9  Mössbauereffekt

9.1  Lernziele

1. Umgang mit radioaktiven Präparaten (Strahlenschutz)
2. Handhabung von Kernstrahlmeßgeräten (insbesondere Szintillationszähler).
3. Verständnis der Wechselwirkung von Kernstrahlung mit Materie (Absorption)
4. Einblick in die Kernphysik der Strahlungsemission.
5. Verständnis des Mössbauereffektes insbesondere der Teilaspekte
   1. natürliche Linienbreite
   2. weitere Linienverbreiterung
   3. Isomerieverschiebung
   4. Quadrupolaufspaltung
   5. magnetische Aufspaltung (Kern-Zeeman-Effekt)

9.2  Lerninhalte

1. Funktion der Szintillationszähler
2. Einsatz des Vielkanalanalysators bei der Impulshöhenanalyse (PHA: Pulse Height Analysis)
3. Spektrum einer ¹³⁷Cs-Quelle
4. Spektrum einer ⁵⁷Co -Quelle
5. Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten von der Energie der gamma-Strahlung
6. Resonanz-Spektrum der ⁵⁷Fe-Mössbauerlinie von ⁵⁷Co an Edelstahl, natürlichem Eisen und Eisensulfat.
7. Einsatz des Vielkanalanalysators im Multizählerbetrieb (MCS: Multi Channel Scanning)

9.3  Aufgaben

9.3.1  Erster Versuchstag

1. Eichung des Impulshöhenanalysators in V
2. Aufnahme des γ-Spektrums von ¹³⁷Cs
   1. in Luft: Identifizierung der Linien und Energieeichung
   2. mit Absorbern aus Plexiglas, Aluminium und Blei
3. Aufnahme des γ-Spektrums von ⁵⁷Co
   1. in Luft: Identifizierung der Linien und Energieeichung
   2. Bestimmung der Totzeit des γ-Spektrometers
   3. mit Absorbern aus Plexiglas, Aluminium und Blei

9.3.2  Zweiter Versuchstag

Mössbauereffekt:

Aufnahme des Spektrums der ⁵⁷Fe-Mössbauerlinie an Absorbern aus

1. Edelstahl
2. Eisen
3. Eisensulfat

9.3.3  Protokoll

Das Protokoll soll weiterhin enthalten:

1. Berechnung der natürlichen Linienbreite von ¹³⁷Ba (662 KeV, t _1∕2 = 2.55min).
2. Berechnung des Absorptionskoeffizienten von Plexiglas, Aluminium und Pb abhängig von der Energie.
3. Skizze und Diskussion des möglichst optimalen experimentellen Aufbaus. Diskussion der möglichen ”geometrischen Meßfehler”.
   Warum nimmt man zur Messung der Mössbauerlinie einen Szintillationskristall von 0,2 mm Dicke?
4. Bestimmung der natürlichen Linienbreite der 14.4 KeV-Linie von ⁵⁷Fe aus den Messungen und Berechnungen der mittleren Lebensdauer des entsprechenden Niveaus ⁵⁷im Fe-Kern.
5. Diskussion der Ergebnisse der Messungen des Mössbauereffektes an Edelstahl, Eisen, Eisensulfat.
6. Eine Fehlerrechnung und ausführliche Diskussion der systematischen Fehlerquellen bei allen Messungen.
7. Angabe des Kugelradius um eine Quelle von ⁵⁷Co von 5 mCi, die den Mindestabstand angibt außerhalb dessen Sie sich während der Experimente aufhalten können ohne die zulässige Dosisleistung zu überschreiten.
   Wie groß sind die Schutzradien, wenn die Gesamtdosis von 0.75 REM bzw. 10 REM (für die Arme und Hände) an zwei Praktikumstagen nicht überschritten werden soll?

9.3.4  Vorbereitung

1. Studium der Bedienungsanleitungen
2. Studium der Strahlenschutzverordnungen
3. Studium der beigelegten Unterlagen
4. Vergegenwärtigung der grundlegenden Tatsachen der Kernphysik
5. Szintillationsspektroskopie
6. Studium der Grundlagen des Mössbauereffektes
7. Machen Sie sich Gedanken über den experimentellen Aufbau
8. Studium der Zusammenhänge von Zahl der gezählten Impulse und statistischem Fehler
9. Berechnung der Sicherheitsabstände um die 5mC-⁵⁷Co-Quelle, um die erlaubten Toleranzdosen an Körper und Händen nicht zu überschreiten.
10. Wann brauchen Sie Totzeitkorrektur und welche Messungen sind dazu nötig?

9.4  Literatur

Fünfer, Neuert

”Zählrohr und Szintillationszähler”Verlag G.Braun, Karlsruhe

Riezler, Kopitzki

”Kernphysikalisches Praktikum Teubner, Stuttgart

Marmier, E.

”Kernphysik I/II” (Vorlesung) Verlag des Vereins der Mathematiker und Physiker an der ETH Zürich

Marmier, E., Sheldon, E.

”Physics of Nuclei and Particles” Volume I Academic Press 1969 (weiterführend)

Heft 14 der Schriftreihe Strahlenschutz. Sicherheitsmaßnahmen bei Umgang mit radioaktiven Stoffen.

Wegener, H.

”Der Mößbauer-Effekt und seine Anwendung in Physik und Chemie”

G. Schatz, A. Weidinger

”Nukleare Festkörperphysik” Teubner, Stuttgart 1992

Frauenfelder, H.

”The Mößbauer Effect”

Wertheim, G.K.

”Mößbauer Effect: Principles and Applications”

Gonser, U.

”Mößbauer Spectroscopy” (2 Bände)

9.5  Hinweise

Zu dieser Versuchsanleitung gehören eine Gerätebeschreibung und die Stahlenschutzverordnung, die Ihnen nur leihweise überlassen werden.

Bitte nach Beendigung des Versuches zurückgeben.