Мессбауэровская спектроскопия (стр. 5 из 5)
1.4. ШИРИНА РЕЗОНАНСНОЙ ЛИНИИ.
Ширина резонансной линии в идеальном случае тонкого поглотителя (см. (1.5)) равна удвоенной естественной ширине (Г
= ћ/τ, τ – среднее время жизни ядра в возбуждённом состоянии). В реальном эксперименте имеет место аппаратурное уширение линии, определяемое характеристиками данного конкретного мессбауэровского спектрометра (уровнем вибраций, линейностью, стабильностью и т.д.), уширение, обусловленное самопоглощением в источнике и поглотителе вследствие их конечной толщины [6], и, наконец, уширение, связанное с относящимися к предмету изучения физическими причинами. К последним относятся динамические эффекты, обусловленные движением атомов [13], а также эффекты, связанные с наличием широкого спектра состояний мессбауэровских ядер в кристалле вследствие вариаций их локального атомного и электрического окружения (при этом уширенная резонансная кривая представляет собой суперпозицию близко расположенных смещенных друг относительно друга или частично расщепленных линий). Уширение мессбауэровской линии может быть вызвано высокой плотностью точечных дефектов и дислокаций [16].1.5. О СТРУКТУРЕ КРИВЫХ РЕЗОНАНСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НЕИДЕАЛЬНЫХ КРИСТАЛЛОВ.
Соотношения (1.10), (1.15), (1.18) описывают форму мессбауэровских спектров кристаллов, все атомы которых имеют идентичное кристаллографическое, химическое и, соответственно, электрическое и магнитное состояния. Однако даже в строго упорядоченных кристаллах и химических соединениях атомы одного и того же элемента могут находиться в различных структурных позициях, иметь разную валентность и строение внешних электронных оболочек.
Число различных состояний атомов резко возрастает для нестехиометрических, а также стехиометрических, но частично разупорядоченных фаз. Большим числом неидентичных состояний атомов характеризуются неупорядоченные твердые растворы, каковыми зачастую являются сплавы металлов. Резонансные атомы в таких системах могут находиться во множестве неэквивалентных позиций.
В реальных сплавах может наблюдаться целый спектр неодинаковых состояний резонансных атомов (и их ядер) в силу различия конфигураций ближайшего окружения этих атомов химическими элементами и дефектами в радиусе нескольких ближайших координационных сфер. Наличие высокой плотности точечных дефектов, ядер дислокаций, межфазных границ, границ зерен может вызвать изменение состояния значительного числа атомов.
Неодинаковыми являются и состояния мессбауэровских ядер в различных фазах сплава.
В силу различных параметров сверхтонкого взаимодействия для резонансных атомов, находящихся в различных неэквивалентных положениях в решетке, мессбауэровские спектры реальных кристаллов часто представляют собой весьма сложную суперпозицию откликов от большего числа индивидуально поглощающих резонансных ядер.
В связи с этим экспериментальные спектры содержат исключительно важную (зачастую уникальную) информацию о топографии и динамике атомов кристалла. Получить указанную информацию можно лишь в том случае, если известна взаимосвязь между параметрами мессбауэровского спектра и параметрами твердого тела, т.е., фактически, когда записана форма кривой резонансного поглощения как функция параметров, относящихся к атомной, электронной структуре и динамике атомов кристалла.
Анализируя соотношения, представленные в § 1.2, можно заключить, что параметры, относящиеся к динамике атомов, и параметры, задающие число резонансных ядер в различных неэквивалентных состояниях в кристалле, определяют амплитуду лоренцианов. Число же неэквивалентных состояний определяет число субспектров в составе мессбауэровского спектра, а параметры сверхтонких – положение линий субспектров на шкале энергий.
В качестве примера на рис. 1.4 приведены мессбауэровские спектры чистого железа (а) и закаленного от 820 °C сплава железа
Рис. 1.4. Мессбауэровские спектры чистого железа (а) и твердого раствора Fe + 8,25 ат. % Mn (б) (
= 300 °C); 
, 
, 
– площади, ограниченные тремя наиболее интенсивными секстетами линий спектре поглощения (P (0), P (1), P (2) – вероятности окружения атома железа l¹ = 0, 1, 2 ближайшими атомами Mn); ∆ 
от атома Mn в 1-й координационной сфере 
Fe ( 
с 8,25 ат. % Mn (б) с хаотическим распределением атомов Fe и Mn по узлам кристаллической решетки. На рисунке представлено разложение спектра сплава на три зеемановских секстета линий, подобных спектру чистого железа, но отличающихся значениями эффективного манитного поля.
Как следует из классических работ М. Стирнс, Г. Вертхейма и их коллег, секстет линий с максимальным значением поля
отвечает атомам железа, в первой координационной сфере которых нет атомов примеси (в данном случае Mn). Секстеты 
и 
соответствуют атомам 
Fe, у которых среди ближайших соседей есть, соответственно, 1 и 2 атома Mn.Для разбавленных сплавов выполняется правило аддитивности вкладов, а именно:
и 
(в общем случае 
, где 
– вклад в эффективное магнитное поле от атома марганца на первой координационной сфере). Интенсивности трех рассматриваемых секстетов линий пропорциональны вероятностям P(l) окружения атома Fe различным числом l=0, 1, 2, …z атомов примеси (z – координационное число для 1-й координационной сферы в ОЦК решетке). Аналогичное влияние атомов примеси наблюдается и для изомерного сдвига: 
, 
, 
и т.д., где 
– вклад в изомерный сдвиг от атомов примеси 1-й координационной сферы. Значения 
(где i – номер координационной сферы), выраженные в значениях доплеровской скорости, очень малы. Соответственно мал и визуальный наблюдаемый сдвиг компонент спектра (в данном случае секстетов линий). Математическая обработка спектров позволяет определить значения 
и и оценить их погрешности.В неупорядоченном сплаве вероятности P(l) определяются биномиальным распределением:
P(l) =
(1.19)где c – концентрация примеси замещения (для вышеупомянутого сплава c= 0,0825),
- число сочетаний из z по l.Более точная модель аналогичным образом учитывает более слабое влияние 2-й, 3-й и т.д. координационных сфер, действие которых не дает визуально разрешенных линий в мессбауэровском спектре, а появляется внешне как уширение (и дополнительный сдвиг) линий.
Список литературы
Овчинников В.В. Мёссбауэровские методы анализа атомной и магнитной структуры сплавов. М., 2002
Белозерский Г.Н. Мёссбауэровская спектроскопия как метод исследования поверхностей. М., 1990