K2 Mößbauer-Spektroskopie

Versuchsbetreuer K2

 

Labor Campus Golm
Raum 2.28.K.034

Die rückstoßfreie Resonanzabsorption von Gammastrahlung durch Atomkerne wurde erst 1958/59 durch R. Mößbauer entdeckt, nachdem für Lichtstrahlung der Effekt der Resonanzabsorption schon 1905 von R.W. Wood an Natriumdampf beobachtet worden war. Die Schwierigkeit bei der Kernresonanzabsorption besteht darin, daß durch die hohe Energie der Gammaquanten der Kern bei der Emission einen zu großen Rückstoß erhält und die Energie des Gammaquants dadurch nicht mehr für den entsprechenden Absorptionsübergang ausreicht. Emissions- und Absorptionslinie sind deshalb um den zweifachen Betrag der Rückstoßenergie gegeneinander verschoben.

Die Absorptionskurven sind gegenüber der natürlichen Linienbreite erheblich thermisch verbreitert. Wegen der fehlenden Überlappung der beiden Linien ist eine Resonanzabsorption aber trotzdem unmöglich, d.h. Gammaquanten gehen ohne merkliche Absorption durch einen Absorber, der das gleiche Isotop wie die Quelle enthält, hindurch. Durch eine geeignete Bewegung der Strahlungsquelle kann den Gammaquanten unter Ausnutzung des Doppler-Effektes soviel Energie zugeführt werden, daß die Rückstoßverluste kompensiert werden.

Baut man die emittierenden und absorbierenden Kerne in ein nahezu starres Kristallgitter ein, so können Emission und Absorption fast rückstoßfrei erfolgen. Die entsprechende Resonanzlinie hat dann die natürliche Linienbreite mit Lorentzform (Mößbauer-Effekt). Wegen der großen Schärfe der Mößbauerlinie ergeben sich viele interessante Anwendungen zur empfindlichen Messung geringster Energiedifferenzen.

Im Versuch werden einige Anwendungen in der Festkörperphysik behandelt. Zu messen sind:

  • der Debye-Waller-Faktor (beschreibt die thermische Wechselwirkung zwischen Fremdatom und Kristallgitter),
  • die Isomerieverschiebung (wird durch die Änderung der chemischen Bindung vor allem der s-Elektronen von Quelle- und Absorberkernen verursacht),
  • die Quadrupolaufspaltung (kann zur Bestimmung des Feldgradienten in der Umgebung der emittierenden Kerne ausgenutzt werden),
  • die Magnetische Hyperfeinstrukturaufspaltung (mit ihr bestimmt man innere magnetische Felder). 

Die Apparatur zur Aufnahme des Mößbauerspektrums besteht aus einer mit Hilfe eines Lautsprechersystems beweglichen Mößbauerquelle und einem dazu passenden Absorber, der starr vor dem Detektor (Proportionalzählrohr) befestigt ist. Steuerung, Meßwertaufnahme und Verarbeitung der Daten erfolgen mittels Computer. Zur Registrierung der absorbierten Impulse und der Zuordnung zu bestimmten Geschwindigkeiten wird ein Vielkanalanalysator verwendet.

Versuchsbetreuer K2

 

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Raum 2.28.K.034

Experimentelle Aufgabenstellung:

  1. Anhand der Bedienungsanleitung und mit Hilfe der Demonstrationsbeispiele mache man sich gründlich mit der Software zur Meßwertaufnahme und -verarbeitung vertraut.
  2. Unter Verwendung eines Proportionalzählers und eines Szintillationszählers nehme man das Spektrum der Mößbauerquelle auf und vergleiche die Energieabhängigkeit der beiden Detektoren.
  3. Mit einem Eichabsorber ordne man jedem Kanal des Vielkanalanalysators Energiewerte in der Einheit eV und Geschwindigkeitswerte in der Einheit mm/s zu.
  4. Von 2- und 3-wertigem Eisen sind die Isomerieverschiebung und die Quadrupolaufspaltung zu bestimmen.
  5. Von einer mit 57Fe angereicherten Eisenfolie sind die magnetische Dipolwechselwirkung und die Isomerieverschiebung zu bestimmen.