ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2009, том 64, № 10, с. 1109-1111
ИСТОРИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
50 ЛЕТ ОТКРЫТИЯ ЭФФЕКТА МЕССБАУЭРА
© 2009 г. В. Г. Семенов
Петербургский государственный университет, химический факультет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский просп., 26 Поступила в редакцию 17.11.2008 г.
Изложена история открытия; освещена его роль как нового аналитического метода - ядерного гамма-резонанса, нашедшего широкое применение в металловедении, химии, биологии, минералогии, а также в химической кинетике и радиационной химии.
Рудольф Людвиг Мёссбауэр
В 1958 г. немецкий физик Рудольф Людвиг Мёссбауэр, работавший над диссертацией в Институте им. М. Планка в Гейдельберге, представил в немецкий физический журнал статью с названием "Ядерная резонансная флуоресценция гамма излучения в 1г191" [1], которая была опубликована в середине того же года. А уже осенью 1958 г. Мёссбауэр выполнил первые эксперименты, в которых для сканирования резонансных линий использовал эффект Доплера. В конце 1958 г. он опубликовал полученные экспериментальные данные [2], заложившие основу нового экспериментального метода -
метода ядерного гамма-резонанса (ЯГР), который часто называют мёссбауэровской спектроскопией. В 1961 г. за открытие и теоретическое обоснование этого явления Мёссбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике (фото).
Метод сразу же превратился в довольно мощный исследовательский инструмент, нашедший применение в различных областях науки и техники - материаловедении, химии, биологии, геологии, минералогии и др. При этом ЯГР-спектроскопия постепенно переходит из разряда экзотических физических методов исследования в разряд обычных аналитиче-
1110
СЕМЕНОВ
ских методов со своей методологией и адекватными объектами анализа. Эффект Мёссбауэра имеет существенно квантовую природу и наблюдается при изучении кристаллических, аморфных и порошковых образцов, содержащих один из 87 изотопов 46 элементов. В силу различных физических и методических трудностей на практике используется не более 7 изотопов (5тРе, п<^п, 12^Ь, 125Те, 129!, 151Еи и 197Au), из которых наибольшее практическое значение имеют изотопы 5^е и п^п.
Так как метод ЯГР, как оказалось, имеет невероятно высокую чувствительность (на 5-6 порядков выше, чем в ядерном магнитном резонансе), можно понять ажиотаж химиков в начале 1960-1970-х гг. Страсти, правда, немного поутихли, когда химики освоились с обстановкой и выяснили ограничения в применении метода. В частности, академик В.И. Гольданский в своей книге [3], посвященной применениям эффекта Мёссбауэра в химии, писал: "Основными объектами приложения эффекта Мёссбауэра в химии, по-видимому, являются эле-ментоорганические соединения и комплексные соединения. В области элементоорганических соединений существенный интерес представляет сопоставление общего характера элементо-углеродных связей, сильно различающегося для переходных металлов и металлов основных групп".
С тех пор прошло 40 лет, и ЯГР-спектроскопия за это время подтвердила свою перспективность использования для самых разных целей и объектов химии. Самым первым химическим применением метода ЯГР было исследование оксидов железа как продуктов его коррозии. Развитие методик на рассеяние с регистрацией вторичных излучений позволило изучать кинетику роста и образования новых фаз на поверхности массивных образцов, подвергнутых коррозии, как в реальных условиях, так и при проведении модельных исследований. Благодаря перечисленным достоинствам, метод ЯГР во всех его методических разновидностях нашел применение в коррозионных исследованиях.
Метод позволил решать многие вопросы строения химических соединений, он нашел свое применение в химической кинетике и радиационной химии. Помимо возможностей прямого получения кинетических кривых полностью в одном опыте (по частоте отсчетов при какой-то фиксированной характерной скорости движения) здесь особенно интересны наблюдения нестабильных промежуточных продуктов. При осуществлении реакций в жидкой фазе возникает необходимость останавливать процесс, замораживая смесь для каждого наблюдения мёссбауэровского спектра. В случае же топохи-мических процессов (особенно для радиационно-то-похимических процессов) возможно непрерывное наблюдение изменения мёссбауэровского спектра в ходе реакции. Следует упомянуть и другие достаточно перспективные применения метода. Прежде
всего данный эффект стал полезным инструментом для решения ряда задач физической химии полимеров, в частности проблемы стабилизации полимеров. Его также используют в методе меченых атомов. В частности, проведено изучение метаболизма железа, включающегося в эритроциты млекопитающих и в митохондрии бактерий. Этот метод оказался полезным при определении структур биологических макромолекул с особенно большой молекулярной массой. Наряду с другими физическими методами исследования строения молекул - ЯМР, ЭПР, спектрофотометрией, и др. - метод ЯГР позволил изучать электронную структуру железа и его ближайшего окружения в биологических системах. Важным направлением биологических исследований является сравнение мёссбауэровских параметров биологического материала нормального организма и организма, подверженного различным патологиям или влиянию внешних воздействий. В связи с формированием вещественного анализа, метод ЯГР нашел здесь свою нишу применительно к твердофазным объектам. Обзору аналитических возможностей метода посвящена работа [4].
Свидетельством возросшего интереса к аналитическим возможностям МС явилась установка мёссбауэровских спектрометров на марсоходах "Spirit" и "Oportunity" опустившиеся на Марс 4 и 25 января 2004 г. Их основной задачей являлись исследования минералогии железа на поверхности Марса, которые ставили своей целью глубже понять эволюцию планеты, а также помочь ответить на вопрос о существовании на Марсе воды. Неожиданностью стало обнаружение с помощью мёссбауэровских спектрометров оливина и пироксена - силикатных минералов, которые обычно содержатся в вулканических породах. Полученные вторым марсоходом - Opportunity - мёссбауэровские спектры грунта в равнинной части Марса (Meridiani Planum) позволили получить данные о химических процессах на Марсе, проходивших с участием воды. Дело в том, что основную часть спектра (~95%) составляет компонента, соответствующая широко распространенному на земле минералу гематиту Fe2O3. Образованию последнего обычно предшествуют процессы гидролитических превращений водорастворимых форм Fe(III), что косвенно свидетельствует о наличии на Марсе воды.
9-10 октября 2008 г. в Техническом университете Мюнхена состоялся симпозиум "50 лет мёссбауэ-ровской спектроскопии - прошлое, настоящее и будущее", на котором выступали ведущие в области МС ученые из разных стран. Помимо воспоминаний об истории открытия эффекта Мёссбауэра, многие доклады были посвящены достижениям МС в различных областях знаний. Отмечалось, что в последние годы, в связи с успехами по возбуждению ядерных резонансных уровней с помощью синхро-тронного излучения, открываются новые возможности для применения ядерного гамма резонанса в
50 ЛЕТ ОТКРЫТИЯ ЭФФЕКТА МЁССБАУЭРА
1111
аналитических целях. Это объясняется тем, что, во-первых, снимаются проблемы с приготовлением мёссбауэровского источника и периодом его полураспада, особенно для короткоживущих источников. Во-вторых, вспомогательное оборудование на станциях по ядерному резонансному рассеянию син-хротронного излучения позволяет проводить измерения в широком интервале температур, давлений, магнитных полей, в условиях глубокого вакуума и т.д., что позволяет получать более полную информацию об анализируемом объекте. Наиболее яркой иллюстрацией практического применения метода явился доклад проф. Г. Клингельхофера, посвященный результатам исследования марсианского грунта. Автор сообщил, что следующая экспедиция на Марс будет также оснащена мёссбауэровским спектрометром. Много интересных докладов было по-
священо исследованию с помощью MC таких перспективных объектов нанотехнологий как ультрадисперсные порошки и многослойные структуры. Было отмечено, что метод ЯГР прочно занял место среди ядерно-физических методов исследования, находящих широкое применение в аналитических целях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mossbauer R.L. // Zeitschrift fur Physik A Hadrons and Nuclei. 1958. B. 151. S. 124.
2. Mossbauer R.L. // Die Naturwissenschaften. 1958. B. 22. S. 539.
3. Химические применения мёссбауэровской спектроскопии. / Под ред. Гольданского В.И. и Гербера Г.) M.: Мир, 1970, 503 с.
4. Семенов В.Г., Москвин Л.Н., Ефимов A.A. // Успехи химии. 2006. Т. 74. C. 354.
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.