Mössbauer espektroskopia

Rudolf Ludwig Mössbauer (ikus 1. irudia) München-en jaio zen 1929.eko urtarrilaren 31n. Beraz, aurten bere jaiotzaren 60. urteurrena ospatzen da. Bere izena daraman efektuaren historia oso interesgarria da. R.L. Mössbauer gazteak doktorego-tesirako esperimentuak egiten ari zelarik, fenomeno arraro bat, espero ez zuena, ikusi zuen. Esperimentu horietan ¹⁹¹Os isotopoa iturri moduan erabiltzen zuen. Isotopo hau, beta desintegrazioa dela medio, ¹⁹¹Ir isotopoaren 129 keV-eko egoerara pasatzen da, egoera horretatik funtsezko egoerara, hots, energia minimoko egoerara pasatzean 129 keV-eko gamma izpia igortzen du, lerroaren zabalera 5x10^-6 eV-ekoa izanik.

Goian: Mössbauerrek erabilitako tresneria A) zurgatzailea kriostatoaren barnean. S) kriostato gaineko iturri birakorra Behean: Iridioaren zurgapen-espektroa, 88 gradu Kelvin tenperaturan. x ardatzean, bai iturriaren abiadura (v) bai Doppler-en energia (DE) ikus daiteke (R.L. Mössbauer, Naturwiss, 45 (1958).

Mössbauerrek gamma izpi horien transmisioa iridio-kristal naturalean (%38,5 ¹⁹¹Ir) zehar neurtu zuen eta horretarako 2. irudian adierazten den gailua eraiki zuen. Esperimentu honi fluoreszentzia edo zurgapen erresonantea deritzo. Era honetako esperimentuetan iturriko nukleoek funtsezko egoerara pasatzean igortzen dituzten gamma izpiak mota bereko diana-nukleoek zurgatu egiten dituzte, iturriko nukleo igortzaileen hasierako egoera berera gamma izpi hori zuzenean transmititu gabe altxatuz. Fluoreszentzia espektroskopia atomikoan oso ezaguna zen. Erradiazioa jatorri nuklearrekoa bada (erradiazioaren energi zabalera oso txikia denez) nukleoak gamma izpia igortzean jasaten duen atzerapen-energia lerroaren zabalera naturala baino handiagoa izaten denez, ez da zurgapen erresonanterik (edo fluoreszentziarik) gertatzen. Doppler efektuaren bidez gamma izpiari energia ematen bazaio, zurgapen erresonantea gertatuko da.

Hau, mekanikoki egin daiteke, iturriari abiadura emanez (ikus 2. irudia) eta baita termikoki ere, tenperatura igoz. Beraz, tenperatura altuetan jatorri termikoko Doppler efektuak igorpen- eta zurgapen-lerroetan behar adinako zabalera sortzen du elkarri gainezartzeko, modu honetan zurgapen erresonantea gertatuz. Horixe zen Mössbauer gazteak espero zuena, hots, tenperatura altxatzean erresonantzia handiagotu egingo zela, kristala erabili beharrean lurrina erabiltzean ikusi zen bezala. Mössbauerek, berriz, (espero ez zuen emaitza lortu zuen) tenperatura jaistean zurgapena handiagotu egiten zela aurkitu zuen.

Behaketa bidez hau lortu ondoren gogor ekin zion lanari, esperimentalki zein teorikoki, efektu ezezagun hau argitzeko. Nukleoa kristal batean loturik dagoenean, bere higidura oszilatzaile-multzo baten higidurarekin konpara daiteke, eta horixe da, hain zuzen ere, Mössbauerrek egin zuena. Kasu honetan funtsezko egoeratik lehen egoerara eramateko (fonoiak sortzeko) atzerapen-energia nahikoa ez bada (momentu lineala kontserbatu egiten delarik), kristal guztia (eta ez nukleo igortzailea bakarrik) atzeratuko da. Beraz, atzerapen-energia sareko nukleoen kopuruaren arabera txikiagotuko da (10¹⁰ ordenakoa mikra kubiko bateko sarean) eta balio hau gamma izpiaren energi-lerroaren zabalera baino askoz txikiagoa izanik, arbuiagarria izango da. Kasu hauetan atzerapenik gabeko igorpenaz hitz egiten dugu.

R.L.Mössbauer 1976. urtean, Institut Laue Langevin-eko zuzendari zen garaian.

Mössbauerrek kristal-sarea ω_E maiztasuneko oszilatzaileez ordezkatuz (Einsteinen ereduari jarraituz) atzerapenik gabeko igorpena hω_E=kθ_E> >Eγ²/mc² (Eγ=γ izpiaren energia, θ_E= Einsteinen tenperatura) soilik bada, gertatuko dela kalkulatu zuen. Hala ere, bibrazioen espektro erreala Einsteinen ereduan azaldutakoa baino konplexuagoa izanik, ondoren Debye-ren hurbilketa erabili zuen. Eredu honen bidez atzerapenik gabeko igorpenaren probabilitatea tenperatura altxatzean txikiagotu egiten dela eta tenperatura Debyeren tenperaturarekiko handia bada probabilitatea arbuiagarria dela aurkitu zuen (ikus 3. irudia). Irudi berberean, Debyeren tenperatura gero eta handiagoa bada, hots, kristalaren lotura-indarrak gero eta handiagoak badira, atzerapenik gabeko igorpenaren probabilitatea tenperatura altuagoetan suntsitzen dela ere adierazten da. Mössbauerrek 1958. urtean azaldu zituen efektuaren ezaugarriak, baina urtebete baino gehiago pasatu zen zientzi komunitateak onartu arte. Bere lanagatik 1961. urtean Nobel Saria lortu zuen.

Mössbauer nukleoak, hots, atzerapenik gabe gamma izpiak igortzen dituzten nukleoak, asko dira, ezagunena ⁵⁷Fe izanik; giro-tenperaturan bereziki atzerapenik gabeko gertaeren probabilitatea nahikoa handia delako eta baita burdina substantzia interesgarri askoren osagai delako ere. Mössbauer espektroskopiaren paregabeko doitasuna, lerroaren zabalera naturala trantsizio energia baino 1013 aldiz txikiagoa izatean datza, hots, aipaturiko doitasunarekin konparaketa eginez Lurretik Ilargirainoko distantzian mikra baten ordenako aldaketak neurtu ahal izanen genituzke.

Gaur eguneko Mössbauer espektrometroei dagokien energi aldaketa iturri eta zurgatzaileen arteko higidura erlatiboaz burutzen da, hots, Doppler efektuaren bidez. Abiadurak txikiak izaten dira, zenbait milimetro segundokoak hain zuzen ere.

Nukleo atomikoek parte hartzen duteneko elkarrekintza elektriko eta magnetikoei elkarrekintza hiperfin deritze. Elkarrekintza hauek Mössbauer espektroskopian oso erraz ikus daitezke; goian aipatu bezala, Mössbauer teknika bereizmen handikoa bait da. Ondoren adierazten diren elkarrekintza hiperfinak aztertu ondoren nukleo zurgatzailearen egoera eta beraren ingurune hurbila nolakoa den jakin ahal da.

a) Aldakuntza Isomerikoa edo karga nuklearraren banaketa ez-puntualaren eta nukleoan egoteko probabilitatea daukaten elektroien arteko elkarrekintza. Elkarrekintza honek maila energetikoen aldakuntza sortzen du. Aldaketa hori funtsezko egoeran eta egoera kitzikatuan (hots, energia altuagoko egoeran) berdina ez denez, zurgapen-lerroa lerratu egiten da. Lerrakuntzaren intentsitateak nukleoan egoteko probabilitatea duten elektroien dentsitateaz edo beraiengan dagoen pantailatzearen ideia ematen digu, hots, Mössbauer nukleoaren ingurune kimikoarena, hain zuzen ere.

b) Anizkoizketa kuadrupolarra edo nukleoaren momentu kuadrupolar elektrikoaren eta nukleoa aurkitzen deneko posizioko eremu elektrikoaren gradientearen arteko elkarrekintza. Elkarrekintza honek eremu kristalinoarekiko proportzionala den anizkoizketa sortzen du. Beraz, Mössbauer nukleoaren inguruneko simetria deskribatzen du.

c) Anizkoizketa magnetikoa edo nukleoaren momentu dipolar magnetikoaren eta nukleoaren posizioko eremu magnetikoaren arteko elkarrekintza. Anizkoiketa honek magnetikoki ordenaturiko inguruneen eremu lokalaren neurketa ematen digu (ikus 4. irudia).

Mössbauerrek kalkulatutako atzerapenik gabeko zurgapen-zatia (f), (T) tenperaturaren arabera, bi elementu ezberdinetarako (R.L. Mössbauer, Ann. Rev. Nucl. Sci., 12 (1962).

Aplikazioak

Kimikako ikerketaren kasuan Mössbauer-parametro garrantzitsuenak aldakuntza isomerikoan eta anizkoizketa kuadrupolarrean gertatzen dira. Parametro hauen bidez spin- eta oxidazio-egoerak, simetria molekularra, konposatu kimikoen analisi eta bereizkuntza, korrosioa, katalisia eta beste hainbat ikerketa burutzen da.

Materialetako propietate magnetikoen ikerketa, Mössbauer espektroskopiaren aplikazio arruntena izaten da. Gehien erabilitako Mössbauer isotopoa ⁵⁷Fe da; burdina material magnetikoen osagai arruntenetarikoa bait da. Konposatu magnetikoen informazio asko parametro hiperfinetatik lor daiteke eta burutu daitezken ikerketa batzuk ondokoak ditugu: Ordena magnetikoaren tenperatura eta mota (ferromagnetikoa, antiferromagnetikoa...), posizio magnetiko edo kristalografiko ez baliokideen arteko atomoen banaketa, egitura magnetikoaren ikerketa etab.

Mössbauer espektroskopiak metalurgian duen erabilera oso berria izan arren, funtsezko ezaugarri batzuk dagoeneko mugatu dira eta oso esperimentu bereziak ere burutu dira. Mössbauer espektroskopiaren bidez burutu daitezken ikerketa batzuk ondokoak dira: disoluzio solidoen analisi koantitatiboa, aldaketa martentsitikoak, hauspeaketa, aleazio amorfoak, akatsak etab.

Hainbat molekula biologikok burdina eta beste metalak daramatza eta Mössbauer efektua zenbait entzima eta proteina ikertzeko oso erabilgarria da, kasu aipagarrienetarikoa hemoglobinarena izanik. Konposatu biologikoetan laginen prestaketa berezia da, ur-disoluziotan egon behar dute eta izozturik daudenean neurtzen dira. Hemoproteinak, burdina eta azufrea daramaten proteinak eta burdina pilatu eta garraiatzen dutenak dira gehien ikertu diren molekulak.

Mössbauer espektroskopia beste eremutan ere erabilia da, horietariko batzuk Mineralogia, Geologia (Lurrekoa eta Ilargikoa), Arkeologia, materia ez kristalinoa, etab. izanik.

Leioako Zientzi Falkultatean lorturiko burdinaren zurgapen-espektroa. Ferromagnetikoa izanik, barne-eremu magnetiko handia sortzen da, eta espektroan sei lerro agertzen dira.