Изомерный сдвиг. 
Масс-спектроскопия

Если вещества, из которых приготовлены источник мессбауэровского излучения и резонансный поглотитель, химически не идентичны, максимум резонансного поглощения, вообще говоря, будет наблюдаться при некоторой скорости, отличной от нуля. Положение центра резонансной линии в мессбауэровском спектре, измеренное в единицах скорости или в энергетических единицах, называется изомерным сдвигом (ИС). Иными словами, ИС равен разности между энергиями г-перехода в источнике и поглотителе. Если в источнике энергия г-перехода меньше (больше), чем в поглотителе, резонанс наблюдается при положительном (отрицательном) значении скорости. Возникновение ИС обусловлено зависимостью энергии кулоновского взаимодействия между ядром и электронами от размеров ядра, точнее, от среднеквадратичного радиуса распределения ядерного заряда.

Общее выражение для ИС имеет следующий вид:

(20).

Или.

(21).

Здесь С и С? — коэффициенты, постоянные для данного элемента,.

— разность средних квадратов радиуса ядерного заряда для возбужденного и основного состояний ядра,.

— разность между электронными плотностями в области ядра для источника и поглотителя, — относительное изменение радиуса ядерного заряда при переходе ядра в возбужденное состояние.

Схема, поясняющая возникновение ИС, показана на рис. 4. На этом рисунке: а — г-переход в точечном ядре, б — г-переход в ядре с конечным радиусом заряда; ?Е_В и ?Е₀ — изменения энергии возбужденного и основного состояний ядра, обусловленные конечным радиусом распределения ядерного заряда.

Заметим, что учет конечных размеров ядерного заряда всегда приводит к уменьшению энергии кулоновского взаимодействия и, следовательно, к повышению энергии системы. В мессбауэровской спектроскопии абсолютные энергии ядерных уровней (как и абсолютные энергии г-перехода) не измеряются — измеряется лишь разность между энергиями перехода в источнике и поглотителе. Именно поэтому в соответствии с формулами (20) и (21) для возникновения ИС необходимо, чтобы были различны не только радиусы заряда для двух состояний ядра, но и электронные плотности в области ядра для источника и поглотителя. Если одно из этих условий не будет выполнено, сдвиг ядерных уровней окажется ненаблюдаемым, т. е. ИС обратится в нуль.

Для данного г-перехода знак ИС определяется знаком разности. Как видно из рис. 2.4, увеличение энергии возбужденного состояния ?Е_В приводит к увеличению энергии г-перехода, тогда как увеличение энергии основного состояния напротив, уменьшает энергию г-перехода. Следовательно, при положительном знаке энергия г-перехода будет больше в том веществе, в котором больше электронная плотность в области ядра (и наоборот).

Из двух сомножителей, входящих в выражения для ИС (20) и (21), в ядерной физике представляет интерес величина. Эта величина может быть определена из результатов измерений ИС для таких веществ, электронные плотности в которых могут быть рассчитаны теоретически или измерены в независимых экспериментах. Примерами таких экспериментов являются измерения влияния химической связи на коэффициенты внутренней конверсии или на периоды полураспада изомерных состояний ядер. Величины содержат информацию о распределении нуклонов в ядре, Относительные изменения радиуса ядра очень малы (типичные значения равны 10^-4ч10^-3); для интерпретации столь малых изменений требуются детальные знания особенностей волновых функций ядерных состояний.

Измерения ИС имеют большое значение в физике твердого тела, химии, биологии, геологии и в других областях благодаря высокой чувствительности электронной плотности в области ядра к особенностям электронной структуры вещества. По величине ИС можно судить об эффективном заряде ионов, заселенности валентных электронных орбиталей атомов, исследовать фазовый состав твердых тел, изучать кинетику фазовых переходов и химических реакций и т. д.