Benutzer:Johannes Schneider/Mößbauerspektroskopie

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Rudolf Mößbauer (1929-2011)

Die Mößbauerspektroskopie (auch Mössbauerspektroskopie) ist eine spektroskopische Methode zur zerstörungsfreien Analyse fester Proben. Sie basiert auf dem Mößbauer-Effekt, der rückstoßfreien Emission und Resonanzabsorption von Gammastrahlung durch Atomkerne. Für die Entdeckung dieses Effektes im Jahre 1958 erhielt Rudolf Mößbauer 1961 den Nobelpreis für Physik. 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. In manchen Fällen können die gemessenen Daten zur eindeutigen Identifikation einer Probe dienen, insbesondere wenn andere spektroskopische Methoden unzureichend sind. Hinzu kommt, dass die Mößbauerspektroskopie äußerst empfindlich ist. Sie findet breite Anwendung in Physik, Chemie (insbesondere Festkörperchemie, Koordinationschemie, Organometallchemie und bioanorganischer Chemie), Biologie, Archäologie, Nanotechnologie und Materialwissenschaften.

Übersicht

Periodensystem der Elemten, in dem Mössbauer-aktive Elemente grün hervorgehoben sind.

Bei der Mößbauerspektroskopie kommt es zu Übergängen zwischen den Energieniveaus von Atomkernen. Die Probe muss hierfür ein Feststoff sein und Nuklide enthalten, welche den Mößbauer-Effekt aufweisen. Sie ist auf über 40 Elemente des Periodensystems anwendbar, wobei es für manche Element mehrere mögliche Nuklide geben kann, die den Mößbauer-Effekt aufweisen. Die mit Abstand meisten Publikationen beschäftigen sich mit Mößbauerspektroskopie des Nuklids ⁵⁷Fe. 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.

Damit eine Probe mit der Mößbauerspektroskopie untersucht werden kann, muss sie Isotope enthalten, welche den Mößbauer-Effekt aufweisen. Zudem muss die Probe im festen Zustand vorliegen, denn sie darf nicht flüssig oder gasförmig sein. Sie ist auf über 40 Elemente des Periodensystems anwendbar, wobei ein Element mehrere Nuklide besitzen kann, welche den Mößbauer-Effekt aufweisen.

Mößbauer-Effekt

→ Hauptartikel: Mößbauer-Effekt

Die Mößbauerspektroskopie beruht auf dem Mößbauer-Effekt, der rückstoßfreien Emission und Resonanzabsorption von Gammastrahlung durch Atomkerne. 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. Dabei kommt es zu Übergängen zwischen Energiezuständen der Atomkerne. Die Gammastrahlung, welche in der Mößbauerspektroskopie auftritt, befindet sich ungefähr in einem Bereich von 10 keV bis 100 keV. Dies entspricht (??? TODO: andere Energieeinheiten).

Nichtauftreten von Resonanzeffekten bei Gammastrahlung

Allgemein 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.

Heisenbergsche Unschärferelation

kleine relative Linienbreite

De-Broglie-Beziehung

Die Energie-Zeit-Unschärferelation besagt:(???)

$\Delta E\Delta t\geq \hbar$

Es lässt sich zusammenfassend sagen:

Die Emission der γ-Quanten muss rückstoßfrei erfolgen, damit Resonanz erfolgreich stattfinden kann.

Kontrolle der Frequenz des Gamma-Photons durch den Doppler-Effekt

→ Hauptartikel: Doppler-Effekt

Bei der Emission und Absorbtion von γ-Quanten spielt beim Mößbauer-Effekt der Doppler-Effekt eine entscheidende Rolle. 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. Hierdurch kann die Energie der emittierten γ-Quanten derart erhöht bzw. verringert werden, dass die Resonanzbedingung erfüllt ist.

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?

$E_{\gamma }=E_{0}-E_{\text{Rückstoß}}+E_{\rm {Doppler}}$

Doppler-Verbreiterung

Breit-Wiegner Gleichung:

$I(E)={\frac {\varGamma /2\pi }{\left(E-E_{0}\right)^{2}+(\varGamma /2)^{2}}}$

$N(E,\nu )=f_{\rm {s}}N_{0}{\frac {\varGamma /2\pi }{{\big [}E-E_{0}\left(1+\nu /c\right){\big ]}^{2}+(\varGamma /2)^{2}}}$

$\delta =K{\bigg [}\mid \Psi _{\rm {s}}(0)\mid _{\rm {A}}^{2}-\mid \Psi _{\rm {s}}(0)\mid _{\rm {S}}^{2}{\bigg ]}\left(R_{\rm {e}}^{2}-R_{\rm {g}}^{2}\right)$

$K={\frac {2}{3}}\pi Ze^{2}$

Lamb-Mößbauer Faktor

$f=\exp \left[{\frac {-\langle x^{2}\rangle E_{\gamma }^{2}}{\left(\hbar c\right)^{2}}}\right]$

$f(T)=\exp \left[{\frac {-3E_{\lambda }^{2}}{k_{\rm {B}}\varTheta _{\rm {D}}Mc^{2}}}\left({\frac {1}{4}}+\left({\frac {T}{\Theta _{\rm {D}}}}\right)^{2}\int _{0}^{\varTheta /T}{\frac {x}{e^{x}-1}}{\rm {d}}x\right)\right]$

$C(\nu )=N_{0}\exp(-\mu _{\rm {e}}t')\left[(1-f_{\rm {s}})+\int _{-\infty }^{+\infty }{\frac {f_{\rm {s}}\varGamma /(2\pi )}{\left[E-E_{0}(1+\nu /c)\right]^{2}+(\varGamma /2)^{2}}}\cdot \exp \left({\frac {-(\varGamma /2)^{2}}{(E-E_{0}-\Delta E)^{2}+(\varGamma /2)^{2}}}\right){\rm {d}}E\right]$

Magnetische Aufspaltung

Tabelle mit Mößbauer-aktiven Isotopen

Tabelle mit Informationsgehalt und physikalischen Größen, die gemssen werden. (Gütlich Paper I und II).

Tabelle 1: Wechselwirkungen, Experimentelle Parameter und die hieraus zugänglichen Informationen bei der Mößbauerspektroskopie.

Art der Wechselwirkung	Mößbauer-Parameter	Hierdurch Zugängliche Informationen
Elektrische Monopol-WW. zwischen Atomkern und Elektronen am Kernort	Isomerieverschiebung $\delta [{\rm {mm/s}}]$	Oxidationszustand des Mößbauer-Nuklids Bindungseigenschaften in Koordinationsverbindungen (Delokalisierung von d-Elektronen, Rückbindung, Abschirmung von s-Elektronen durch p- und d- Elektronen) Elektronegativität des Liganden
Elektrische Quadrupol-WW. zwischen dem elektrischen Quadrupolmoment eines Kerns und einem inhomogenen elektrischen Feld am Kernort	Quadrupolaufspaltung$\Delta E_{\rm {Q}}[{\rm {mm/s}}]$	Molekülsymmetrie Oxidationszustand des Mößbauer-Nuklids Bindungseigenschaften
Magnetische Dipol-WW. zwischen dem magnetischen Dipolmoment eines Kerns und einem magnetischen Feld am Kernort	Magnetische Aufspaltung$\Delta E_{\rm {M}}[{\rm {mm/s}}]$	Magnetische Eigenschaften (Ferro-, Antiferro-, Para-, Diamagnetismus). Hiermit kann der Oxidationszustand des Mößbauer-Nuklids bestimmt werden.

Aufbau eines Mößbauer-Spektrometers

- TODO?

Mößbauer-Spektren

Anwendungen

- TODO?

Auch in der bioanorganischen Chemie spielt die Mößbauerspektroskopie eine wichtige Rolle.

Siehe auch

Rudolf Mößbauer

Mößbauer-Effekt

Doppler-Effekt

Göstar Klingelhöfer (Physiker)

Literatur

Bücher

• 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