Одним из наиболее ярких направлений применения синхротронного
излучения является изучение ядерных резонансов. Использование
синхротронных источников позволяет реализовать точные энергетические
настройки в области гамма- и рентгеновских квантов, что необходимо для
возбуждения узких ядерных переходов. Благодаря высокой яркости и
когерентности пучка становятся возможными эксперименты, ранее
труднодостижимые при использовании традиционных радиоактивных
источников.
Физическая основа ядерных
резонансов
Ядерный резонанс представляет собой процесс поглощения или рассеяния
электромагнитного излучения атомным ядром при совпадении энергии фотона
с разностью уровней ядерных состояний. Для большинства ядер ширина
энергетических уровней чрезвычайно мала (порядка 10⁻⁸–10⁻¹² эВ), что
обуславливает уникальную чувствительность метода к малейшим изменениям
окружающей среды.
Особое значение имеет эффект Мёссбауэра, открытый в
1958 году. Он заключается в резонансном поглощении гамма-квантов ядрами
без отдачи, то есть без возбуждения колебаний кристаллической решётки. В
результате достигается крайне высокая монохроматичность и узость
спектральных линий, что делает возможным исследование взаимодействий
ядер с электронными оболочками, кристаллическим окружением и магнитным
полем.
Синхротронное
излучение как источник для ядерных резонансов
Традиционные исследования эффекта Мёссбауэра выполнялись с
использованием радиоактивных источников гамма-излучения (например, ⁵⁷Co
для изучения резонанса на ядре ⁵⁷Fe). Однако такие источники обладают
рядом ограничений: фиксированной энергией, низкой интенсивностью и
отсутствием возможности настройки спектра.
Синхротронное излучение позволяет преодолеть эти трудности:
- Широкий спектральный диапазон. Синхротронные
источники покрывают от инфракрасного до жесткого рентгена, включая
диапазон ядерных переходов.
- Точная настройка энергии. С помощью монохроматоров
возможно доведение ширины спектра до значений, сопоставимых с шириной
мёссбауэровских линий.
- Высокая интенсивность и временная структура.
Импульсный характер излучения ускорителей позволяет изучать временную
динамику ядерных переходов, что недостижимо при использовании
радиоактивных изотопов.
Ядерный
резонансный рассеяние (Nuclear Resonant Scattering, NRS)
Одним из главных методов, развившихся благодаря синхротронным
источникам, является ядерное резонансное рассеяние. Оно подразделяется
на два направления:
Ядерное резонансное рассеяние во временной области
(Time-Domain NRS).
- Использует импульсное излучение синхротрона.
- Позволяет регистрировать задержку между возбуждением и последующим
испусканием гамма-кванта.
- Дает возможность изучать гипертонкие взаимодействия (магнитные и
электрические поля на ядре).
Ядерное резонансное рассеяние в частотной области
(Energy-Domain NRS).
- Применяется при использовании монохроматизаторов сверхвысокого
разрешения.
- Позволяет получать спектры с детальным разрешением, что важно для
структурного анализа материалов.
Мёссбауэровская
спектроскопия на синхротроне
Мёссбауэровская спектроскопия с использованием синхротронного
излучения (Synchrotron Mössbauer Spectroscopy, SMS) отличается от
классической следующими особенностями:
- Тюнинг энергии. Возможность настраивать энергию
гамма-квантов позволяет исследовать разные изотопы, а не только
традиционный ⁵⁷Fe.
- Повышенная чувствительность. Яркость синхротронных
пучков позволяет регистрировать сигнал даже от очень тонких слоёв
вещества.
- Совмещение с другими методами. Одновременные
эксперименты с использованием рентгеновской дифракции, спектроскопии
поглощения и ядерного резонанса дают комплексное понимание свойств
материала.
Применения
ядерных резонансов в исследованиях
Благодаря уникальным возможностям синхротронных источников ядерные
резонансные методы применяются в широком спектре областей:
- Физика конденсированного состояния. Изучение
магнитного упорядочения, фазовых переходов, сверхпроводимости.
- Материаловедение. Определение локальной структуры,
динамики решётки, анализа напряжений в материалах.
- Геофизика и планетология. Исследование свойств
железосодержащих минералов при экстремальных давлениях и
температурах.
- Биофизика. Анализ железосодержащих белков
(например, гемоглобина) на уровне атомного окружения.
Временная динамика и
когерентные эффекты
Импульсная структура синхротронного излучения позволяет изучать
временную эволюцию ядерных состояний. В частности:
- Эхо-эффекты и когерентные колебания. При
возбуждении ансамбля ядер возможно наблюдение когерентных осцилляций
интенсивности рассеянного излучения.
- Исследование релаксационных процессов. Временные
задержки позволяют получить данные о скоростях переходов между
магнитными или структурными состояниями.
- Гипертонкое взаимодействие. Магнитные и
электрические поля, действующие на ядро, проявляются в виде
специфической модуляции временных спектров.