şekilde sadece yüksek ömürlü uyarılmış seviyeye sahip izotoplar kullanıldığında yüksek çözünürlük elde edilmektedir. Bu iki koşulu sağlayan sayılı sayıda izotop mevcuttur. Bunlardan en önemlisi ve en çok kullanılanı 57Fe'dir. Şekil 4'teki periyodik tabloda en çok kullanılan elementler siyahla gösterilmiştir.