ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I. ВНУТРЕННЯЯ КОНВЕРСИЯ В ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ И В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА (Литературный обзор) 9
1.1. Явление внутренней конверсии 9
1.2. Конверсии на валентных оболочках 20
1.3. Конверсионная электронная спектроскопия - как новый метод исследовании электронной структуры вещества 29
ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА 35
2.1. Аппаратура для измерения рентгеноэлектронных и конверсионных спектров 35
2.2. Методики измерения и обработки спектров 42
2.3. Методика приготовления образцов - источников конверсионных электронов и контроль химического состояния 46 ГЛАВА III. ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПАДА 201Т1
301 Я*г И НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО (1,56 КЭВ; М1+Е2)-ПЕРЕХОДА В шНд НА ОСНОВЕ ДАННЫХ КОНВЕРСИОННЫХ, РЕНТГЕНОЭЛЕКТРОННЫХ И ОЖЕ СПЕКТРОВ 68
3.1. Качественная характеристика и идентификация линий в конверсионном и ренг-геноэлектронном спектрах образцов 68
3.2. Определение энергии низкоэиергетического (М1-ьЕ2)-персхода в 201 Нд 75
3.3. Определение относительных интенсивностей пиков нулевых потерь энергии 78
3.4. Определение значения параметра смеси мультилольностей 6*(Е2/М\) в переходе с энергией 1,56 кэВ в шНд 90
3.5. Определение интенсивностей переходов на первый возбужденный (1,56 кэВ) и основной уровни 701 Нд при распаде 20,7У 201 Нд 94
1
ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ОКРУЖЕНИЯ НА КОНВЕРСИОННЫЙ СПЕКТР ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ РТУТИ 103
4.1. Влияние химического окружения на спектр электронов внутренней конверсии изотопа 201 Нд, помещенного в разные матрицы. Электронные состояния ртути, проявляющиеся при данном (1,56 кэВ; М1+Е‘2)-переходе в тНд 103
4.2. Анализ формы фона в области конверсионных электронов валентной зоны ртути
и п роцеду ра его в ы ч итан и я И 2
4.3. Исследование электронной структуры примесных атомов ртути в соединениях методом конверсионной электронной спектроскопии 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 131
ЛИТЕРАТУРА 133
2
ВВЕДЕНИЕ
Внутренняя конверсия 7- лучей - классический метод ядсрной физики, который до настоящего времени широко используется для получения сведений о структуре возбужденных состояний атомных ядер. Информация, извлеченная из спектров внутренней конверсии, позволяет находить переходы между ядерными уровнями, определять их энергию и интенсивность; путем сравнения экспериментальных данных с теорией удается делать заключения о мультиполыюстях переходов, что в свою очередь дает сведения о спине и четности ядерных уровней; изучение внутренней конерсии позволяет делать заключения о природе возбужденных состояний ядра и о ядерных волновых функциях, получать сведения о ядерных матричных элементах :1).
Кроме того, в последнее время с развитием техники эксперимента и теоретических представлений явление внутренней конверсии ядериого мультиполя нашло применение и в исследованиях свойств вещества. Как показано в работах [2. 4](см. также ссылки в них), такой классический метод ядерной физики как спектроскопия электронов внутренней конверсии может быть успешно применен к исследованию электронною строения вещества, если достигнуто разрешение еУ. Действительно, при конверсии ядерного мультиполя электронные оболочки атома непосредственно участвуют в процессе, и поэтому, перестройка электронных оболочек атома при изменении его физикохимического окружения должна проявляться в спектрах конверсионных ЭЛвКТрОНОВ [5]. Конверсионная спектроскопия в применении к задачам исследования электронного строения вещества получила название конверсионной электронной спектроскопии (КЭС) [3]. Характерные особенности метода КЭС в том, что процесс конверсии сосредоточен в малой окрестности конвертирующего ядра (для всех мультивольностей перехода, кроме Е1) [5, б] (для перехода (М1 ЬЕ2)-мультиполы!ости с энергией 1,56 кэВ в 201 Нд область ~0,07А вносит ~99% вклада в величину КВК) и выделяет’ для конкретного (ЕЬУМЬ)-перехода электронные иодоболочки определенного типа Щ). Данные особенности процесса конверсии удобно использовать для получения специальной информации об электронной структуре вещества - информации о поведении локальной парциальной (5, р, г!.} /) электронной плотности вблизи ядра. 13 дальнейшем, для
3
краткости будем использовать термин парциальная электронная плотность.
Одной из основных проблем широкою применения конверсионной спектроскопии для изучения электронной структуры вещества является ограниченное число изотопов, для которых развиты методики приготовления образцов и получены высокоразре-шенные конверсионные спектры валентной зоны. До сих нор число работ по данному направлению незначительно. В настоящее время только для двух ядер, имеющих низкоэнергетические переходы, удалось получить конверсионные спектры валентной зоны с разрешением порядка 1 эВ. В их число входит ультрамягкий (76,5 эВ; 1/24—>1/2 ЕЗ) конверсионный переход 26-минутного изомера урана-235 (235шС/) [7] и конверсионный переход в "Тс (2,1726 кэВ, ЕЗ) [3, 8]. Кроме того, с разрешением ~2 эВ получены конверсионные спектры валентной зоны для (М1-переход с энергией около 23,9 кэВ) и 73Се (Е2-переход с энергией около 13,3 кэВ) (9].
В настоящей работе исследование конверсионных электронных спектров в области электронов валентной зоны с целыо изучения электронной структуры вещества расширены на новый для этого метода элемент ртуть - ядерный переход (М1+Е2)-мультитюлыюсти с энергией около 1,56 кэВ в изотопе 201 Яд. Изотоп 201IIд образуется путем распада (с помощью электронного захвата) материнского ядра 20177 (Хі/2 ~ 3 сут.). Данный переход с энергией 1,56 кэВ в изотопе 201IIд удобен в методическом отношении (фоновые условия и период полураспада материнского ядра) для проведения исследований влияния природы химического окружения атомов ртути на конверсионные спектры валентной зоны. При этом, для успешного использования данного конвертированного перехода в исследованиях электронного строения вещества необходимо уточнение и получение ряда ядерно-физических характеристик (М1+Е2)-перехода в 2(іі1Ід и характеристик распада 201 ТІ 201 Нд (энергия перехода, параметр смеси мульти-пол ьностей, интенсивности г-захвата на первый возбужденный (1,56 кэВ) и основной уровни 201 Нд), необходимых как в методическом плане (необходимо знать, какая часть от распадов 20177 участвует в формировании конверсионного спектра, обусловленного переходом с энергией 1,56 кэВ), так и для возможности проведения более точных теоретических расчетов вероятностей конверсии на оболочках атома ртути и сравнения с
4
экспериментом.
Отметим, что ртуть из-за сочетания ряда свойств выступает уникальным металлом, почти незаменимым при решении многих научных и практических задач. Приведем лишь некоторые из них. Это использование в металлургии для получения чистых металлов и сплавов; использование в порошковой металлургии; использование ртутных сплавов и покрытий; широкое использование в электрохимии; применение п электровакуумной и электронной технике; использование в качестве теплоносителя в энергетике; использование в области научных исследований и народном хозяйстве (см. [10] и ссылки в ней). Известно также, что ртуть входит в состав перспективных высокотемпературных сверхпроводящих керамик [И]. Поэтому изучение свойств ртути требует привлечения разнообразных современных методов исследований.
Раисе, в работе (12) уже исследовался спектр электронов внутренней конверсии данного перехода с разрешением 11 эВ. Авторам удалось зарегистрировать лишь линии электронов внутренних Яр4$-, НдАр-, и Я</47-подоболочек. Из-за плохих фоновых условий авторам не удалось выделить линии электронов внутренних НдЬв-, НдЬрхрп и Я.?5р3/2-лодоболочек и область валентной зоны. Основное содержание их работы касалось определения некоторых ядериых характеристик перехода (в частности, энергии и мультипольносги). Более детально результаты работы [12] будут изложены в процессе обсуждения полученных нами результатов.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: привлечение нового (М1+Е2)-перехода (1,56 кэВ) в 201 Ну к исследованию электронной структуры вещества на основе изучения высоко-разрешенных (~1 эВ) спектров электронов внутренней конверсии.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ: получение высокоразрешенных конверсионных спектров внутренних и валентных электронов атомов ртути (от 0 до 1000 эВ но энергии связи); изучение на их основе ядерных характеристик распада 20177 —^ 201 Ну, (М14Е2)-перехода (1,56 кэВ) в 201Нд и электронной структуры ртути.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В качестве объектов исследования электронной структуры ртути были использованы образцы, содержащие: многокомпонентный твер-
5
дый раствор Р^{ки+т)АикНд1(Т11.хНдх)т (к=0,10; 1+ш-0,07; 1^0,01) - образец I, сложный оксид (Т1\-хНдх)20 - образец II, и твердый раствор Р1\„п(Т1\-хНдх)п (п-0Д1) - образец III.
1. Для атомов ртути, находящихся в различном химическом состоянии получены конверсионные электронные спектры высокого разрешения (~1 эВ), обусловленные ядерным (М1-рЕ2)-переходом в изотопе 201 Нд (1.56 кэВ), в диапазоне энергий связи электронов 0-1000 эВ, причем часть спектра в диапазоне энергий связи 0-200 эВ, связанная с электронами НдЬв-, НдЬр]/2-, #<?5/;з/2-подоболочек и валентной зоны, зарегистрирована впервые.
2. Уточнено значение энергии (1/2“ —> 3/2 ; М1-|-Е2)-ггсрехода в шНд - 1564,8 ±
3. Получены экспериментальные значения относительных интенсивностей конверсионных линий для НдЬэ-, Нд5р\/2-, НдЬр$/тподоболочек ртути и новое значение нара-
4. Получены величины интенсивностей переходов на первый возбужденный и основной уровни 201 Нд при распаде 201Т1 —201 Нд: /е(1,56 кэВ)= 46,8:1: 22,7; 1е(0,0 кэВ)< 20,9 на 100 распадов; а также значения констант 1д /#: 1$ /#(1,56 кэВ)= 6,45^^; ^ //(0,0 кэВ)> 6,80.
5. Определены экспериментальные значения относительных вероятностей конверсии (относительно внутренней ЛИНИИ 7/г/5рз/2-электронов) для электронов валентной зоны ртути в изученных соединениях и обнаружены эффекты перестройки парциальной электронной плотности на атоме ртути при изменении его химического состояния.
1. Развитые методики приготовления образцов и регистрации высокоразрсшенных конверсионных электронных спектров валентной зоны соединений ртути открывают перспективу использования изотопа 201 Нд в качестве 11 метки "для изучения электронной структуры вещества и природы химической связи.
В работе впервые получены следующие оригинальные ре-
зультаты .
1,0 эВ.
метра смеси мультиполыюстей 52(Е2/М 1)=(2,1^до) х Ю 4-
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.
6
2. Развитая в работе процедура определения интенсивностей переходов на уровни дочернего ядра (с использованием оже-линий и каскадов флуоресцентных переходов) при распаде материнского ядра может быть использована для решения аналогичных задач п случае наличия ядерных близколежащих уровней, когда иными способами определить эти характеристики затруднено.
3. Полученные новые (и уточненные) ядерные параметры для схемы распада 20177 201 Ну могут использоваться как справочные данные.
В первой главе диссертации (литературном обзоре) содержится описание процесса конверсии ядерного мультиполя, рассмотрено применение явления конверсии в ядерной физике; обсуждается использование метода конверсионной спектроскопии доя исследования электронной структуры вещества с обзором экспериментальных и теоретических данных. Из рассмотренных результатов следует, что п настоящее время метод конверсионной спектроскопии может быть успешно использован не только доя получения ядерио-физической информации, но и при изучении электронной структуры соединений.
Вторая глава посвящена рассматрснию характеристик аппаратуры, па которой проводились исследования, и изложению основных экспериментальных методик, использованных в работе.
В третьей главе описываются и обсуждаются результаты изучения ядерно-физических характеристик распада ШТ1 —->■ 201 Нд и низкоэнергетического (М1+Е2)-перехода в 201 Нд с использованием спектров электронов внутренней конверсии.
Получены значения энергии перехода, параметра смеси мультивольностей, интенсивностей переходов на первый возбужденный и основной уровни 201 Нд при распаде материнского ядра 20177, а также оценки значения констант lg.fi дня основного и первого возбужден но то уровней в 201Н д.
Четвертая глава посвящена обработке и анализу экспериментальных конверсионных спектров электронов валентной зоны атомов ртути в соединениях. Отмечается, что вы-сокоразрешенные конверсионные электронные спектры валентной зоны ртути отражают зависимость распределения парциальных 5-, />-, ^-электронных плотностей вблизи
7
ядра изотопа 201 Нд от физико-химического состояния ртути в образцах. Подученные данные позволяют составить общее представление о величине и характере изменений парциальной электронной плотности на атомах ртути при изменении их химического окружения. Наблюдаемые изменения объясняются перестройкой электронной структуры и различиями в степени локализации внешних электронов ртути и атомов окружения в малой окрестности вблизи ядра ртути.
В выводах суммируются основные результаты, полученные в настоящей работе.
АВТОР ВЫНОСИТ НА ЗАЩИТУ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. Методика получения высокоразрешенных (~ 1 эВ) конверсионных электронных спектров, обусловленных низкоэнергетическим (1,56 кэВ) переходом в дочернем ядре 201 Нд при распаде материнского ядра 20177 (Тф ~ 3 сут.).
2. Экспериментальные высокоразрсшеииые конверсионные электронные спектры (М1+Е2)-перехода в шНд для внутренних оболочек ртути (от 60 до 800 эВ по энергии связи); результаты обработки и анализа этих спектров с полученными ядерно-физическими характеристиками распада 20177 201IIд и низкоэнергетического (М1+Е2) - п ерехода в 201Я д.
3. Экспериментальные высокоразрсшеииые конверсионные электронные спектры валентной зоны атомов ртути (0-16 эВ по энергии связи), находящихся в различном химическом состоянии (твердые растворы и сложный оксид); методика и результаты количественного анализа и расшифровки структуры этих спектров; результаты оценки величины и характера изменений парциальной электронной плотности ртути (для валентной зоны) при изменении ее химического состояния.
Основное содержание диссертации изложено в 15 публикациях (см. [13, 27]). Результаты работы докладывались и обсуждались на Международных Совещаниях по Физике Ядра (Совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра): Дубна, 1993; С.-Петербург 1995; Москва, 1996; Москва, 1998; на 5-ом Международном Совещании по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий: Дубна, 1993; на ежегодной конференции ИСФТТ РИД "Курчатовский институт", 1998.
8
ГЛАВА I. ВНУТРЕННЯЯ КОНВЕРСИЯ В ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ И В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА (Литературный
обзор).
1.1. Явление внутренней конверсии.
Исследование процесса внутренней конверсии - классический метод ядерной физики. При образовании ядра в возбужденном состоянии с энергией возбуждения, недостаточной для испускания ядерной частицы, переход ядра в основное состояние осуществляется с помощью электромагнитных переходов. Электромагнитные переходы могут осуществлятся либо испусканием кванта, либо испусканием орбитального электрона (внутренняя конверсия).
Явление внутренней конверсии широко используется в ядерной физике для получения сведений о ядерных матричных элементах и ядорных волновых функциях, для нахождения новых ядерных уровней и определения энергий переходов между ядерны-ми уровнями. Из сравнения теоретических значений коэффицентов внутренней конверсии (КВК) с экспериментом удается находить мультипольиость ядерных переходов, что позволяет делать заключение о спинах и четностях ядерных уровней. Изучение процесса внутренней конверсии позволяет делать выводы о природе возбужденных состояний ядра; исследовать электрические монопольные (ЕО)-переходы в ядрах. Имеется обширная литература, посвященная теоретическому рассмотрению явления внутренней конверсии и обзору полученных данных [1, 28, 29, 30, 31, 32].
Процессы излучения квантов и испускания конверсионных электронов являются конкурирующими процессами при распаде возбужденных состояний ядер посредством электромагнитных переходов. На рис.1(а-б) приведены диаграммы Фейнмана этих процессов. Вероятность распада возбужденною состояния ядра определяется как:
И' = Щ = Ж, + И* + ХУЬ + ..., (1.1)
где 1Му - вероятность излучения у-кванта, \Уе - вероятность излучения электрона; \\;к, И'Г,...- вероятности излучения электронов различными оболочками атома. Выражение
о,- = \VJ\V, (1.2)
9
определяет коэффициент внутренней конверсии (КВК) данного перехода на г-подоболочке. Полный КВК равен сумме парциальных КВК па всех подоболочках, на которых возможен процесс конверсии
а, = Х> О-3)
i
Закон сохранения энергии для процесса конверсии может быть записан в виде:
Е1 = Ь (1.4)
где Е\ - кинетическая энергия конверсионного элек трона с мюдоболочки, hu> ~ энергия ядерного перехода, - энергия связи электрона t-подоболочки относительно уровня Ферми, 4>s - работа выхода электрона из образца. В этом уравнении пренебрегается энергией отдачи ядра (что верно для переходов низкой энергии) и не учитывается возможность возбуждения или ионизации другого связанного электрона (что имеет место с некоторой вероятностью в процессе конверсии). Как видно из уравнения (1.4), спектр конверсионных электронов связан с распределением электронов по энергиям связи в атоме.
При малых энергиях перехода конверсия происходит только на тех г-подоболочках атома для которых huj > е'ь. Если huj < £•{,, то конверсия происходит только на подоболочках, более удаленных от ядра, чем i-подоболочка.
Величина углового момента L, передаваемого ядром 7-кванту или конверсионному электрону, выраженная в единицах /I, называется мультипольностью ядерного перехода. Если Ii} // - спины начального и конечного состояний ядра, то из закона сохранения момента количества движения следуют возможные значения мультивольности при переходе
I Ij-Ii\<L<I/ + Ii (1-5)
13 свою очередь тип мультииольносги электрический (EL) или магнитный (ML) связан с четностью поля излучения 7Г7:
7г7 = (-1)L для EL- ,7г7 = (-1)М1 для ML-переходов. (1.6)
По закону сохранения четности в электромагнитном взаимодействии четность поля тг7 равна изменению четности ядерного состояния при 7-переходе: тг7 = 4-1, если четность
10
/
/
/
/
Рис.1. Графики Фейнмана для электромагнитных переходов ядер: а-излученис одного гамма-кванта; б - внутренняя конверсия.
П
- Київ+380960830922