Mössbauerspectroscopie

Mössbauerspectroscopie is een spectroscopische techniek die gebruikmaakt van het Mössbauereffect. Deze techniek behoort tot het vakgebied van de nucleaire vastestoffysica. Mössbauerspectroscopie is vernoemd naar de Duitse natuurkundige Rudolf Mössbauer, die in 1958 het Mössbauereffect ontdekte. Vanwege de hoge energie en de extreem smalle lijnbreedte van gamma-stralen, is Mössbauerspectroscopie een zeer gevoelige techniek wat energie- (en dus frequentie-)resolutie betreft, het is mogelijk veranderingen van slechts een paar deeltjes per 10¹¹ waar te nemen.

Basisprincipe

Schematische weergave een transmissie-Mössbauerspectrometer

Een Mössbauerspectrum van ijzer-57

In zijn basisuitvoering bestaat een Mössbauerspectroscopieopstelling uit een bron met radioactieve atomen en een te bestuderen materiaal dat dezelfde soort atomen bevat (in de meeste gevallen ijzer-57). Daarachter wordt een detector geplaatst die de hoeveelheid radioactiviteit meet dat het te onderzoeken materiaal doorlaat. Doordat de radioactieve bron door het Mössbauereffect gammastralen kan uitzenden die geen energie hebben verloren door een terugslag, kan het te onderzoeken materiaal deze gammastralen weer absorberen. Ook deze absorptie moet dan plaatsvinden zonder dat er sprake is van energieverlies door een terugslag.

Door nu de bron met verschillende snelheden te bewegen (enkele mm/s) krijgen de uitgezonden gammastralen een dopplerverschuiving ten opzichte van hun oorspronkelijke energie. Als de energie van de gammastralen nu precies overeenkomt met een energieovergang van de absorber wordt de straling geabsorbeerd en krijgen we een dip in het doorlaatspectrum. Als de energie van de gammastralen niet overeenkomt met een energieovergang van de absorber wordt de straling niet geabsorbeerd en wordt er veel straling door de absorber doorgelaten. Het is nu mogelijk om een grafiek te maken van de hoeveelheid doorgelaten straling door de absorber en de snelheid van de bron. Dit geeft een grafiek met karakteristieke pieken (spectrum) waaruit informatie over de chemische omgeving en magnetisme van de atomen in de absorber gehaald kan worden.

Er is slechts een beperkt aantal atomen die met een relatief grote waarschijnlijkheid (de f-fractie) ioniserende straling zonder terugslag kunnen uitzenden. Hierdoor is deze techniek beperkt tot een klein aantal isotopen waaronder: ijzer-57, tin-119, jodium-129 en antimoon-121.

Bronnen voor gammastraling

Geschikte bronnen voor gammastraling bestaan uit een radioactieve ouder-nuclide dat vervalt naar het nuclide, dat bestudeert wordt. De bron voor ijzer-57 bijvoorbeeld bestaat uit kobalt-57, die door het vangen van een elektron vervalt tot een aangeslagen ijzer-57-nuclide, dat op zijn beurt naar de grondtoestand terugvalt en gammakwantum uitzendt met de gewenste energie. Idealiter heeft het ouder-nuclide een gunstige halfwaardetijd. Het hier beneden weergeven periodiek systeem toont welke elementen een isotoop hebben geschikt voor Mössbauerspectroscopie. Van de bestudeerde nucliden is ijzer-57 het meest bestudeerd met behulp van deze techniek, andere frequent bestudeerde nucliden zijn jodium-129, tin-119 en antimoon-121.

Periodiek systeem van Mössbauer-actieve elementen
H																	He
Li	Be											B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg											Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og
			Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr
Mössbauer-actieve elementen Gammastralingsbronnen Ongeschikt voor Mössbauerspectroscopie

Detectoren

Mössbauerspectroscopen kunnen met verschillende detectoren zijn uitgerust. De belangrijkste drie gebruikte typen detectoren zijn de proportionele teller (een gasgevulde detector), de scintillatiedetector en de halfgeleiderdetector. De keuze voor een bepaalde detector hangt af van verschillende factoren, waaronder de prijs van een detector, de snelheid en het meetbereik.

Toepassingen

• Mössbauerspectroscopie wordt voornamelijk gebruikt om de chemische omgeving van atomen te bestuderen. Ook kan zeer veel informatie verkregen worden over de magnetische eigenschappen met deze methode.

• De onbemande Mars Exploration Rover-wagentjes Spirit en Opportunity, die in 2004 op de planeet Mars geland zijn; hadden een Mössbauerspectroscopieopstelling aan boord om de bodem van de planeet te onderzoeken. Het instrument was gemonteerd op de robotarm waarmee het instrument tegen de bodem werd gehouden. De spectrometers konden ijzerhoudende fasen in de bodem identificeren en de verdeling van de verschillende oxidatietoestanden van ijzer tussen die fasen bepalen. Opportunity kon daarmee de aanwezigheid van jarosiet en hematiet in de bodem van Meridiani Planum aantonen.

Bronnen, noten en/of referenties