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Espectroscopia Mössbauer

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Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) –
Campus Itabira 
 
Daniel Andrada 
Itabira, 13 de Junho de 2013 
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Introdução 
• Ao longo dos últimos 30 anos, o efeito de ressonância 
nuclear, observado pela primeira vez pelo cientista Rudolph 
L. Mössbauer, tem evoluído até ser hoje uma técnica 
espectroscópica perfeitamente estabelecida, chamada 
de Espectroscopia Mössbauer(EM). 
 
• A técnica envolve emissão e absorção ressonante de raios 
gama pelos núcleos de diversos elementos da tabela 
periódica, sendo portanto uma espectroscopia ‘nuclear’. 
 
• A EM fornece uma poderosa ferramenta para o estudo 
estrutural, químico e magnético da matéria condensada. 
Espectroscopia Mössbauer 
Emissão de Raios Gama por núcleos 
atômicos 
• Decaimento Radioativo  Transição nuclear que 
ocorre quando um núcleo está excitado e retorna para 
seu estado fundamental de energia, podendo emitir 
fótons. 
 
• Um núcleo instável pode se tornar estável por meio de 
decaimentos Alfa e/ou Beta, porém o núcleo pode 
continuar em um estado excitado. 
 
• Novo decaimento  emitindo fótons com energia na 
região do Espectro Eletromagnético chamado de Raios 
Gama (γ), após essa emissão o núcleo torna-se estável. 
Espectroscopia Mössbauer 
Histórico 
• Robert W. Wood (1904) 
– Demonstrou experimentalmente a absorção óptica 
(eletrônica); 
 
– usou vapores de sódio sob excitação de chama como 
emissor de radiação e um bulbo contendo vapores com 
átomos de sódio eletronicamente não excitados, na linha 
do feixe óptico gerado; 
 
– Fisicamente, o fóton gerado no decaimento eletrônico do 
sódio, excitado na chama, era absorvido pelo sódio no 
bulbo e promovia a transição eletrônica de excitação 
correspondente. O novo decaimento reemitia o fóton 
óptico fluorescente aleatoriamente direcionado. 
λ 
Estado Fundamental 
Estado Excitado 
λ 
Espectroscopia Mössbauer 
Histórico 
Espectroscopia Mössbauer 
Histórico 
• W. Kuhn (1929) 
– Núcleos atômicos excitados ao decaírem podem emitir fótons na faixa 
de energia dos Raios γ (Decaimento Gama), bem como núcleos em seu 
estado fundamental podem ser excitados recebendo fótons de Raios γ, 
se tais núcleos emissores e receptores forem os mesmos ocorre a 
absorção ressoante, o qual é o princípio físico que provoca o Efeito 
Mössbauer. 
Espectroscopia Mössbauer 
A Absorção Ressonante 
• Para ocorrer emissão e absorção ressonantes 
existem condições muito especiais, 
principalmente durante a emissão em 
energias mais altas como os Raios gama 
emitidos pelo núcleo. 
Espectroscopia Mössbauer 
Histórico 
Espectroscopia Mössbauer 
O efeito Mossbauer 
• Recuo 
• Uma partícula emitindo um fóton sofre um recuo 
para manter a conservação de momento.(Ex.: tiro de 
um canhão com rodas) 
• A energia cinética do recuo da partícula é dada por: 
 
 
 
 
 
 
 
 mc
E=E 2
2
R
2
γ
Espectroscopia Mössbauer 
 
• Conservação de energia: A energia do fóton 
absorvido é menor do que a transição que causa a 
sua emissão, por um valor que é igual a energia de 
recuo; 
 
 
• Em transições nucleares, a alta energia de fótons 
Gama emitidos causam um grande efeito de recuo; 
 
O efeito Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
• Absorção ressonante 
 
• Na absorção por transição atômica, a energia de recuo é desprezível, e o 
fóton pode ser depois reabsorvido pela mesma transição em átomos 
vizinhos; 
 
• Em transições nucleares, o fóton gama emitido não pode ser absorvido 
por átomos vizinhos; 
 
• Para que haja absorção ressonante, as energias de recuo devem ser 
minimizadas aumentando a superposição dos espectros. 
O efeito Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
• Problema: 
– Durante a emissão ou absorção, para a conservação do 
momento há o recuo do núcleo; 
– Raio γ perde energia, equivalente à Ecinética adquirida pelo 
núcleo; 
 
• Rudolf L. Mossbauer (1956) percebeu que: 
– o recuo seria muito menor se os núcleos emissores e 
absorvedores estivessem presos em uma rede cristalina a 
baixas temperaturas. 
– Além disso, é possível variar a energia do Raio γ movendo 
as redes cristalinas ou a fonte de Raios-γ com uma certa 
velocidade . 
Espectroscopia Mössbauer 
 
 Quando o núcleo estão inserido em uma estrutura cristalina, não há energia de 
recuo, pois é absorvida por toda a rede. (Ex.: o tiro de canhão com a base fixa no 
chão) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Para explorar com alta sensibilidade a energia do espectro de emissão gama, o 
absorvedor ou o emissor são movidos, causando o deslocamento controlado da 
fonte ou do absorvedor para correção no comprimento de onda; 
 
 
O efeito Mossbauer 
No recoil
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
• O procedimento mais comum é: expor uma fina amostra sólida contendo núcleos 
potencialmente absorvedores em seu estado fundamental à radiação γ emitida 
por uma outra amostra contendo os mesmos núcleos inicialmente em seus 
estados excitados. 
 
• Um detector de radiação γ é posicionado após a amostra absorvedora e observa-
se ha ressonância ou não. 
 
• O experimento consiste em traçar uma curva da radiação transmitida através 
dessa última amostra em função da velocidade relativa entre as duas amostras. 
Montagem 
Experimental Típica 
Espectroscopia Mössbauer 
• Para a fonte emissora, pode se usar uma amostra contendo núcleos com grande 
probabilidade de decair, por algum outro processo diferente do decaimento γ, em um estado 
excitado que emitirá um fóton γ ao se desexcitar; 
 
• A amostra absorvedora deve ter, além do núcleo em questão no estado 
fundamental,pequena espessura para que a quantidade de radiação transmitida seja 
significativa. 
 
• Para variar a velocidade relativa pode-se fixar uma das amostras sobre um oscilador 
mecânico com aceleração constante, 
 
• Mecanismos onde se mantém a velocidade constante são muito usados quando se quer fazer 
medidas com variação de temperatura. 
 
• Como detector, normalmente usa-se um cintilador (detector da radiação gama) 
 
Montagem 
Experimental Típica 
Espectroscopia Mössbauer 
• Deslocamento isomerico, simbolicamente, δ. 
Surge da interação da densidade eletronica ao redor do nucleo 
absorverdor causado diferenças na condição de ressonancia 
• Desdobramento quadrupolar, Δ. 
Surge das diferenças de simetria da densidade eletronica ao 
redor do nucleo absorvedor, dando informações da simetria da 
ligação, i.e. coordenação. 
• Campo hiperfino magnetico, Hhf. 
Fornece informações do campo magnetico interno de materiais 
Significados fisicos dos parametros 
Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Significados fisicos dos parametros 
Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
• Deslocamento isomerico. 
 
Significados fisicos dos parametros 
Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
• Deslocamento isomerico. 
 
Significados fisicos dos parametros 
Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
• Desdobramento quadrupolar, Δ. 
Significados fisicos dos parametros 
Mossbauer 
Esse parametro em particular, pode-se distinguir diferentes simetrias de 
diferentes arranjos cristalinos analisando-se os desdobramentos, é uma 
medida da distorção da simetria cúbica, da distribuição da densidade 
eletrônica, como do arranjo dos ligantes ao redor do átomo 
Quando um nucleo esta 
localizado num sitio em 
que a distribuição de 
carga eletrica não é 
cúbica, o espectro 
aparece desdobrado. A 
separação das linhas é o 
parametro Δ 
Espectroscopia Mössbauer 
• Desdobramento quadrupolar, Δ. 
Significados fisicos dos parametros 
Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
• Campo hiperfino magnetico, Hhf. 
Significados fisicos dos parametros 
Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Significados fisicos dos parametros 
Mossbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
In January 2004 the USA 
space agency NASA 
landed two rovers on the 
surface of Mars 
Espectroscopia Mössbauer 
Mössbauer spectrometry is well suitedfor detecting small amounts of fcc phase in 
a bcc matrix, since the fcc phase is paramagnetic, and all its intensity appears as 
a single peak near the center of the spectrum. Amounts of fcc phase 
(“austenite”) of 0.5% can be detected in iron alloys and steels, and quantitative 
analysis of the fcc phase fraction is straightforward 
Espectroscopia Mössbauer 
Análise do tipo de mineral em solo 
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
Espectroscopia Mössbauer 
• É uma técnica baseada em fenômenos nucleares, 
não exige que o sistema estudado seja cristalino, 
podem ser materiais nanocristalinos ou até 
amorfos; 
 
• Esta técnica requer pequenas amostras para a 
análise; 
 
• Em alguns casos esta técnica analítica pode ser 
considerada não destrutiva, condição essencial 
para a sua aplicação no estudo de objetos com 
valor museológico., ou seja, totalmente 
recuperável; 
Espectroscopia Mössbauer 
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