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Lexikon der Physik: Mößbauer-Spektroskopie

Mößbauer-Spektroskopie, Gammastrahlen-Resonanz-Spektroskopie, die Anwendung der Kern(resonanz)fluoreszenz (Kernfluoreszenz) unter Ausnutzung des Mößbauer-Effektes. Der Bindungszustand eines Atoms in einem Festkörper ruft eine kleine Änderung der Energiezustände hervor. Dies verschiebt die Lage der Resonanzlinien in Form der Isomerieverschiebung und der chemischen Verschiebung. Eine weitere Aufspaltung in mehrere Linien kann durch Kristallfelder oder die Elektronenverteilung in der Elektronenhülle geschehen. Von mehr als 40 Elementen sind rückstoßfreie Gammaübergänge bekannt, darunter 57Fe, 119Sn, 127J und 129Xe. Wünschenswerte Eigenschaften von Mößbauer-Isotopen sind eine niedrige Gammaübergangsenergie zwischen dem ersten angeregten Zustand und dem Grundzustand, eine mittlere Lebensdauer des angeregten Zustandes τ ≈ 10-7-10-9 s und eine hohe Kernmasse (ca. > 50), damit der Einfluß des Rückstoßes gering bleibt.

57Fe weist von allen Isotopen die besten Eigenschaften auf und ist glücklicherweise auch in vielen interessanten Verbindungen vorhanden. 57Fe wird durch Elektroneneinfang aus 57Co gebildet (siehe Abb. 1). In diesem Prozeß wird der zweite angeregte Zustand in 57Fe bevölkert, der überwiegend in den 14,4 keV-Zustand übergeht. Der Gammaübergang bei 14,4 keV ist der wichtigste für Mößbauer-Anwendungen. Dagegen ist die Rückstoßeneregie von ER = 1,95 · 10-3 eV sehr klein. Der Übergang zwischen dem angeregten I = 3 / 2 und dem Grundzustand I = 1 / 2 ist ein beinahe reiner magnetischer Dipolübergang (M1) mit einer Halbwertszeit von τ ≈ 100 ns. Die natürliche Linienbreite ist Γnat = 0,45 · 10-8 eV. Die geringe Häufigkeit von 57Fe von 2,19% wird durch die große Resonanzabsorptions-Querschnittsfläche von 257 · 10-20 cm2 kompensiert. Darüberhinaus hat der 14,4 keV-Übergang einen internen Konversionsfaktor von 10, was es erlaubt, Konversionselektronen zu benutzen.

Zur Messung der Resonanzabsorption in Abhängigkeit von der Gammastrahlungsfrequenz werden Strahlungsquelle und Absorber gegeneinander bewegt. Die Geschwindigkeiten liegen in der Größenordnung von einigen mm / s-cm / s. Die Frequenzabstimmung findet unter Ausnutzung des Doppler-Effektes statt.

Das Mößbauer-Spektrum reagiert sensibel auf Änderungen der elektromagnetischen Felder im Bereich der untersuchten Kerne. Mit Hilfe der Mößbauer-Spektroskopie läßt sich das Produkt aus dem magnetischen Moment des Absorberkerns und dem konstanten Magnetfeld am Ort des Kerns bestimmen (magnetische Hyperfeinstruktur). Ist eine der Größen bekannt, so kann die andere ermittelt werden. Auch Kerne mit einer von der Kugelsymmetrie abweichenden Ladungsverteilung (z.B. mit einem Quadrupolmoment) erzeugen ein inhomogenes elektrisches Feld und damit eine Feinstruktur der Linien ebenso wie chemische Bindungen, Kernanregungszustände usw. (siehe Abb. 2).

Die hohe Genauigkeit der Mößbauer-Spektroskopie erlaubt die Neuvermessung von durch die Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Linienverschiebungen im Gravitationsfeld der Erde, die Messung des transversalen Doppler-Effektes infolge der relativistischen Zeitdilatation an thermisch angeregten Atomen, die Lebensdauermessung angeregter Kernzustände, die Strukturbestimmung in Molekülkristallen und die Messung von Gitterschwingungsspektren (Gitterschwingungen) und Debye-Temperaturen.

Schäden, die niederenergetische radioaktive Strahlung in Festkörpern hervorruft, können mit Mößbauer-Spektroskopie untersucht werden. Da der Zerfall, der mit der Mößbauer-Spektroskopie einhergeht, selbst Schäden hervorzurufen vermag, ist das Mößbauer-Isotop in diesen Fällen genau am Ort des Geschehens.

Mit Hilfe der Mößbauer-Spektroskopie können Oberflächenuntersuchungen (Ober- und Grenzflächenphysik) ausgeführt werden, wenn man ein Mößbauer-Absorberisotop in einen dünnen Film oder das Substrat einbaut, indem man sehr kleine Nanopartikel oder die Quellen selbst untersucht.

Ein eher außergewöhnliches Beispiel ist die Anwendung in der Archäologie. Die Mößbauer-Spektroskopie kann dazu benutzt werden, festzustellen, in welchen Formen Eisen in einer Probe vorliegt und in welchen Mengenverhältnissen die verschiedenen Formen auftreten. Töpferarbeiten können auf diese Weise datiert werden, indem etwa auf die Brenntechnik oder den verwendeten Ton geschlossen wird. Die Mößbauer-Spektroskopie wurde ebenfalls dazu benutzt, Farbpigmente zu identifizieren, die auf antiken Vasenmalereien oder in den charakteristischen Farbmischungen großer Meister benutzt wurden.

Große Bedeutung hat die Mößbauer-Spektroskopie bei der experimentellen Analyse der Konformation von Biomakromolekülen mit schweren Metallionen, z.B. der Hämproteine wie Hämoglobin und Myoglobin. So kann man mit Hilfe der Mößbauer-Spektroskopie die Verschiebung des Häm-Ringes bei der Bindung von molekularem Sauerstoff durch Hämoglobin vermessen.



Mößbauer-Spektroskopie 1: Zerfallsschema von 57Co mit dem Grundzustand (I = 1 / 2) und dem Mößbauer-Niveau (I = 3 / 2). Angegeben sind die Energieniveaus und die Lebensdauern. EC: electron capture (Elektroneneinfang).



Mößbauer-Spektroskopie 2: Mögliche Energieniveaus für 57Fe für 4 verschiedene Arten der Hyperfeinstrukturwechselwirkung: (a) Isomerieverschiebung, (b) Quadrupolwechselwirkung, (c) magnetische Wechselwirkung: ΔEG = Grundzustandsaufspaltung, ΔEA = Aufspaltung des angeregten Zustandes, (d) kombinierte Quadrupol- und magnetische Wechselwirkung.

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Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
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Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
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Dipl.-Geophys. Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Mitarbeiter Band IV

Dr. Ulrich Kilian (verantwortlich)
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In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
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Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
Dr. Christian Eurich, Bremen [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Georg Hoffmann, Gif-sur-Yvette, FR [GH1] (A) (29)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Dr. Catherine Journet, Stuttgart [CJ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen, [JK] (A) (04; Essay Numerische Methoden in der Physik)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Dr. Uwe Klemradt, München [UK1] (A) (20, Essay Phasenübergänge und kritische Phänomene)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Jens Kreisel, Grenoble [JK2] (A) (20)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
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Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
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Prof. Dr. Karl von Meyenn, München [KVM] (A) (02)
Dr. Rudi Michalak, Augsburg [RM1] (A) (23)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Andrea Quintel, Stuttgart [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15; Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
Prof. Dr. Siegmar Roth, Stuttgart [SR] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
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Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
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Priv.-Doz. Dr. Jörg Zegenhagen, Stuttgart [JZ3] (A) (21; Essay Oberflächenrekonstruktionen)
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Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Dr. Michael Eckert, München [ME] (A) (02)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
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Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
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Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
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Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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