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Mößbauerspektroskopie auf dem Mars
Franz Habla17.12.2013
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Mößbauerspektroskopie auf dem Mars
• Mößbauerspektroskopie im Allgemeinen• Mößbauerspektroskopie auf dem Mars– MIMOS 2– Aufbau und Funktionsweise MIMOS 2– Aufgenommene Spektren auf dem Mars
• Ausblick für terrestrische Anwendungen
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Mößbauerspektroskopie
• Rückstoßfreie γ-Strahlungsspektroskopie• Wichtigste Elemente 57Fe, 119Sn, 121Sb und 151Eu• Zerfall von radioaktivem Isotop um γ-Strahlen
zu produzieren• Problem des Rückstoßes(Impulserhaltung)• Dopplereffekt und Mößbauereffekt• Hyperfeinwechselwirkungen
http://titan.minpet.unibas.ch/minpet/vorlesungen.cdc/analyt/mossbauer/mofigur07.gif (Stand 12.12.13)
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http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/Fotos/pic/mb2.gif (Stand 9.12.13)
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Aufbau eines Spektrometers
http://www.techniklexikon.net/images/l2699_moessbauer-effekt.gif (Stand 10.12.13)
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Mößbauereffekt• Wegen Impulserhaltung erfahren Quelle und Absorber einen
Rückstoß
• Rückstoß wird so klein wie möglich gehalten wenn Mößbauerelement in Festkörpern bzw. Gittern eingegliedert ist
• Gitterschwingung verhindert Resonanzbedingung
http://chemwiki.ucdavis.edu (9.12.12) 7
Dopplereffekt• Dopplereffekt wird bezweckt durch die Bewegung der Quelle oder des Absorbers• Wenn Absorptionslinie und Emissionslinie übereinander zum liegen kommen
entsteht Absorption.• Absorptionslinie wird von Emissionslinie abgetastet
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Hyperfeine Wechselwirkungen
Hyperfeinwechselwirkungen werden bezweckt durch Wechselwirkungen zwischen der Elektronenhülle und den Atomkernen. Sie sind sowohl in der optischen als auch in der Mößbauerspektroskopie zu finden und werden unterteilt in:
• Isomerieverschiebung• Magnetische Hyperfeinwechselwirkungen• Elektrische Quadrupolaufspaltung
http://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/physikalische_chemie/app_moess.pdf (9.12.13)
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Isomerieverschiebung• Elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Kernladung und
Ladung der Elektronen• Bindungs- und Gesamtenergie hängen von der Größe des
Kerns und dem Zustand ab
• Energie ist proportional zum mittleren Quadrates des Kernradius und der Elektronendichte am Ort des Kerns
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Mag. Hyperfeinwechselwirkungen
• Kern ist ein quantenmechanisches Gebilde mit dem Drehimpuls Iħ
• Angeregte Kernzustände besitzen anderen Kernspin als der Grundzustand
• In äußerem Magnetfeld der Flussdichte B besitzt Spin I genau 2I+1 Einstellungen mit verschiedenen Energien
• Es wird aber kein Magnetfeld erzeugt sondern ein Hyperfeinfeld vom Kern
http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/SVG/Methoden_ac/mb_magnetische_ww.svg (Stand 9.12.13)
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Elektrische Quadrupolaufspaltung
• Elektrisches Quadrupolmoment Q des Kerns zeigt die Abweichung von der Kugelgestalt
• Elektronenladung im Kern sind unterschiedlich verteilt
• Unterschiedliche Orientierungsquantenzahlen, woraus Änderungen der Energien folgt
http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/methoden_I_5.xhtml (Stand 9.12.13)
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• Energieabstand der Linien
• Elektronischer Feldgradient its ein Maß für die Größe der Abweichung der elektrischen Ladungsverteilung um den Mößbauerkern von der kubischen Symmetrie
• -> Aufschlüsse über die Anordnung der Nachbarn des Mößbauer Atoms
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Mößbauerspektroskopie auf dem Mars
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MIMOS 2
• Entwickelt an der Universität Mainz unter Herrn Prof. Goestar Klingelhoefer
• MIniaturisiertes MOSsbauer Spektrometer• Abmessungen 50x50x90 mm• Installiert auf den Mars Rovern „Spirit“ und
„Opportunity“• Landung Januar 2004(7 Monate Flugzeit)
http://marsrover.nasa.gov/mission/images/rover1_detail_500.jpg (Stand 9.12.13)
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http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/mimos.php?ln=d (Stans 9.12.13)
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Rahmenbedingungen
• Geringes Gewicht• Geringer Stromverbrauch• Mechanische Stabilität• Stabilität über großen Temperaturbereich• Automatisierter Ablauf des Messprogramm´s• Redundantes elektronisches System-> Backscattering Methode der
Mößbauerspektroskopie
http://phobos.chemie.uni-mainz.de/Fotos/Publikationen/kleintud9803b.gif (Stand 9.12.13)
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Aufbau MIMOS 2
• Mößbauer Antrieb• Mößbauerquelle• Detektorsystem
http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/Fotos/pics/source1.jpg (Stand 9.12.13)
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Mößbauerquelle
• Effektive Ausbeute durch optimale Geometrie und verwendete Materialien
• Zählrate wird durch kompakten Aufbau erhöht• Abschirmung der direkten Einstrahlung der Quelle auf den
Detektor• Durch Berechnungen ergibt sich folgender Aufbau
http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/mimos.php?ln=d
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Mößbauer Antrieb
• Funktionsweise eines Doppellautsprechers• IST-Wert der Geschwindigkeit wird durch eine
Spule abgegriffen und über einen Regelverstärker auf das Soll Signal rückgekoppelt
http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/mimos.php?ln=d(Stand 15.12.2013)
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Detektorsystem
• Besteht aus Ladungsempfindlichen Vorverstärkern, Linearverstärker, dem Einkanaldiskriminator und Detektor
• Silizium-PIN-Photodioden 9x9mm² und einer von Dicke 500 μm
• Nachweiswahrscheinlichkeit für 14,4 keV Gammaquant 75%
http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/merasoil.jpg (Stand 10.12.13)
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http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/adir.jpg (Stand 10.12.13)
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Spektren auf dem Mars
• Spektrum des Marsbodens an der Landestelle des Rovers „Opportunity“ (Meridiani Planum)
• Grün glänzendes Mineral Olivin
-> Boden besteht zum Teil aus feinkörnigem Basalt, einem Typ vulkanischen Gesteins
http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/outcrop2.jpg (Stand 10.12.13)
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Endeckung von Jarositen
• Rover „Opportunity“• Mineral Jarosit wurden
gefunden in der Ansammlung von Steinen genannt „El Capitan“
• Gelbe Peaks weisen speziell auf Jarosite hin, die Wasser in Form von Hydroxyl in ihrer Struktur besitzen
-> Wassergetrieben Prozesse existieren auf dem Mars
http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/berries.jpg (Stand 10.12.13)
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Entdeckung von Hematit
• Blaue Linie zeigt Daten für eine Stelle Namens „Berry Bowl“, die Gelbe die Stelle „Empty“
• „Berry Bowl“ zeigt eine starke Hematit-Signatur, welches oft in Wasser gebildet wird
http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/gt.jpg (Stand 10.12.13)
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Entdeckung Goethit
• Rover „Spirit“• Nachweis des Minerals
Goethit im Felsen „clovis“ in der Region „Columbia Hills“
• Goethit enthält Wasser in Form von Hydroxyl
-> frühere Wasseraktivität in der Gegend, die Spirit erforscht
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Anwendungsmöglichkeiten für MIMOS 2
• In der Archäologie als Nachweis der chemischen und mineralogischen Charakterisierung
• In der Geologie kann eine Vorselektion der Gesteine stattfinden
• Korrosionsmessungen• Schnelle Qualitätskontrolle von Stahl
Quellen• Naumer, Hans und Heller,Wolfgang(1997).Untersuchungsmethoden
in der Chemie, Einführung in die moderne Analytik. 3. Auflage, Georg Thieme Verlag Stuttgart New York
• http://phobos.chemie.uni-mainz.de/mimos.php(Stand 4.12.13)• http://www.lpi.usra.edu/meetings/LPSC99/pdf/1813.pdf(Stand
5.12.13)• https://archive.org/details/nasa_techdoc_20050170611(Stand
3.12.13)• http://marsrovers.nasa.gov/home/index.html(Stand 4.12.13• http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/
methoden_I_5.xhtml(Stand 8.12.13)• http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/htm/Publikationen/
artikeldoc.htm(Stand 5.12.13)
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