научная статья по теме ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ РЯДА ЖИДКИХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СРЕД МЕТОДАМИ ПОЗИТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ РЯДА ЖИДКИХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СРЕД МЕТОДАМИ ПОЗИТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2013, том 47, № 4, с. 268-274

РАДИАЦИОННАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ХИМИЯ

УДК 541.15:539.189.2

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ РЯДА ЖИДКИХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СРЕД МЕТОДАМИ ПОЗИТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

© 2013 г. В. И. Графутин, Л. В. Ельникова, О. В. Илюхина, Г. Г. Мясищева,

Е. П. Прокопьев, Ю. В. Фунтиков

ФГБУ "ГНЦРФ Институт теоретической и экспериментальной физики" им. А.И. Алиханова

117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 E-mail: grafutin@itep.ru Поступила в редакцию 18.10.2012 г.

Исследована структура ряда жидких молекулярных сред методом позитронной аннигиляционной спектроскопии. По параметрам аннигиляционных спектров определены размеры полостей, в которых локализуется атом позитрония. Обсуждается возможность идентификации химического состава атомов, образующих "стенку" позитрониевого пузырька.

Б01: 10.7868/80023119713040054

Позитронная аннигиляционная спектроскопия (ПАС) является современным методом изучения структуры вещества. Ее суть состоит в имплантации в исследуемый образец позитронов, образующихся в результате Р+-распада источника (как правило, ядер изотопов 22№, 64Си, 58Со, 44И), и последующей регистрации характеристик ан-нигиляционного у-излучения. В позитронной спектроскопии позитрон выполняет функции зонда, аннигиляционные характеристики которого определяются свойствами среды, окружающей его в месте аннигиляции [1—7].

В веществе процесс аннигиляции позитронов может протекать как в свободных соударениях с электронами среды, так и через образование связанных состояний позитронов с электронами, атомами, молекулами и различными дефектами, при этом каждый канал аннигиляции вносит свой специфический вклад в экспериментальный ан-нигиляционный спектр.

В непроводящих молекулярных средах на конечном участке трека позитрона при взаимодействии термализованного е+ с одним из трековых электронов, выбитых позитроном в ходе его ионизационного торможения, может иметь место образование атома позитрония, Р8. Он представляет собой связанное состояние электрона и позитрона. Подобно атому водорода Р8 может находиться либо в орто-, либо в пара-состоянии в зависимости от взаимной ориентации спинов позитрона и электрона. Вероятности образования Р8 в орто- и пара-состояниях соотносятся как 3 к 1. Время жизни пара-позитрония в вакууме — 0.125 нс (он аннигилирует на 2 у-кванта), а орто-позитроний в вакууме живет 142 нс и распадается на три у-кванта. Одна-

ко, если орто-позитроний находится в среде в на-нопоре, то позитрон орто-позитрония может проаннигилировать не со "своим" электроном, входящим в состав позитрония, а с одним из окружающих его молекулярных электронов среды, имеющих противоположное позитрону направление спина. Этот процесс называется pick-off -аннигиляцией; скорость его зависит от распределения электронной плотности молекул среды, окружающих позитроний. При этом экспериментально наблюдаемое время жизни орто-позитро-ния радикально сокращается в зависимости от размера полости, в которой он находится. В случае пара-позитрония позитрон аннигилирует на собственном электроне, а экспериментально определяемая энергия аннигилирующей пары также определяется размером полости, в которой находится позитроний. Эти свойства являются главными при определении размера нанополо-стей и дефектов структуры. Естественно, для корректной интерпретации экспериментальных спектров ПАС необходимы надежные теоретические модели образования Ps, его взаимодействия со средой и продуктами радиолиза среды.

Для интерпретации экспериментальных результатов принято использовать модель, впервые предложенную Тао [8], в которой полость с локализованным позитронием (позитроном) аппроксимируется прямоугольной потенциальной ямой радиуса R0 с бесконечно высоким потенциальным барьером. Волновая функция позитрона (позитрония) на стенах ямы обращается в нуль. При этом предполагается, что аннигиляция позитронов происходит на внешних электронах молекул среды, образующих стенку полости с толщиной

электронного слоя AR [9]. Возникает вопрос, возможно ли из параметров аннигиляционных спектров извлечь информацию о химическом составе атомов, входящих в состав молекул, формирующих "стенку" полости, на которых происходит аннигиляция позитронов: т.е. какие атомы сложных молекул ориентированы внутрь полости. Кроме того представляет интерес выяснение механизма аннигиляции позитронов в молекулярных средах, а также получение информации о структуре этих сред из анализа параметров пози-тронных аннигиляционных спектров. Этим вопросам посвящена настоящая работа.

В настоящее время активно используются три основные разновидности ПАС: 1) регистрация временного распределения аннигиляционных фотонов (ВРАФ). Она состоит в измерении времени жизни каждого имплантированного в образец позитрона (т.е. интервала времени между регистрацией стартового у-кванта, испускаемого радиоактивным ядром, образующимся в момент ß+-распада источника позитронов, и одного из аннигиляционных фотонов с энергией 511 кэВ); 2) измерение углового распределения аннигиля-ционных фотонов (УРАФ). В этом случае регистрируется отклонение от 180 градусов угла разлета фотонов при 2у-аннигиляции; 3) измерение доплеровского уширения аннигиляционной линии (ДУАЛ). Здесь измеряется отличие в энергии аннигиляционных фотонов (при 2у-аннигиля-ции) от 511 кэВ (это особенно эффективно при регистрации по схеме совпадений, в которой триггером является фотон, испускаемый радиоактивным ядром сразу после рождения позитрона).

Метод ВРАФ дает сведения об электронной плотности в месте аннигиляции позитрона, а методы УРАФ и ДУАЛ дают информацию о распределении импульсов электронов среды. Таким образом, методики ВРАФ и УРАФ дополняют друг друга и позволяют экспериментально измерять параметры всех каналов аннигиляции позитронов в среде и тем самым получать развернутую информацию об электронных и дефектных свойствах среды. В совокупности применение этих позитронных методик позволяет извлекать уникальную информацию относительно точечных дефектов, а также радиационно-индуцированных повреждений размером до одного кубического нанометра. Порог чувствительность ПАС в отношении подобных дефектов составляет примерно 1014 дефектов/см3.

Данная работа посвящена исследованию пози-тронных состояний в ряде конденсированных молекулярных сред — вода, спирты и некоторые углеводороды.

Исследования проводились с использованием метода углового распределения аннигиляционных фотонов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Установка по измерению углового распределения аннигиляционных фотонов расположена в экспериментальном зале реактора ИРТ МИФИ. Источником позитронов в установке служит радиоактивный изотоп 64Си, получаемый облучением нейтронами изотопа меди 63Си в ядерном реакторе: 63Си + п —«- 64Си. Близость установки к ядерному реактору позволяет проводить работы с использованием мощных (несколько Кюри) источников позитронов, что существенно расширяет возможности установки, а тем самым и класс исследуемых сред.

Используемые в измерениях источники позитронов представляли собой пластинки размером 2 х 2 х 0.2 см, вырезанные из фольги электролитической меди. Пластинки облучались 1 сут в реакторе ИРТ МИФИ нейтронами до флюенса 1.7 х 1018 н/см2.

После выгрузки из реактора позитронные источники активностью несколько Кюри помещались в облучательную часть установки УРАФ. Угловое разрешение установки составляло 0.4 мрад. Число совпадений в максимуме кривой достигало (10-16) х 103.

Метод углового распределения аннигиляци-онных фотонов [1, 2] основан на регистрации совпадений от двух у-квантов с энергией ~511 КэВ, возникающих в результате аннигиляции электрон-позитронных пар и разлетающихся в противоположные стороны в системе центра масс пары. При аннигиляции электрон-пози-тронной пары выполняются законы сохранения импульса и энергии. Если центр масс пары неподвижен (V = 0), то оба у-кванта разлетаются в противоположных направлениях (угол 9 = 0) с одинаковой энергией к1е = к2е = т0с2 = 0.511 МэВ. Если V Ф 0, то углы между направлениями разлета у-квантов будут отличаться от 180°, а их энергия не будет равна 0.511 МэВ. Таким образом, измерение угла 9 (отклонение угла разлета у-квантов от 180° ) позволяет определить импульс е+-е- пары. Позитроны к моменту аннигиляции термализу-ются [10], поэтому угол разлета у-квантов определяется импульсом электрона. Обработка экспериментальных спектров проводилась в три этапа с использованием стандартной программы АСАКЛИ. На первом этапе проводилась деконво-люция спектров со свободными параметрами поиска на три компоненты, соответствующие ^-Рб, свободным позитронам и о-Рб. Параметры узкого гаусса, обусловленные аннигиляцией ^-Рб, определяются достаточно хорошо. На втором этапе дисперсия гауссовой кривой, описывающей аннигиляцию о-Рб, подбиралась таким образом, чтобы интенсивности ^-Рб и о-Рб соотносились как 1 : 3. Для уменьшения ошибок на третьем эта-

Типичный спектр УРАФ в конденсированных средах. По оси абсцисс отложен угол 9, выражающий отклонение угла разлета аннигиляционных у-квантов от 180° при 2у-аннигиляции, по оси ординат — число регистрируемых совпадений под заданным углом. 1 — Экспериментальный спектр УРАФ, 2, 3, 4 — соответственно параболическая и гауссовы компоненты спектра УРАФ, 4 — полная ширина на полувысоте гауссовых компонент далее обозначена символом Г. Параболическая компонента обусловлена аннигиляцией позитронов на электронах проводимости в проводящих средах.

пе фиксировались параметры интенсивности гауссовых компонент, определенные на втором этапе.

Типичный спектр УРАФ представлен на рисунке.

Экспериментальные результаты представлены в табл.1.

В сложных органических соединениях, содержащих С-Н- и О-Н-группы, экспериментальные спектры УРАФ можно представить суперпозицией ряда гауссовых компонент (как минимум трех), каждая из которых характеризует аннигиляцию из соответствующего позитронного состояния: 1) узкая компонента (Г1) — аннигиляция пара-позитрония, находящегося в полости (пузырьке); 2) промежуточная компонента (Г2) — р/с£-о$-аннигиляция орто-позитрония на электронах С-Н- и О—Н-групп; 3) широкая компо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком