Mößbauerspektroskopie auf dem Mars

1. Mößbauerspektroskopie auf dem Mars Franz Habla 17.12.2013

2. 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

3. 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

4. http://titan.minpet.unibas.ch/minpet/vorlesungen.cdc/analyt/mossbauer/mofigur07.gif (Stand 12.12.13)

5. Aufbau eines Spektrometers http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/Fotos/pic/mb2.gif (Stand 9.12.13)

6. 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://www.techniklexikon.net/images/l2699_moessbauer-effekt.gif (Stand 10.12.13)

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 http://chemwiki.ucdavis.edu (9.12.12)

8. Hyperfeine Wechselwirkungen Isomerieverschiebung Magnetische Hyperfeinwechselwirkungen Elektrische Quadrupolaufspaltung 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:

9. 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 http://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/physikalische_chemie/app_moess.pdf (9.12.13)

10. 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

11. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/SVG/Methoden_ac/mb_magnetische_ww.svg (Stand 9.12.13)

12. 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

13. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/methoden_I_5.xhtml (Stand 9.12.13)

14. 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

15. Mößbauerspektroskopie auf dem Mars

16. MIMOS 2 • Entwickelt an der Universität Mainz unter Herrn Prof. GoestarKlingelhoefer • MIniaturisiertesMOSsbauer Spektrometer • Abmessungen 50x50x90 mm • Installiert auf den Mars Rovern „Spirit“ und „Opportunity“ • Landung Januar 2004(7 Monate Flugzeit)

17. http://marsrover.nasa.gov/mission/images/rover1_detail_500.jpg (Stand 9.12.13)

18. http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/mimos.php?ln=d (Stans 9.12.13)

19. Rahmenbedingungen • Geringes Gewicht • Geringer Stromverbrauch • Mechanische Stabilität • Stabilität über großen Temperaturbereich • Automatisierter Ablauf des Messprogramm´s • Redundantes elektronisches System -> Backscattering Methode der Mößbauerspektroskopie

20. Aufbau MIMOS 2 • Mößbauer Antrieb • Mößbauerquelle • Detektorsystem http://phobos.chemie.uni-mainz.de/Fotos/Publikationen/kleintud9803b.gif (Stand 9.12.13)

21. 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/Fotos/pics/source1.jpg (Stand 9.12.13)

22. 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

23. 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/mimos.php?ln=d(Stand 15.12.2013)

24. http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/merasoil.jpg (Stand 10.12.13)

25. 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/adir.jpg (Stand 10.12.13)

26. Endeckung von Jarositen • Rover „Opportunity“ • Mineral Jarosit wurden gefunden in der Ansammlung von Steinen genannt „ElCapitan“ • 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/outcrop2.jpg (Stand 10.12.13)

27. 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/berries.jpg (Stand 10.12.13)

28. 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 http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/gt.jpg (Stand 10.12.13)

29. 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

30. 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)

31. Ende