Benutzer:Johannes Schneider/Mößbauerspektroskopie
Die Mößbauerspektroskopie (auch Mössbauerspektroskopie) ist eine spektroskopische Methode zur zerstörungsfreien Analyse fester Proben.[1] Sie basiert auf dem Mößbauer-Effekt, der rückstoßfreien Emission und Resonanzabsorption von Gammastrahlung durch Atomkerne.[2][3][4] Für die Entdeckung dieses Effektes im Jahre 1958 erhielt Rudolf Mößbauer 1961 den Nobelpreis für Physik.[5][6] Sie entwickelte sich nach ihrer Entdeckung schnell zu einer wichtigen Untersuchungsmethode, denn mit ihrer Hilfe können vielseitige Informationen über physikalische und chemische Eigenschaften einer Probe gewonnen werden.[1] In manchen Fällen können die gemessenen Daten zur eindeutigen Identifikation einer Probe dienen, insbesondere wenn andere spektroskopische Methoden unzureichend sind.[1][7] Hinzu kommt, dass die Mößbauerspektroskopie äußerst empfindlich ist.[8] Sie findet breite Anwendung in Physik, Chemie (insbesondere Festkörperchemie, Koordinationschemie, Organometallchemie und bioanorganischer Chemie), Biologie, Archäologie, Nanotechnologie und Materialwissenschaften.[1][7]
Übersicht
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Bei der Mößbauerspektroskopie kommt es zu Übergängen zwischen den Energieniveaus von Atomkernen.[4][8] [7] Die Probe muss hierfür ein Feststoff sein und Nuklide enthalten, welche den Mößbauer-Effekt aufweisen.[7] Sie ist auf über 40 Elemente des Periodensystems anwendbar,[7] wobei es für manche Element mehrere mögliche Nuklide geben kann, die den Mößbauer-Effekt aufweisen.[1] Die mit Abstand meisten Publikationen beschäftigen sich mit Mößbauerspektroskopie des Nuklids 57Fe.[1][7] [9] Miniatur Mößbauer-Spektrometer sind zum Beispiel auch an den Mars-Rovern Spirit und Opportunity angebracht, um Proben direkt vor Ort auf dem Mars zu untersuchen.[10][11][12]
Damit eine Probe mit der Mößbauerspektroskopie untersucht werden kann, muss sie Isotope enthalten, welche den Mößbauer-Effekt aufweisen.[1] Zudem muss die Probe im festen Zustand vorliegen, denn sie darf nicht flüssig oder gasförmig sein.[1][7] Sie ist auf über 40 Elemente des Periodensystems anwendbar,[7] wobei ein Element mehrere Nuklide besitzen kann, welche den Mößbauer-Effekt aufweisen.[1][2]
Mößbauer-Effekt
BearbeitenDie Mößbauerspektroskopie beruht auf dem Mößbauer-Effekt, der rückstoßfreien Emission und Resonanzabsorption von Gammastrahlung durch Atomkerne.[1] Der Mößbauer-Effekt ist ein Resonanzphänomen, bei dem rückstoßfrei emittierte und absorbierte γ-Quanten als transmittierte elektromagnetische Strahlung zwischen Sender- und Empfängeratomkernen desselben Nuklids ausgetauscht werden.[2] Dabei kommt es zu Übergängen zwischen Energiezuständen der Atomkerne.[4][8] Die Gammastrahlung, welche in der Mößbauerspektroskopie auftritt, befindet sich ungefähr in einem Bereich von 10 keV bis 100 keV.[1] Dies entspricht (??? TODO: andere Energieeinheiten).
Nichtauftreten von Resonanzeffekten bei Gammastrahlung
BearbeitenAllgemein muss zur Absorbtion elektromagnetischer Strahlung das Resonanzkriterium erfüllt sein: Die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung muss genau der Energie entsprechen, die für den Übergang notwendig ist.[13]
Heisenbergsche Unschärferelation
kleine relative Linienbreite
Die Energie-Zeit-Unschärferelation besagt:(???)
Es lässt sich zusammenfassend sagen:
Die Emission der γ-Quanten muss rückstoßfrei erfolgen, damit Resonanz erfolgreich stattfinden kann.[2]
Kontrolle der Frequenz des Gamma-Photons durch den Doppler-Effekt
BearbeitenBei der Emission und Absorbtion von γ-Quanten spielt beim Mößbauer-Effekt der Doppler-Effekt eine entscheidende Rolle.[1] Um das Resonanzkriterium erfüllen zu können, wird in der Mößbauerspektroskopie die Quelle der Emission (auch Mößbauer-Quelle genannt) auf einen beweglichen Träger montiert, der sich mit einigen Millimeter pro Sekunde auf die zu untersuchende Probe (also den Mößbauer-Empfänger) zu oder weg bewegt.[2] Hierdurch kann die Energie der emittierten γ-Quanten derart erhöht bzw. verringert werden, dass die Resonanzbedingung erfüllt ist.[14]
Eine Analogie hierzu ist der Doppler-Effekt in der Akustik: Eine Schallquelle, welche sich auf den Hörer zu bewegt, sendet Schall mit einer erhöhten Frequenz aus, whärend eine Quelle die sich vom Höhrer weg bewegt, Schall mit einer erniedrigten Frequenz aussendet.
Ein Mößbauerspektrum ist eine Auftragung der relativen Intensität der transmittierten elektromagnetischen Strahlung als Funktion der Verschiebe-Geschwindigkeit der Mößbauer-Quelle.(???)
- Grafik des Mößbauer-Effektes
- Woher kommt die gamma-Strahlung?
Natürliche Linienbreite
BearbeitenDoppler-Verbreiterung
BearbeitenBreit-Wiegner Gleichung:[15]
![{\displaystyle N(E,\nu )=f_{\rm {s}}N_{0}{\frac {\varGamma /2\pi }{{\big [}E-E_{0}\left(1+\nu /c\right){\big ]}^{2}+(\varGamma /2)^{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c412da021abbdd29addd9107aa2a85a016d0fbac)
![{\displaystyle \delta =K{\bigg [}\mid \Psi _{\rm {s}}(0)\mid _{\rm {A}}^{2}-\mid \Psi _{\rm {s}}(0)\mid _{\rm {S}}^{2}{\bigg ]}\left(R_{\rm {e}}^{2}-R_{\rm {g}}^{2}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c395dd2545fb282275f57b5a5c26b34095fb2f3b)
Lamb-Mößbauer Faktor
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![{\displaystyle f=\exp \left[{\frac {-\langle x^{2}\rangle E_{\gamma }^{2}}{\left(\hbar c\right)^{2}}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4e7eca47deca2de65f692356784f2c5c6a5e2b39)
![{\displaystyle f(T)=\exp \left[{\frac {-3E_{\lambda }^{2}}{k_{\rm {B}}\varTheta _{\rm {D}}Mc^{2}}}\left({\frac {1}{4}}+\left({\frac {T}{\Theta _{\rm {D}}}}\right)^{2}\int _{0}^{\varTheta /T}{\frac {x}{e^{x}-1}}{\rm {d}}x\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b03efaf0e25a76a7887c76b31b375edd9485d0dc)
![{\displaystyle C(\nu )=N_{0}\exp(-\mu _{\rm {e}}t')\left[(1-f_{\rm {s}})+\int _{-\infty }^{+\infty }{\frac {f_{\rm {s}}\varGamma /(2\pi )}{\left[E-E_{0}(1+\nu /c)\right]^{2}+(\varGamma /2)^{2}}}\cdot \exp \left({\frac {-(\varGamma /2)^{2}}{(E-E_{0}-\Delta E)^{2}+(\varGamma /2)^{2}}}\right){\rm {d}}E\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0b9c9b04112b36c68696c8be360a3c96cd554d6f)
Isomerieverschiebung
BearbeitenQuadrupolaufspaltung
BearbeitenMagnetische Aufspaltung
BearbeitenTabelle mit Mößbauer-aktiven Isotopen
Tabelle mit Informationsgehalt und physikalischen Größen, die gemssen werden. (Gütlich Paper I und II).
| Art der Wechselwirkung | Mößbauer-Parameter | Hierdurch Zugängliche Informationen |
|---|---|---|
| Elektrische Monopol-WW. zwischen Atomkern und Elektronen am Kernort | Isomerieverschiebung
|
|
| Elektrische Quadrupol-WW. zwischen dem elektrischen Quadrupolmoment eines Kerns und einem inhomogenen elektrischen Feld am Kernort | Quadrupolaufspaltung |
|
| Magnetische Dipol-WW. zwischen dem magnetischen Dipolmoment eines Kerns und einem magnetischen Feld am Kernort | Magnetische Aufspaltung |
|
![{\displaystyle \delta [{\rm {mm/s}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/261df7d65ab906447aa591e4528d3eb8101f3204)
![{\displaystyle \Delta E_{\rm {Q}}[{\rm {mm/s}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cea89d275e04010aa194e5546935c47789b6ae2e)
![{\displaystyle \Delta E_{\rm {M}}[{\rm {mm/s}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e38905465fa9eae72a347d3cbb77952168d3fd71)
Aufbau eines Mößbauer-Spektrometers
Bearbeiten- TODO?
Mößbauer-Spektren
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Anwendungen
Bearbeiten- TODO?
Auch in der bioanorganischen Chemie spielt die Mößbauerspektroskopie eine wichtige Rolle.[16]
Siehe auch
BearbeitenLiteratur
BearbeitenBücher
- Philipp Gütlich, Eckhard Bill, Alfred X. Trautwein: Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry: Fundamentals and Applications. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2011, ISBN 978-3-540-88427-9
- Yutaka Yoshida, Guido Langouche: Mössbauer Spectroscopy: Tutorial Book, Springer 2014, ISBN 978-3642441783
- Yutaka Yoshida, Guido Langouche: Modern Mössbauer Spectroscopy: New Challenges Based on Cutting-Edge Techniques (Topics in Applied Physics, 137, Band 137). Springer 2022, ISBN 978-9811594243
- Yann Garcia, Junhu Wang, Tao Zhang: Mössbauer Spectroscopy: Applications in Chemistry and Materials Science. Wiley-VCH 2023, ISBN 978-3527346912
- D. W. H. Rankin, Norbert Mitzel, Carole Morrison: Structural Methods in Molecular Inorganic Chemistry (Inorganic Chemistry: A Textbook Series), Wiley 2013, ISBN 978-0470972786
Aufsätze
- Philipp Gütlich: Physikalische Methoden in der Chemie: Mößbauer-Spektroskopie I. Chemie in unserer Zeit. Band 4, Nr. 5, 1970
- Philipp Gütlich: Physikalische Methoden in der Chemie: Mößbauer-Spektroskopie II. Chemie in unserer Zeit. Band 5, Nr. 5, 1971
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ a b c d e f g h i j k l Philipp Gütlich, Eckhard Bill, Alfred X. Trautwein: Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2011, ISBN 978-3-540-88427-9, doi:10.1007/978-3-540-88428-6 (springer.com [abgerufen am 19. Februar 2022]).
- ↑ a b c d e f Philipp Gütlich: Physikalische Methoden in der Chemie: Mößbauer-Spektroskopie I. In: Chemie in unserer Zeit. Band 4, Nr. 5, 1970, ISSN 1521-3781, S. 133–144, doi:10.1002/ciuz.19700040502 (wiley.com [abgerufen am 19. Februar 2022]).
- ↑ Philipp Gütlich: Physikalische Methoden in der Chemie: Mößbauer-Spektroskopie II. In: Chemie in unserer Zeit. Band 5, Nr. 5, 1971, ISSN 1521-3781, S. 131–141, doi:10.1002/ciuz.19710050502 (wiley.com [abgerufen am 19. Februar 2022]).
- ↑ a b c Gerd Wedler: Lehr- und Arbeitsbuch Physikalische Chemie. Siebte, wesentlich überarbeitete und erweiterte Auflage. Weinheim 2018, ISBN 978-3-527-34611-0, S. 386–388.
- ↑ The Nobel Prize in Physics 1961. Abgerufen am 19. Februar 2022 (amerikanisches Englisch).
- ↑ Michael Kalvius, P. Kienle: The Rudolf Mössbauer story: his scientific work and its impact on science and history. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-17952-5.
- ↑ a b c d e f g h David W. H. Rankin: Structural methods in molecular inorganic chemistry. Chichester, West Sussex, United Kingdom 2013, ISBN 978-1-118-46288-1, S. 189–217.
- ↑ a b c Colin N. Banwell: Molekülspektroskopie ein Grundkurs. München 1999, ISBN 978-3-486-24507-3.
- ↑ Virender K. Sharma: Mossbauer Spectroscopy : Applications in Chemistry, Biology, Industry, and Nanotechnology. Wiley, Hoboken 2013, ISBN 978-1-118-77197-6.
- ↑ Interview zur US-Marsmission: "Wir interessieren uns für Rost". In: Der Spiegel. 6. Juni 2003, ISSN 2195-1349 (spiegel.de [abgerufen am 18. Februar 2022]).
- ↑ Deutsches Mössbauer-Spektrometer sendet Daten vom Mars zur Erde. Abgerufen am 18. Februar 2022.
- ↑ mars.nasa.gov: Mars Exploration Rovers. Abgerufen am 18. Februar 2022.
- ↑ J. Michael Hollas: Modern spectroscopy. Fourth edition Auflage. Chichester 2004, ISBN 0-470-09471-0.
- ↑ Erwin Riedel, Christoph Janiak: Anorganische Chemie:. DE GRUYTER, 2010, ISBN 978-3-11-022566-2, S. 676–680, doi:10.1515/9783110225679 (degruyter.com [abgerufen am 19. Februar 2022]).
- ↑ G. Breit, E. Wigner: Capture of Slow Neutrons. In: Physical Review. Band 49, Nr. 7, 1. April 1936, S. 519–531, doi:10.1103/PhysRev.49.519 (aps.org [abgerufen am 19. Februar 2022]).
- ↑ Sonja Herres-Pawlis: Bioanorganische Chemie Metalloproteine, Methoden und Konzepte. [1. Auflage]. Weinheim, Germany 2017, ISBN 978-3-527-33615-9.