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Á
PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA
Flávio Francisco Ivashita
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL
E DAS PROPRIEDADES HIPERFINAS
DE COMPOSTOS UO
2
-Eu
2
O
3
SINTERIZADOS
Orientador: Prof. Dr. Andrea Paesano Júnior
Maringá - PR
2006
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U
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Á
Á
PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA
Flávio Francisco Ivashita
Maringá - PR
2006
Dissertação apresentada à Universidade
Estadual de Maringá, para a obtenção do
grau de “Mestre em Física”.
Orientador: Prof. Dr. Andrea Paesano Jr.
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“Não compete a uma ciência pura o
movimento de um objeto no espaço,
mas apenas pela experiência, se pode
conhecer que algo seja móvel”.
Immanuel Kant.
RESUMO
Neste trabalho, foram estruturalmente caracterizadas cerâmicas sinterizadas a partir do
sistema UO
2
-Eu
2
O
3
, com o objetivo de verificar a formação e a homogeneidade da solução
sólida (U,Eu)O
2
, formada por reação de estado sólido. As amostras foram preparadas
misturando-se os precursores UO
2
e Eu
2
O
3
nas composições x = 4, 7 e 10% em peso de
európia. Desta mistura, foram feitas pastilhas em forma cilíndrica, submetidas posteriormente,
parcial ou completamente, a um ciclo térmico conduzido até 1750° C, em atmosfera redutora.
Os materiais produzidos foram caracterizados, principalmente, por difratometria de raios-X e
espectroscopia Mössbauer no
151
Eu. As fases foram identificadas a partir dos difratogramas de
raios-X e analisados pelo método de Rietveld. Os resultados mostram que para as amostras
tratadas até 900º C, a európia permanece não-reagida, como adicionalmente revelado pelos
espectros Mössbauer destas amostras. Entretanto, aumentando a temperatura até 1300º C, e
nela mantendo-se por 1h, verifica-se a formação de uma fase óxida mista, com a estrutura da
urânia, e uma fração remanente de urânia precursora. Para a condição mais severa de
tratamento térmico, isto é, após 1h a 1750° C, verifica-se a completa dissolução da európia na
urânia. Neste estágio, o európio passa a ocupar substitucionalmente um sítio de simetria
cúbica, normalmente ocupado pelo urânio na rede da urânia. Verificou-se, também, que o
parâmetro de rede desta solução sólida (U,Eu)O
2
decresce com a concentração inicial de
európia. Medidas preliminares da difusividade térmica nas pastilhas sinterizadas mostram que
esta diminui com a temperatura e com a concentração inicial de európia.
ABSTRACT
In this investigation, UO
2
-Eu
2
O
3
sintered ceramics were structurally characterized to
verify the homogeneity of the (U,Eu)O
2
solid solution reacted in the solid state. The samples
were prepared by mixing the UO
2
and Eu
2
O
3
precursors, in the compositions x = 4, 7 and
10% wt. europia. From this powder mixture, cylindrical shaped pellets were further annealed,
during a thermal cycle, with and without interruption, conducted up to 1750° C, in reducing
atmosphere. The prepared materials were characterized, mainly, by X-ray diffractometry and
151
Eu Mössbauer spectroscopy. The resulting phases were identified from the X-ray
diffractograms, which were analyzed by the Rietveld method. The results showed that, for
samples treated up to 900º C, europia remains un-reacted, as accordingly revealed by the
respective Mössbauer spectra. However, increasing the temperature up to 1300º C revealed,
after 1h of annealing, the formation of a mixed oxide phase, with the urania structure, and the
remanence of a fraction of precursor urania. For the most severe heat treatment condition, i.e.,
after 1h at 1750° C, the europia dissolved completely in urania. At this point, europium
occupies the cubic site of uranium in the urania lattice. It was also verified that the lattice
parameter of the (U,Eu)O
2
solid solution decrease with the initial europia content. Preliminary
measurements showed that the thermal diffusivity in the sintered pellets decreased with
temperature and the initial europia content.
AGRADECIMENTOS
A Simone, por fazer parte da minha vida, sua companhia, carinho e amizade foram
essenciais, te amo muito.
Aos meus pais, aos quais sou eternamente grato pela base educacional que recebi, e
meus irmãos que mesmo estando longe torcem por mim.
Ao Professor Andrea, pela sua orientação, amizade e principalmente pela confiança
depositado em mim mesmo antes de nos conhecermos.
A todos os professores e colegas de trabalho do Laboratório de Espectroscopia
Mössbauer, em especial ao Valdecir, Shalimar, Célia, Paulo, Helder, Reginaldo, Suzana,
Ailton e Klebson, pela ajuda e amizade.
Ao Professor João Batista, pela amizade e auxílio obtido em Porto Alegre-RS.
Ao Laboratório de Materiais Nucleares CTM-ARAMAR-SP, especialmente ao
Luciano, Selma, Gomide e Ana Elis, pelas amostras utilizada neste trabalho.
Aos técnicos e funcionários do Departamento de Física e da Pós-graduação, pela ajuda
quando solicitada.
Enfim, meus agradecimentos a todos que colaboraram de alguma maneira para a
realização deste trabalho.
7
ÍNDICE
1 – INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ----------------------------------------------------------- 09
2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 – Sistema U-Eu-O ------------------------------------------------------------------------- 13
2.2 – Estrutura Cristalina da Európia -------------------------------------------------------- 17
2.3 – Estrutura Cristalina da Urânia --------------------------------------------------------- 19
3 – EFEITO MÖSSBAUER
3.1 – Introdução -------------------------------------------------------------------------------- 20
3.2 – Conceitos Preliminares
3.2.1 – Largura de Linha ------------------------------------------------------------- 22
3.2.2 – Energia de Recuo ------------------------------------------------------------ 24
3.2.3 – Fator-f -------------------------------------------------------------------------- 27
3.2.4 – Efeito Doppler ---------------------------------------------------------------- 29
3.3 – Técnica Experimental ------------------------------------------------------------------ 31
3.4 – O Isótopo
57
Fe --------------------------------------------------------------------------- 33
3.5 – Interações Hiperfinas ------------------------------------------------------------------- 34
3.5.1 – Deslocamento Isomérico ---------------------------------------------------- 35
3.5.2 – Interação Quadrupolar ------------------------------------------------------- 39
3.5.3 – Interação Magnética --------------------------------------------------------- 47
3.5.4 – Interações Hiperfinas Combinadas ---------------------------------------- 51
3.6 – Efeito Mössbauer no Európio
3.6.1 – O Isótopo
151
Eu --------------------------------------------------------------- 54
8
3.6.2 – Deslocamento Isomérico ---------------------------------------------------- 55
3.6.3 – Interação Quadrupolar ------------------------------------------------------- 56
3.6.4 – Interação Magnética --------------------------------------------------------- 59
3.6.5 – Casos Reais ------------------------------------------------------------------- 60
4 – DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL
4.1 – Preparação das Amostras --------------------------------------------------------------- 73
4.2 – Técnicas de Análise
4.2.1 – Difratometria de Raios-X --------------------------------------------------- 75
4.2.2 – Espectroscopia Mössbauer -------------------------------------------------- 76
4.2.3 – Difusividade Térmica –------------------------------------------------------ 77
5 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISES
5.1 – Difratometria de Raios-X
5.1.1 – Identificação das Fases ------------------------------------------------------ 78
5.1.2 – Análise Deconvolutiva dos Picos de Reflexão --------------------------- 87
5.1.3 – Refinamento ------------------------------------------------------------------ 92
5.2 – Espectroscopia Mössbauer ------------------------------------------------------------- 98
6 – CONCLUSÕES ----------------------------------------------------------------------------------- 111
7 – APÊNDICES
A – Densidades das Amostras -------------------------------------------------------------- 112
B – Difusividade Térmica ------------------------------------------------------------------- 114
8 – REFERÊNCIAS ---------------------------------------------------------------------------------- 116
9
1 – INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA
A energia nuclear é hoje uma das fontes mais utilizadas no mundo para a produção de
energia elétrica, juntamente com a energia hidroelétrica e termoelétrica. Com as freqüentes
mudanças climáticas causadas pelo aquecimento global devido à poluição, muitos países
definiram metas para a redução de gás carbônico na atmosfera. Na contramão desta política, a
produção de energia termoelétrica, além de emitir vários gases causadores do efeito estufa, é
responsável também pela destruição da camada de ozônio, chuvas ácidas e poluição
atmosférica. Por outro lado, construir uma usina de energia hidroelétrica produz um grande
impacto ambiental, devido à construção de barreiras, alagando e devastando grandes áreas
naturais ou habitadas. Além disso, as fontes de energia hidrelétrica são geralmente distantes
dos centros consumidores, ocasionando em custo mais elevado para levá-la até o consumidor.
Deste modo, as crescentes dificuldades ambientais para a liberação de termoelétricas e
hidroelétricas e o aumento do custo dessas usinas servem como argumentos para os
defensores da energia nuclear.
Atualmente, há em torno de 440 usinas nucleares em operação e 33 usinas nucleares
em construção no mundo, segundo fonte da Agência Internacional de Energia Atômica
(IAEA). Com apenas duas entre estas, o Brasil é um dos poucos países do mundo a dominar
todo o processo de fabricação do combustível para usinas nucleares.
O Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo (CTM – ARAMAR), vem
desenvolvendo e fabricando combustível nuclear para reatores de potência do tipo PWR
(termo em inglês, para reator a água pressurizada). Esse tipo de reator, que tem sido utilizado
no Brasil, usa como combustível o urânio (do qual o Brasil tem a sexta maior reserva
mundial).
10
Muitas pesquisas nesta área têm permitido modernizar as usinas e o combustível
nuclear de modo a melhorar o aproveitamento da energia liberada pela fissão. Uma das
possibilidades para o aumento do desempenho do combustível nuclear (UO
2
) é o aumento da
taxa de irradiação do mesmo gerando uma produção maior de energia com a mesma
quantidade de combustível. Pode-se aumentar esta taxa de irradiação adicionando ao
combustível certos materiais absorvedores de nêutrons, de modo a controlar o excesso de
reatividade no reator. Estes materiais são chamados “venenos queimáveis”.
O “veneno queimável” adicionado à urânia tem o propósito de diminuir e limitar a
reatividade do combustível no início do processo de reação para, em seguida, manter
constante a reatividade no centro do reator, simplificando o seu controle e permitindo uma
maior duração no ciclo do combustível. O elemento mais comum, utilizado para reatores
PWR é o gadolínio, incorporado à urânia na forma do óxido Gd
2
O
3
(gadolínia).
Apesar da alta temperatura de sínterização (~1700°C) das pastilhas do combustível
nuclear UO
2
-Gd
2
O
3
, a distribuição não homogênea do gadolínio, na forma de precipitados
indesejáveis de Gd
2
O
3
, podem provocar fraturas internas devido à porosidade nas pastilhas,
comprometendo o desempenho do elemento combustível (varetas) e, eventualmente,
resultando em vazamento de material radioativo. Além disso, o efeito auto-blindante dos
átomos de gadolínio em um precipitado de gadolínia impedirá a participação de todos na
reação nuclear projetada. Por isto, a interdifusão da gadolínia na matriz da urânia deve ser
completa no fim do processo de síntese das pastilhas cerâmicas.
O Grupo de Materiais do DFI / UEM já investiga a interdifusão da gadolínia na urânia,
promovida por ciclos térmicos convencionais nos processos de preparação de pastilhas de
UO
2
-Gd
2
O
3
. Para tal, tem utilizado a difratometria de raios-X, a espectroscopia Mössbauer no
155
Gd e técnicas de medidas de transporte térmico [01]. Os excelentes resultados obtidos, em
11
particular os de espectroscopia Mössbauer, estimularam estender o estudo a outros sistemas
do tipo UO
2
-TR
2
O
3
.
Entre os Terras-Raras eficientes como absorvedores de nêutrons, escolheu-se o
európio, que apresenta semelhança química e difusiva ao gadolínio (exceto pela ocorrência de
cátions divalentes), de modo que muitas informações referentes ao európio, podem ser
inferidos também para o gadolínio. Além disso, e muito importante, é possível sondar por
espectroscopia Mössbauer, o európio em temperatura ambiente. Trata-se de uma grande
vantagem prática, visto que para o gadolínio requer medidas em temperatura de hélio liquido.
Assim, neste trabalho, objetivou-se examinar a cinética da interdifusão da európia na
matriz de urânia, escolhendo para amostras momentos diferentes de um ciclo térmico
convencional na preparação do combustível real. Para tal, a espectroscopia Mössbauer
mostrou-se uma técnica eficiente, permitindo, junto com os resultados de difração de raios-X,
analisadas pelo método Rietveld, a obtenção de resultados originais.
É certo que a produção e o desenvolvimento de todo o processo que envolve a
fabricação de combustíveis nucleares é assunto de interesse estratégico para aqueles que
dominam a geração termonuclear de energia. Por isso, grande parte das pesquisas
desenvolvidas nesta área, é realizada de modo que muitos resultados não são publicados.
Conseqüentemente, são poucos os trabalhos reportados na literatura, em particular na
Internet, sobre o sistema U-Eu-O. Alguns destes, serão brevemente comentados no capítulo 2.
Os princípios do efeito Mössbauer, seus conceitos básicos, técnica experimentais e
aplicações, assim como, especificamente a espectroscopia Mössbauer no európio, serão
brevemente apresentados no capítulo 3. Inclui-se, também no capítulo, o resumo de alguns
trabalhos reportados na literatura e considerados importantes para o presente trabalho.
12
No capítulo 4 descreveremos os procedimentos de preparação das pastilhas cerâmicas,
sendo especificadas as concentrações das amostras preparadas, condições de tratamento
térmico, etc. Serão abordadas, também, as principais técnicas de análises empregadas nas
caracterizações que foram a difratometria de raios-X e a espectroscopia Mössbauer.
Os resultados experimentais obtidos e suas análises serão apresentados no capítulo 5.
Por fim, as conclusões obtidas neste trabalho estarão apontadas no capítulo 6.
Nos apêndices, A e B, são apresentados resultados das medidas de densidade e de
difusividade térmica nas pastilhas preparadas. Embora estes resultados não façam parte do
corpo central deste trabalho, foram anexados como registro de caracterizações adicionais
conduzidas ao longo desta dissertação.
13
2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 – Sistema U-Eu-O
Um dos poucos trabalhos referentes ao sistema U-Eu-O encontrado na literatura, é o
de Toshibide Tsuji et al. [02], que estudou a fase fluorita U
0,7
Eu
0,3
O
2±x
e a romboedral
Eu
6
UO
12±x
. Para tal, pós de UO
2
, U
3
O
8
e Eu
2
O
3
, foram misturados nas devidas proporções e
prensados. As pastilhas foram sinterizadas em atmosfera de hélio, a 1473 K por 30 horas.
Após o esfriamento, as pastilhas foram moídas e, em seguida, tratadas a 1673 K num vácuo de
4.10
-1
Pa, por mais 30 horas. As soluções sólidas U
0,7
Eu
0,3
O
2±x
e Eu
6
UO
12±x
foram
confirmadas como fase única por difratometria de raios-X.
Então foram realizadas medidas de espectroscopia Mössbauer no európio para as duas
fases. O espectro Mössbauer para a amostra U
0,7
Eu
0,3
O
2±x
mostrado na figura 2.1, apresentou
um deslocamento isomérico de 0,50 mm/s e a largura de linha obtida no ajuste, para QS
assumido como nulo, foi de 2,05 mm/s. O valor de δ indica que o európio possui valência +3,
e a largura de linha pequena (entre 2,05 ∼ 2,30 mm/s) indica que o európio está em um sítio
cúbico, de uma estrutura bem cristalizada.
14
Figura 2.1 – Espectro Mössbauer da amostra U
0,7
Eu
0,3
O
2±x
medido a 300 K [02].
No espectro Mössbauer obtido para a amostra Eu
6
UO
12+x
, mostrado na figura 2.2, os
valores de δ e Γ são 0,88 mm/s e 2,49 mm/s respectivamente. O deslocamento isomérico
novamente indica que o európio apresenta valência +3, mas a largura de linha é levemente
maior do que a da fase fluorita, o que, segundo o autor, indica que há uma interação
quadrupolar não resolvida.
Figura 2.2 – Espectro Mössbauer da amostra Eu
6
UO
12±x
medido a 300 K [02].
15
L. N. Grossman et al. [03] combinou UO
2
e Eu
2
O
3
por dois métodos de preparação.
Amostras contendo menos que 20% molar de EuO
1,5
foram sinterizadas em atmosfera de
hidrogênio, e outras, acima deste percentual, foram prensadas a quente em vácuo.
Em todas as amostras foram feitas medidas de análise térmica e difratometria de raios-
X conforme apresentado na tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Resumo dos dados experimental [03].
Segundo o autor, a estrutura de fluorita do UO
2
suporta um grande desvio da
composição estequiométrica, tanto em deficiência de anions quanto na de cátions. A hiper-
estequiometria (UO
2+x
) é produzida em temperaturas acima de 300 ºC, em ambiente oxidante.
A hipo-estequiometria (UO
2-x
) é mais difícil de produzir e requer temperaturas acima de 1600
ºC, em atmosfera com baixa pressão de oxigênio.
16
O sesquióxido Eu
2
O
3
cristaliza em estrutura do tipo C (cúbica) abaixo de 1100 ºC, e
acima desta temperatura cristaliza em estrutura do tipo B (monoclínica).
A partir dos dados obtidos na tabela 2.1, foi feito um gráfico do parâmetro de rede
versus composição (figura 2.3). O comportamento linear obtido tem sido observado em outros
sistemas onde o cátion tem apenas um estado de valência (Eu
+3
). A diminuição do parâmetro
de rede se deve ao fato de que a sua substituição pelo U
+4
gera vacâncias de ânions como
forma de neutralizar as cargas, e também está de acordo com a lei de Vegard, como esperado,
no caso de haver substituição aleatória de Urânio por Európio.
Figura 2.3 – Parâmetro de rede da solução sólida (UO
2
-EuO
1,5
) em função da concentração molar inicial de
EuO
1,5
[03].
Neste trabalho, Grossman também propõe um diagrama de fase de equilíbrio para o
sistema UO
2
-EuO
1,5
, como mostrado na figura 2.4.
17
Figura 2.4 – Diagrama de fases de equilíbrio para o sistema UO
2
-EuO
1,5
[03].
A concentração do ponto eutético não é determinada com precisão, mas aponta estar
entre 81,0 % mol de EuO
1,5
.
2.2 – Estrutura Cristalina da Európia
Os sesquióxidos de Terras-Raras podem ser encontrados na forma cristalina cúbica,
monoclínica e hexagonal.
Na estrutura cristalina cúbica, os cátions ocupam dois sítios diferentes, com grupo
pontual de simetria C
2
e S
6
ou C
3i
. Para o sítio S
6
, as seis distâncias Eu-O são iguais.
Diferentemente, para o sítio C
2
, podem-se subdividir as seis distâncias em três grupos
(2+2+2), onde cada grupo possui duas distâncias iguais.
18
Sítio (d)
Sítio (b)
A razão entre os sítios é de 1:3 para o sítio S
6
com relação ao sítio C
2
. Ou seja, existem
8 átomos de európio no sítio S
6
e 24 átomos no sítio C
2
. A distância média Eu-O é,
aproximadamente, a mesma para os sítios S
6
e C
2
.
Na estrutura cristalina monoclínica, os cátions ocupam três sítios diferentes. Todos
possuem grupo de simetria do tipo C
s
, com sete distâncias Eu-O, onde seis destas são iguais.
O que diferencia os três sítios são as distâncias Eu-O, para cada sítio.
Para a estrutura cristalina hexagonal os cátions ocupam apenas um sítio com grupo de
simetria do tipo C
3ν
, com sete distâncias Eu-O, agrupadas por 3+1+3 [04].
A estrutura da célula unitária da európia cúbica de grupo espacial Ia3 (utilizada em
nossas amostras), e parâmetro de rede de 10,8683Å [05] está representada na figura 2.4, com
os dois sítios catiônicos presentes nesta estrutura desenhados a direita.
Figura 2.4 – Representação estrutural da célula unitária da európia.
19
Sítio (a)
2.3 – Estrutura Cristalina da Urânia
A estrutura cristalina da urânia (UO
2
), também conhecido como estrutura da fluorita
(grupo espacial Fm3m), e parâmetro de rede de 5,4682Å é cúbica de face centrada [05].
Todos os cátions ocupam sítios cúbicos, deste modo, cada urânio é rodeado por 8 átomos de
oxigênios conforme mostra a figura 2.5.
Esta estrutura confere a urânia as seguintes propriedades [06]:
• Ponto de fusão 2870ºC
• Resistividade elétrica 10
-4
Ω/cm
• Micro-dureza 600 kg/mm
2
• Condutividade Térmica 0,018 cal/cm
• Coeficiente de expansão térmica 11,2.10
-6
/ºC
Figura 2.5 – Representação estrutural da célula unitária da urânia.
20
3 – EFEITO MÖSSBAUER
3.1 – Introdução
A espectroscopia Mössbauer é uma poderosa ferramenta para o estudo estrutural,
químico e magnético da matéria condensada. Esta técnica é utilizada em muitas áreas da
ciência, tais como a física, a química, a biologia, a geologia, metalurgia, etc.
Em um decaimento radioativo após a emissão de partículas α ou β, o núcleo transmuta
para um outro elemento ou isótopo. Este núcleo inicialmente fica em um estado de maior
energia instável, e ao decair para um estado de menor energia estável, emite uma radiação-γ,
cuja energia corresponde à diferença entre os níveis de energia do estado excitado e do estado
fundamental.
Se este raio-γ atingir outro núcleo idêntico ao emissor, no estado fundamental, ele
poderá ser absorvido. A absorção ocorrerá somente se a energia necessária para excitar o
núcleo, corresponder exatamente a mesma do raio-γ, temos então, uma absorção nuclear
ressonante.
Figura 3.1 – Representação dos níveis de energia e do efeito de absorção nuclear ressonante.
21
Experimentalmente, esta absorção se dará em condições muito particulares. É
necessário levar em conta o Principio da Incerteza de Heisenberg e principalmente a
dependência do átomo emissor e do átomo absorvedor, em relação ao estado de ligação com
os átomos vizinhos, sendo estes responsáveis por produzirem variações nos níveis de energia
do núcleo estudado. Além disso, os átomos emissores e absorvedores sob certas condições
químicas e físicas, após a emissão do raio-γ, recua devido à conservação do momento, isto
ocasiona uma diminuição na energia do fóton-γ e conseqüentemente não ocorrerá absorção
[07-11].
Por volta de 1957, o físico alemão Rudolf Ludwig Mössbauer obteve os primeiros
resultados experimentais satisfatórios. Ele apresentou um modelo teórico adequado, no qual
explicava a necessidade de realizar experiências em átomos emissores e átomos absorvedores
incorporados em um sólido, e/ou a baixas temperaturas, para diminuir o recuo e aumentar a
absorção ressonante. Por este trabalho recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1961, e este
efeito, assim como sua técnica, ficou conhecida como Efeito Mössbauer [12].
Figura 3.2 - Rudolf Ludwig Mössbauer [12].
22
3.2 – Conceitos Preliminares
3.2.1 – Largura de Linha
Em um decaimento radioativo, de acordo com o Princípio da Incerteza de Heisenberg,
tem-se uma imprecisão quanto à energia do estado excitado, e também em relação ao tempo
de decaimento da energia do estado excitado nuclear, obedecendo:
h
≥
∆
∆
tE
onde:
π
2
h
=h .
Desta forma, numa transição nuclear de um estado excitado, para o estado
fundamental, ou vice-versa, a energia desta transição pode assumir qualquer valor dentro do
intervalo ∆
E
. Assim, obtém-se uma linha espectral de probabilidade relativa (
I
) para a
emissão e para absorção do fóton-γ, que é descrita pela lei de Breit-Wigner:
( )
2
2
0
2
2
1
)(
Γ
+−
Γ
=
EE
EI
π
onde Γ é a largura natural da linha (largura a meia altura da linha espectral de probabilidade) e
E
0
é a energia de transição do estado excitado para o estado fundamental.
23
Figura 3.3 – Representação gráfica da linha espectral de probabilidade da energia do fóton-γ.
Devido ao tempo de decaimento relacionado com a vida média (
τ
), e a incerteza
quanto a energia, representado graficamente como uma largura de linha a meia altura “Γ”,
pode-se escrever o Principio de Incerteza:
h
=
Γ
τ
Além da largura natural da linha, há também a largura de Doppler. Esta é causada pela
vibração térmica dos núcleos emissores e/ou absorvedores, que em qualquer temperatura,
oscilam em relação a uma posição de equilíbrio, provocando uma pequena alteração na
energia, dada por:
d
EEE +=
0
onde:
2
2
1
MvE
d
=
Figura 3.4 – Núcleo oscilando devido à energia térmica.
24
Esta alteração na energia, resulta em uma linha espectral de probabilidade relativa (I)
com uma largura de linha total (
Γ
tot
), que é a largura natural de linha juntamente com a largura
de Doppler.
Figura 3.5 – Representação gráfica da linha espectral de probabilidade da energia do fóton-γ, com largura de
linha total.
3.2.2 – Energia de Recuo
Quando um núcleo livre e em repouso emite um fóton de energia, sofre um recuo
devido à conservação do momento linear.
Figura 3.6 – Núcleo livre após emitir um fóton γ.
Conseqüentemente, ocorre um decréscimo na energia do fóton-γ emitido, observa-se
então:
25
recg
EEE −=
0
onde E
g
é a energia do fóton-γ emitido, E
0
é a variação de energia do estado excitado para o
estado fundamental e E
rec
é a energia de recuo.
Deste modo não ocorre absorção, uma vez que a energia do fóton-γ emitido é menor
do que a energia necessária E
0
.
Figura 3.7 – Representação gráfica da linha espectral de probabilidade da energia do fóton-γ com recuo.
A energia de recuo pode ser escrita da seguinte maneira:
M
p
E
rec
2
2
=
onde M é a massa e p é o momento linear do átomo.
Ao emitir o fóton-
γ, a conservação do momento deve ser obedecida, então:
c
E
pp
g
g
−=−=
26
onde
p
g
é o momento linear do fóton-γ, e c é a velocidade da luz.
Pode-se deste modo, expressar a energia de recuo em função da energia do fóton:
2
2
2
Mc
E
E
g
rec
=
A energia “E
rec
” ocorre na emissão e também durante a absorção, tornando mais difícil
o processo de absorção ressonante. No entanto, dependendo da largura natural da linha, a
absorção de raios-γ pode ocorrer para a energia de transição (E
0
) e valores que diferem
ligeiramente desta energia.
Figura 3.8 - Representação gráfica da linha espectral de emissão e de absorção da energia do fóton-γ.
27
3.2.3 – Fator-f
Para diminuir o recuo, os núcleos emissores e/ou absorvedores devem estar ligados em
uma rede cristalina. Se a energia de recuo (E
rec
) for menor do que a energia de fônon (energia
necessária para a vibração no sólido), assim, este núcleo comporta-se como estando
rigidamente ligado a rede, deste modo, a energia de recuo é praticamente nula, uma vez que a
massa “M” passa a ser a massa de todo o sólido.
Figura 3.9 – Núcleo ligado em uma rede cristalina após emitir um fóton γ.
A energia de vibração (E
vib
), para os átomos nos sólidos, se dá por múltiplos inteiros
da energia do fônon:
Evib
nE
ω
h
=
onde n = 0, 1, 2, 3,..., e ω
E
é a freqüência de Einstein.
Portanto, há uma certa probabilidade de não ocorrer vibração na rede (zero fônon),
durante o processo de emissão e/ou absorção dos raios-
γ.
Esta probabilidade de transições nucleares que ocorrem sem recuo, chama-se “Fator-
f”.
28
Utilizando o modelo de Einstein, que assume o sólido como sendo um grande conjunto
de osciladores harmônicos, onde cada oscilador vibra com uma freqüência fixa
ω
E
, obtém-se:
−=
EB
rec
k
E
f
θ
exp
onde k
B
é a constante de Boltzmann, e θ
E
(Temperatura de Einstein) é a temperatura
característica da rede, dada por:
B
E
E
k
ω
θ
h
=
Entretanto, no modelo de Debye, cada oscilador pode ter uma vibração, que varia de
zero até um valor máximo ω
D
. A temperatura característica da rede é chamada de
Temperatura de Debye (θ
D
), e é definida como:
B
D
D
k
ω
θ
h
=
Neste caso, o Fator-f é dado por:
−
+−=
∫
T
x
DDB
rec
D
dx
e
xT
k
E
f
θ
θθ
0
2
1
4
1
6
exp
onde T é a temperatura, e x é a variável de integração.
Para baixas temperaturas temos T<<
θ
D
, então:
29
+−=
2
2
2
2
3
exp T
k
E
f
D
DB
rec
θ
π
θ
Desta expressão pode-se concluir que o Fator-f aumenta com:
O decréscimo da energia de recuo (E
rec
);
O decréscimo da temperatura (T);
O aumento da Temperatura de Debye (
θ
D
).
O Fator-f é também chamado de “Fator de Debye-Waller” ou “Fator de Lamb-
Mössbauer”.
Quanto maior for o Fator-f, maior será a probabilidade de ocorrer emissão e/ou
absorção sem recuo, e conseqüentemente maior probabilidade de absorção ressonante.
3.2.4 – Efeito Doppler
Quando o núcleo emissor e absorvedor estão ligados em redes cristalinas diferentes,
estas interagem em cada núcleo, alterando diferentemente os níveis de energia nucleares, e
conseqüentemente os centróides das linhas de emissão. Assim, mesmo na ausência de recuo e
com um Fator-f elevado, pode não ocorrer o efeito Mössbauer.
Para compensar esta diferença na energia do fóton-γ, o emissor (fonte) é colocado em
movimento oscilatório longitudinal relativo ao absorvedor. Devido ao efeito Doppler, a
energia da radiação-
γ é modulada de acordo com a velocidade da fonte.
A variação de energia causada pelo efeito Doppler é dada por:
30
=
c
V
EVE
g
)(
onde V é a velocidade instantânea da fonte e c é a velocidade da luz.
Figura 3.10 – Núcleo emissor na rede cristalina em movimento oscilatório.
Substituindo na equação que descreve a linha espectral de probabilidade relativa (I)
para a emissão, tem-se:
2
2
2
1
2
1
),(
Γ
+
+−
Γ
=
c
V
EE
VEI
g
π
A linha espectral de probabilidade relativa para a emissão, passa a ser função da
velocidade da fonte. Portanto, existe uma velocidade para a fonte, que compensará a diferença
de energia. Na figura abaixo, isso se dá, quando a linha espectral de probabilidade para a
emissão coincide com a linha espectral de probabilidade da absorção.
31
Figura 3.11 - Representação gráfica da linha espectral de emissão modulada pelo efeito Doppler.
3.3 – Técnica Experimental
O equipamento experimental inclui principalmente uma fonte (emissor) e um
absorvedor (amostra). A fonte radioativa é montada em um transdutor que é responsável pelo
movimento repetitivo de “vai e vem”, variando a velocidade de zero a um valor máximo na
direção do absorvedor. Por meio da velocidade da fonte, controlada por um dispositivo
eletrônico, torna-se conhecido o acréscimo na energia da radiação-γ, e conseqüentemente a
energia do fóton-γ que foi necessário para a ressonância.
Figura 3.12 – Disposição do equipamento experimental.
32
A amostra é colocada entre a fonte e um detector, assim, quando o fóton não é
absorvido, ele atravessa a amostra e atinge o detector. Porém, quando o fóton é absorvido
ressonantemente, é re-emitido em qualquer direção, sendo assim, a taxa de contagem dos
fótons-γ detectados, é menor do que quando a amostra não absorve a radiação.
A disposição linear: fonte – amostra – detector, é conhecida como “Geometria de
Transmissão”, sendo a mais utilizada na obtenção dos espectros Mössbauer.
O espectro de Mössbauer é uma curva da contagem transmitida versus à velocidade,
que está relacionada com a variação na energia do raio-γ. Este espectro é também conhecido
como Espectro de Transmissão, e caracterizado por vales de ressonância.
Figura 3.13 – Espectro Mössbauer.
O efeito Mössbauer tem sido detectado em um total de 108 transições de raios-
γ
, em
88 isótopos de 46 elementos diferentes, embora na teoria, o efeito possa ocorrer em todos os
elementos, cujo núcleo, inicialmente em um estado excitado, emite radiação-γ ao transitar
para um estado de menor energia. [13]
33
H
nº > 1000 nº < 100
He
Li Be
100 < nº < 1000 não encontrado
B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Figura 3.14 – Tabela periódica dos elementos [13].
3.4 – O Isótopo
57
Fe
O isótopo com a absorção ressonante a zero fônon mais fácil é o
57
Fe, também por
isso, a maioria dos trabalhos de espectroscopia Mössbauer, relatados na literatura, é para o
Ferro. Por esta razão, usaremos este isótopo como base para uma melhor compreensão sobre o
efeito Mössbauer.
O “Pai Radioativo”
57
Co (tempo de meia vida de 270 dias) transmuta para o
57
Fe em
um estado excitado de I = 5/2, em seguida, o decaimento ocorre de duas maneiras: cerca de
10% decai para o estado fundamental, e 90% decai para um estado excitado com energia de
14,4 keV com I =3/2. Este por sua vez decai para o estado fundamental emitindo a radiação-γ,
usado na espectroscopia Mössbauer de sistemas com Ferro.
Número de publicações
34
Figura 3.15 – Representação dos níveis de energia nuclear e seus possíveis decaimento.
Valores característicos para o
57
Fe [11]:
E
0
∼ 14,4 keV;
E
rec
∼ 1,96 meV;
Fator f (para 300 K) ∼ 0,71;
Γ
∼ 0,194 mm/s.
3.5 – Interações Hiperfinas
As transições de energia do estado excitado para o estado fundamental são de caráter
nuclear. Sendo o núcleo carregado positivamente, e possuindo momento magnético de spin,
então, as interações com o núcleo podem ocorrer devido a:
Cargas elétricas das camadas eletrônicas e/ou dos íons vizinho na rede;
Momentos magnéticos de spin das camadas eletrônicas e/ou dos íons vizinhos na rede;
Presença de um campo magnético e/ou elétrico externo.
35
Estas interações que envolvem multipolos elétricos e/ou magnéticos, alterando os
níveis de energia são denominadas de Interações Hiperfinas [14, 15].
As principais Interações Hiperfinas são:
Deslocamento Isomérico;
Interação Quadrupolar;
Interação Magnética.
3.5.1 – Deslocamento Isomérico
A interação Coulombiana que ocorre entre o núcleo e a densidade de carga dos
elétrons, próximos da região nuclear, altera de maneira diferente os níveis de energia nuclear
do estado excitado e do estado fundamental.
Núcleos emissores e absorvedores, localizados em sistemas distinto, apresentam uma
pequena diferença (
δ
) na altercação da separação dos níveis de energia do emissor e do
absorvedor, ou seja:
emissabs
εεδ
∆−∆=
Esta equação é mais bem interpretada com a figura 3.16.
Figura 3.16 – Representação dos níveis de energia nuclear e suas alterações.
36
A variação nos níveis de energia alterada (em situação não relativística), é dada por:
2
2
2
)0(
3
2
rZe
ψπε
=
onde: Z é o nº atômico; e é a carga eletrônica; |
ψ
(0)|
2
é a densidade de carga eletrônica no
núcleo e r a variável que “localiza” a carga.
Esta equação foi obtida por meio da expansão em série de Taylor, do potencial
elétrico, dado por:
...
2
1
)(
3
1,
0
2
0
3
1
0
+
∂∂
∂
+
∂
∂
+=
∑∑
==
ji
ji
ji
i
i
i
xx
xx
V
x
x
V
VrV
Como a energia é dada por:
∫
= dvrVrE )()(
ρ
, tem-se:
...)(
2
1
)()(
3
1,
0
2
0
3
1
0
+
∂∂
∂
+
∂
∂
+=
∑
∫∫
∑
∫
==
ji
ji
ji
i
i
i
dvxxr
xx
V
dvxr
x
V
dvrVE
ρρρ
O primeiro termo da equação é idêntico tanto para o emissor, quanto para o absorvedor
( ZeVdvrV
00
)( =
∫
ρ
, onde Ze é a carga do núcleo), conseqüentemente, pode-se desconsiderar
este termo, já que não vai ocasionar diferença na variação de energia.
O núcleo não apresenta momento de dipolo ( 0)( ==
∫
dvxrp
i
ρ
), portanto:
..)(
2
1
3
1,
0
2
+
∂∂
∂
=
∑
∫
=
ji
ji
ji
dvxxr
xx
V
E
ρ
37
Note que,
ji
xx
V
∂∂
∂
2
é o elemento de um tensor, que em um sistema de coordenada
adequado, pode ser especificado apenas em três componentes (V
xx
, V
yy
e V
zz
), ou seja:
=
zz
yy
xx
V
V
V
V
00
00
00
ˆ
Deste modo, tem-se:
2
2
3
2
2
2
2
2
1
2
3
1
)0(4)0(4
ψππρ
e
x
V
x
V
x
V
V
i
ii
==
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
∑
=
Utilizando-se das seguintes identidades:
3
3
22
22
rr
xx
ii
−+= , onde:
2222
kji
xxxr ++=
e
Zerdvrr
22
)( =
∫
ρ
Obtém-se:
...
3
)(
2
1
)0(
3
2
3
1
2
22
2
2
+
−+=
∑
∫
=
i
iii
dv
r
xrVrZeE
ρψπ
38
Finalmente, o primeiro termo desta equação, refere-se à equação da variação no nível
de energia dado anteriormente, Os termos seguintes da equação são as variações nos níveis de
energia causados pela interação quadrupolar e multipolares.
Por conseguinte, a ressonância só ocorrerá com uma pequena variação na energia do
fóton-γ, que se dá variando a velocidade da fonte.
Graficamente, isto representa um deslocamento da linha do espectro de transmissão
observado, na direção do eixo de velocidade. Este deslocamento é denominado deslocamento
isomérico (
δ
).
Figura 3.17 – Espectro Mössbauer com Deslocamento Isomérico.
Supondo um núcleo esfericamente simétrico e com distribuição de carga homogênea,
pode-se deduzir que:
(
)
22
22
)0()0(
5
4
ea
R
R
RZe
ψψπδ
−
∆
=
onde, R é o raio do núcleo e
∆
R = R
1
-R
0
, sendo que o índice 1 e 0 referem-se ao nível de
energia do núcleo.
39
O deslocamento isomérico está diretamente relacionado com os elétrons na região
nuclear, em especial com os elétrons da camada “s” que apresenta maior densidade eletrônica
próxima ao núcleo. Esta densidade eletrônica está interligada com o estado de valência e com
as ligações químicas, portanto, por meio do deslocamento isomérico, pode-se aferir os estados
de valência dos íons estudados, assim como o seu estado de ligação.
Por exemplo: para o Ferro, temos principalmente dois estados de valência (+2 e +3),
cujas configurações eletrônicas são 3d
6
e 3d
5
. Os elétrons da camada 3d produzem um efeito
de blindagem nos elétrons da camada 3s, deste modo, para o Ferro com valência +2 o efeito
de blindagem é maior. Como menos elétrons da camada 3s interferem no núcleo, a diferença
de energia entre o emissor e o absorvedor aumenta e, conseqüentemente o deslocamento
isomérico é maior.
3.5.2 – Interação Quadrupolar
Outra característica importante da espectroscopia Mössbauer é a interação elétrica
quadrupolar. A existência de núcleos com um número quântico de spin (I) maior do que ½
produz uma distribuição de carga não esférica, desta forma, o núcleo apresenta um momento
de quadrupolo elétrico (Q), dado por:
(
)
∫
−= dvrr
e
Q 1cos3)(
1
22
θρ
onde:
ρ
é a densidade de carga em um elemento de volume (dv) com distância r do núcleo e
ângulo
θ
em relação a um eixo preferencial.
40
O sinal de “Q” depende do grau de deformação, um momento de quadrupolo negativo
indica que o núcleo Mössbauer (núcleo emissor e/ou absorvedor do fóton-γ) é achatado nos
pólos (achatado ao longo do eixo de spin), por outro lado, um momento de quadrupolo com
valor positivo, indica que o núcleo é alongado nos pólos.
Figura 3.18 – Núcleo Mössbauer, achatado e alongado nos pólos.
Quando a distribuição eletrônica dos primeiros vizinhos do núcleo Mössbauer, não
oferecer simetria menor do que a cúbica, ou ainda, se as camadas eletrônicas do átomo
Mössbauer (átomo cujo núcleo realiza efeito Mössbauer), apresentar momento angular
diferente de zero, então, há uma deformação espacial das cargas elétricas.
A presença de uma distribuição de cargas ou arranjo eletrônico assimétrico, produz um
campo elétrico também assimétrico, gerando na região nuclear um Gradiente de Campo
Elétrico (GCE).
O gradiente de campo elétrico nuclear é definido como um tensor cujos elementos são:
ji
ij
xx
V
V
∂∂
∂
=
2
onde,
V
é o potencial eletrostático, e
x
i
, x
j
=
x
,
y
e
z
(o eixo z é considerado o eixo principal de
simetria do GCE).
De modo que, a equação de Laplace (
∇
2
V
= 0) seja satisfeita, tem-se:
41
V
xx
+
V
yy
+
V
zz
=
0
Logo, apenas dois parâmetros independentes são necessários para especificar o GCE
completamente, são eles:
V
zz
e
η
, onde
η
é um parâmetro de assimetria em torno do eixo z, e é
dado por:
zz
yyxx
V
VV
−
=
η
Convencionou-se que:
|V
zz
| ≥ |V
yy
| ≥ |V
xx
|
, portanto, 0
≤
η
≤
1.
O GCE é gerado basicamente por:
a)
Contribuições da rede causada pelos íons vizinhos, cuja simetria deve ser inferior a
cúbica;
b)
Contribuições da camada de valência do átomo Mössbauer, devido a sua distribuição
anisotrópica;
c)
Contribuições das camadas eletrônicas internas, que são polarizadas pelos íons
vizinhos e/ou elétrons da camada de valência do próprio átomo.
Figura 3.19 – Representação das principais causas de formação do GCE.
42
O cálculo dessas contribuições em um cristal real é muito complexo, do ponto de vista
prático. Resolve-se este problema inserindo dois parâmetros:
γ
∞
(Fator Antiblindante de
Sternheimer) e
σ
(Fator Blindante). Em função destes parâmetros, a contribuição para o GCE
é dada por:
(
)
(
)
eletr
zz
ions
zzzz
VVV
σγ
−+−=
∞
11
onde,
ions
zz
V
é o gradiente de campo elétrico nuclear gerado pelos íons vizinhos, e
eletr
zz
V
é o
GCE gerado pelos elétrons de valência.
Considerando o parâmetro de assimetria, tem-se:
(
)
(
)
(
)
eletr
zz
eletrions
zz
ions
yyxx
VVVV
ησηγ
−+−=−
∞
11
A variação de energia causada pela interação quadrupolar é dada por:
∑
=
ji
ijij
VQE
,
6
1
Observa-se que, para existir uma variação na energia, é necessário um momento de
quadrupolo nuclear, juntamente com um gradiente de campo elétrico.
Este gradiente de campo elétrico interage com o momento de quadrupolo elétrico
nuclear, e esta interação faz com que os níveis de energia nuclear com
I
> ½, sejam
“desdobrados” (degenerados) em outros subniveis de energia.
Pode-se escrever a equação acima, da seguinte maneira:
43
(
)
∫
∑
−= dvrxxrVE
ijji
ji
ij
δρ
2
,
3)(
6
1
Note que está equação é idêntica ao segundo termo da equação, calculada pela
expansão em série de Taylor, para a variação nos níveis de energia, visto anteriormente.
Para obter uma representação da equação do Hamiltoniano, em termos dos operadores
de spin, faz-se uso de um teorema da mecânica quântica, conhecido como “Teorema de
Wigner-Eckart”, deste modo equacionamos:
(
)
222
ˆˆˆ
)12(2
ˆ
yyyxxxzzz
IVIVIV
II
eQ
H ++
−
=
onde,
I
é o spin nuclear.
Utilizando-se dos recursos dos operadores
I
+
,
I
-
e do parâmetro
η
, tem-se:
(
)
+++−
−
=
−+
222
ˆˆ
2
)1(
ˆ
3
)12(4
ˆ
IIIII
II
eQV
H
z
zz
η
Os autovalores são dados por:
[ ]
2
1
2
2
3
1)1(3
)12(4
++−
−
=
η
III
II
eQV
E
z
zz
onde,
I
z
= -
I
,
-I+1
, ...,
I-1
,
I
.
Se o GCE apresentar simetria axial (em relação ao eixo z), tem-se:
V
xx
=
V
yy
, portanto
η
= 0, e a variação nos níveis de energia é dada por:
44
[
]
)1(3
)12(4
2
+−
−
= III
II
eQV
E
z
zz
Como
η
não pode ser maior do que a unidade, a diferença entre a equação com e sem
η
é de aproximadamente 16%.
A diferença de energia entre os níveis desdobrados é denominada por Desdobramento
Quadrupolar (DQ).
O momento de quadrupolo elétrico nuclear é fixo para cada isótopo, assim, pode-se
usar o valor do desdobramento quadrupolar, para sondar a configuração eletrônica e os íons
vizinhos do átomo estudado. O valor do “DQ” é tanto maior, quanto maior for o grau de
assimetria característico de cada composto.
Se o sinal do momento de quadrupolo for conhecido, a observação do sinal do
desdobramento quadrupolar pode ser um importante fator na dedução da origem do GCE.
Estas informações podem definir a estrutura química, por se tratar de uma técnica sensível em
relação à simetria da rede.
A ausência de interação quadrupolar é um indicativo de que o sítio do átomo estudado
possui simetria cúbica. Núcleos onde o spin é 0 ou ½, são simetricamente esféricos, portanto o
momento de quadrupolo é zero.
O desdobramento quadrupolar e o parâmetro de assimetria “
η
” podem ser estimados
por meio do espectro Mössbauer.
Para o
57
Fe, o nível fundamental (spin
I
=1/2) não é afetado, ao passo que, o primeiro
nível excitado (
I
=3/2) desdobra-se em dois subníveis:
I
z
= ±3/2
→ E = eQV
zz
/
4, e
I
z
=
±1/2
→ E = - eQV
zz
/
4.
45
Figura 3.20 – Representação dos níveis de energia nuclear desdobrados devido a Interação Quadrupolar.
A absorção dos raios-
γ
, cuja energia é modulada pelo transdutor, ocorrerá para dois
valores possíveis de transições de energia, L
1
e L
2
, Isto resulta em um espectro de
transmissão, observado com duas linhas (dubleto) separadas por uma energia
∆E
= (
eQV
zz
/2).
Figura 3.21 – Espectro Mössbauer com Desdobramento Quadrupolar.
O deslocamento isomérico pode ser determinado pelo centróide do dubleto, que
corresponde à energia do fóton
γ
transmitido, sem considerar a interação quadrupolar.
46
As posições das linhas estão relacionadas com o desdobramento nos níveis de energia,
mas as intensidades das linhas estão associadas com a probabilidade de transição entre o
estado fundamental e o estado excitado.
A intensidade das linhas é determinada por dois fatores: o coeficiente de Clebsch-
Gordan e o ângulo (
θ
) entre, a direção de emissão dos raios-
γ
, e a direção do eixo principal (z)
do gradiente de campo elétrico.
Para o
57
Fe, estes coeficientes de probabilidades são:
I
z
±1/2 ±3/2
±1/2
4+6sen
2
θ
6(1+cos
2
θ
)
Em amostras policristalinas (domínios em direções aleatórias), consideram-se os
valores médios dos coeficientes de probabilidade, resultando em vales de ressonância com
intensidades iguais.
O nível
I
=3/2 apresenta uma forma elipsóide prolato, por isso, o momento quadrupolar
elétrico é positivo.
No caso do Fe
3+
e Fe
2+
apresentarem sítios com simetria inferior à cúbica, o valor do
“DQ” para o Fe
3+
é inferior ao do Fe
+2
. Esta diferença está relacionada com o fato, da
configuração 3d
5
ter uma simetria de cargas quase esférica, e a presença do elétron extra da
configuração 3d
6
destrói essa simetria, criando uma variação de energia maior.
47
3.5.3 – Interação Magnética
As interações apresentadas anteriormente ocorrem devido à presença de cargas
elétricas no núcleo do átomo. Entretanto, um núcleo pode também interagir com o campo
magnético. Se o spin nuclear for diferente de zero (
I ≠
0), então este núcleo apresenta um
momento de dipolo magnético (
µ
). Quando este interage com um campo magnético na região
nuclear, esta interação levanta totalmente a degenerescência dos níveis de energia dos estados
nucleares, dando origem a um desdobramento magnético. Esta interação é conhecida como
Efeito Zeeman Nuclear.
O campo magnético na região nuclear ou campo efetivo é dado por:
H
ef
= H
ext
+ H
hip
onde, “
H
ext
” é o campo magnético gerado por imãs externo, e “
H
hip
” é o campo magnético
hiperfino gerado pelo próprio átomo.
O campo magnético hiperfino é gerado principalmente por:
a)
Momento angular orbital dos elétrons de valência.
b)
Momento de spin dos elétrons de valência (Interação Dipolar).
c)
Momento de spin dos elétrons “s” na região nuclear (Campo de Contato de Fermi) que
sofre “interferência” com os elétrons da camada iônica (Interação de Troca),
produzindo um desbalanço da densidade eletrônica na região nuclear (Polarização do
Caroço).
48
Figura 3.22 – Representação das principais causas de geração do campo magnético na região nuclear.
O Hamiltoniano que descreve a interação magnética é dado por:
efnef
HIgHH
r
r
r
r
⋅−=⋅−=
µµ
onde:
µ
r
é o momento de dipolo magnético nuclear,
ef
H
r
é o campo magnético no núcleo,
g
é
a razão giromagnética ou fator-g nuclear,
Mc
e
n
2
h
=
µ
é o magnéton nuclear de Bohr e
I
r
é o
spin nuclear.
Os autovalores são dados por:
In
Ief
Hmg
I
mH
E
µ
µ
−=−=
onde,
m
I
=
I
z
=
I
,
I
-1, ..., -
I
, é o número quântico magnético, e representa o componente z de
I
.
Note que há 2
I
+1 subníveis de acordo com os possíveis valores de
m
I.
O desdobramento magnético é diretamente proporcional ao campo magnético aplicado
na região nuclear. Assim, a técnica propicia uma maneira de medir este campo, identificando
a ordem estrutural magnética e a determinação da temperatura de Curie e de Néel.
49
É importante ressaltar que em materiais paramagnéticos, quando a relaxação dos spins
é maior do que o tempo de medida da técnica Mössbauer (da ordem de 10
-8
s), o resultado
observado é uma média com H = 0, ou seja, não há desdobramento magnético observado no
espectro.
Em materiais onde há mais de uma rede magnética distinta, o espectro Mössbauer
caracteriza o campo interno de cada sítio individualmente. Isto é significativo em compostos
antiferromagnético, onde a técnica Mössbauer pode confirmar a presença do campo
magnético na região nuclear.
Para o
57
Fe, o nível fundamental (spin
I
=1/2) desdobra-se em dois subníveis, e o
estado excitado (spin
I
=3/2) em quatro subníveis, todos correspondendo a níveis de energia
diferente. Destes níveis energéticos, são permitidas apenas seis transições, obedecendo à regra
de seleção.
Figura 3.23 – Representação dos níveis de energia nuclear, desdobrados devido a Interação Magnética.
As regras de seleção aparecem devido à quantização nos níveis de energia, cujas
transições podem ocorrer ou não de acordo com esta seleção. As chamadas “Transições
Proibidas”, não são proibidas estritamente. O que ocorre, é que a taxa ou a probabilidade com
que estas transições acontecem, são bem menores do que as “Transições Permitidas”.
50
Ao considerar o potencial eletrostático (
V
), com simetria cúbica, são feitas
aproximações na equação de onda do campo elétrico, estas aproximações fazem com que o
cálculo dos níveis de energia, e também das transições possíveis, acabem por obedecer às
chamadas regras de seleção [16].
As transições do quadrupolo elétrico, e as do dipolo magnético satisfazem regras de
seleção diferentes, ou seja, para as transições de origem dipolo magnética, tem-se que
∆I
z
= 0,
±
1, enquanto que para as transições de origem quadrupolar elétrica, tem-se
∆I
z
= 0,
±
2 [17,
18].
Neste caso, a absorção dos raios-
γ
, cuja energia é modulada pelo transdutor, ocorrerá
para seis valores possíveis de transições de energia, L
1
, L
2
, L
3
, L
4
, L
5
, e L
6
. Isto resulta em um
espectro de transmissão, observado com seis linhas (sexteto).
Figura 3.24 – Espectro Mössbauer com Desdobramento Magnético.
O deslocamento isomérico pode ser determinado pelo centróide do sexteto, que
corresponde à energia do fóton-
γ
transmitido, sem considerar a interação magnética.
Novamente, as posições das linhas estão relacionadas com o desdobramento nos níveis
de energia, mas as intensidades das linhas estão associadas com a probabilidade de transição
entre o estado fundamental e o estado excitado.
51
Neste caso, a intensidade das linhas é determinada pelo o coeficiente de Clebsch-
Gordan e o ângulo (
θ
) entre, a direção de emissão dos raios-
γ
, e o campo magnético na região
nuclear.
Para o
57
Fe, os coeficientes de probabilidades são:
I
z
-3/2 -1/2 +1/2 +3/2
-1/2
3(1+cos
2
θ
) 4sen
2
θ
1+cos
2
θ
0
+1/2
0
1+cos
2
θ
4sen
2
θ
3(1+cos
2
θ
)
Em amostras policristalinas, sem nenhum campo aplicado, as intensidades relativas
das linhas são 3:2:1:1:2:3 (figura 3.24). Sob campos aplicados às intensidades relativas da
linha podem dar a informação sobre a orientação do momento magnético.
O espectro de um composto puro de Ferro pode apresentar uma única linha de
ressonância (singleto), duas linhas (dubleto) ou seis linhas (sexteto magnético, com ou sem
interação quadrupolar).
3.5.4 – Interações Hiperfinas Combinadas
A combinação do deslocamento isomérico com a interação quadrupolar ou magnética,
causa um deslocamento uniforme de todas as linhas de ressonância no espectro observado,
sem alterar a separação entre elas. Entretanto, na combinação da interação quadrupolar com a
interação magnética, há uma dependência de ambos na separação das linhas de emissão do
espectro observado.
52
Neste caso, o Hamiltoniano é dado por:
(
)
+++−
−
+−=+=
−+
′
222
ˆˆ
2
)1(
ˆ
3
)12(4
ˆˆˆˆ
IIIII
II
eQV
HIgHHH
z
zz
efznquamag
η
µ
Note que o
z’
e
z
são eixos diferentes.
O cálculo analítico para encontrar os autovalores é extremamente complicado, e a
solução é obtida por meio de uma análise matemática utilizando-se de um computador.
Para o estado excitado (
I
= 3/2) do
57
Fe, e considerando o campo magnético efetivo
(
H
ef
) na direção do eixo principal (eixo z) de simetria do gradiente de campo elétrico, têm-se
os seguintes autovalores:
2
1
2
2
3
4
1
42
1
+
+±=
η
µ
µ
zz
efn
zz
efn
eQV
Hg
eQV
HgE
e
2
1
2
2
3
4
1
42
1
+
−±−=
η
µ
µ
zz
efn
zz
efn
eQV
Hg
eQV
HgE
Considerando
V
zz
> 0, tem-se a figura abaixo.
Figura 3.25 – Representação dos níveis de energia nuclear desdobrados devido às Interações Hiperfinas
Combinadas.
53
As interações hiperfinas combinadas causam um “deslocamento” nos níveis de
energia, resultando em um espectro de transmissão, observado com seis linhas (sexteto), cujas
linhas apresentam pequenas alterações na posição do centróide em relação ao eixo de
velocidade.
Figura 3.26 – Espectro Mössbauer com Desdobramento Quadrupolar e Magnético Combinado.
Note que as linhas L1 e L2 aproxima-se, enquanto que as linhas L5 e L6 afastam-se,
comparando-as com o espectro da figura 3.24.
54
3.6 – Efeito Mössbauer no Európio
A realização do efeito Mössbauer em Terras-Raras, em especial o európio, é
complicada devido à alta energia emitida nas transições nucleares. Além disso, o ajuste e a
interpretação dos espectros são difíceis, devido aos vários desdobramentos ocasionados nos
níveis de energia e a presença de transições proibidas.
3.6.1 – O Isótopo
151
Eu
O európio tem 2 isótopos naturais (
151
Eu e
153
Eu). A abundância natural e o fator
nuclear g
n
dos isótopos
151
Eu e
153
Eu são 47,8% e 1,39 assim como 52,2% e 0,61
respectivamente [19].
A radiação usada na espectroscopia Mössbauer que emprega o
151
Eu como sonda
nuclear é emitida na transição do primeiro estado excitado (spin 7/2) para o estado
fundamental (spin 5/2), possuindo energia de transição de 21,6 keV, conforme representado
na figura 3.27.
Figura 3.27 – Representação dos níveis de energia nuclear e seus possíveis decaimento.
55
Os isótopos pais do
151
Eu são o
151
Sm e o
151
Gd. O
151
Sm tem uma meia vida de 93
anos e o
151
Gd, 120 dias. Apenas 2% dos átomos do
151
Sm, e 73% dos átomos do
151
Gd,
decaem para o estado excitado do
151
Eu de energia 21,6 keV [20].
Valores característicos para o
151
Eu [11]:
E
0
∼ 21,6 keV;
E
rec
∼ 1,665 meV;
Fator f (para 300 K) ∼ 0,75;
Γ ∼ 1,33 mm/s.
Entre os elementos de Terras-Raras, a energia de transição de 21,6 keV é uma das
menores, e em conseqüência desta baixa energia, a observação do efeito de absorção nuclear
ressonante no
151
Eu é mais efetivo do que com outros Terras-Raras.
3.6.2 – Deslocamento Isomérico
O deslocamento isomérico é o parâmetro mais relevante que se pode obter do espectro
Mössbauer no európio, porque o seu valor permite facilmente identificar o estado de valência
deste elemento. A configuração eletrônica para o Eu
3+
é 4f
6
e para o Eu
2+
é 4f
7
, portanto, o
orbital “f” atua como um “escudo” contra os elétrons s na região nuclear, como mostrado na
figura 3.28. Desta forma, tem-se uma maior densidade de elétrons s na região nuclear do Eu
3+
,
comparado com o Eu
2+
. [21, 22]
56
Figura 3.28 – Densidade eletrônica para os vários orbitais em função da distância ao núcleo [23].
Este efeito é responsável pela diferença nos níveis de energia nuclear para as duas
valências, obtendo-se um deslocamento isomérico para o Eu
2+
da ordem de -12,0 mm/s
(podendo variar de –13,4 a –7,3 mm/s) e para o Eu
3+
da ordem de 1,0 mm/s (podendo variar
de 0 a 4,7 mm/s), considerado em relação à fonte SmF
3
. Assim, a diferença entre eles é de
aproximadamente 13 mm/s, tornando-se usualmente inequívoca a sua identificação. [24, 25]
3.6.3 – Interação Quadrupolar
Na presença de interação quadrupolar, os níveis de energia do
151
Eu são desdobrados
como resultado do levantamento parcial da degenerescência dos níveis fundamental e
excitado, resultando em um grande número de componentes (linhas).
Quando o núcleo em questão está em um sítio de simetria axial, o parâmetro de
assimetria,
η
, é zero e a regra de seleção (∆I
z
= 0, ±2) para as transições entre os níveis
possibilita até 8 transições [17, 26].
57
Para os sítios com simetria menor, isto é, quando
η
≠ 0, a regra de seleção deixa de ser
válida e o número de transições passa para 12 (figura 3.29) [24]. Isto porque, neste caso, há
momentos de ordem maior do que o quadrupolar. No entanto, para sistemas com ferro estes
momentos de multipolos não eram significativos, permitindo que aproximações, na equação
de onda do campo elétrico, fossem feitas para o potencial eletrostático.
Figura 3.29 – Níveis de energia do
151
Eu, desdobrados devido à interação quadrupolar.
Transições permitidas e Transições proibidas ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
É difícil medir o desdobramento quadrupolar nos compostos de európio devido às
configurações eletrônicas das valências existentes. O íon Eu
2+
tem configuração 4f
7
na última
camada (
8
S
7/2
) e não apresenta contribuição de valência para o gradiente de campo elétrico.
De modo similar, o Eu
3+
tem configuração 4f
6
na última camada (
7
F
0
) resultando, em função
das regras de Hund, um momento angular total J = 0.
Por isso, o desdobramento quadrupolar manifesta-se como um pequeno alargamento
da linha ressonante, o que pode provocar um erro na determinação do deslocamento isomérico
se no ajuste for computado, a titulo de simplificação, com apenas uma Lorentziana.
58
Entretanto, devido a eventuais contribuições da rede para o gradiente de campo
elétrico (ocasionado por uma assimetria no sítio), um desdobramento quadrupolar mensurável
pode aparecer [22].
A figura 3.30 apresenta espectros teóricos correspondentes a sitios do európio, quando
composto de 8 linhas (caso em que
η
= 0) e por 12 linhas (caso em que
η
≠ 0) [24].
Figura 3.30 – Espectro Mössbauer com desdobramento quadrupolar para o
151
Eu:
(a) sítio com simetria axial e (b) sitio sem simetria axial.
Em geral, interação quadrupolar (eQV
zz
) para os óxidos varia de -4 ∼ -8 mm/s, e o
parâmetro de assimetria varia de 0.8 ∼ 1.0 [20]. O sinal negativo para o eQV
zz
, ou V
zz
(sendo
que eQ é positivo) vem do fato que a contribuição para o gradiente do campo elétrico da rede
é maior do que a contribuição dos elétrons da camada 4f [24, 27-29].
59
3.6.4 – Interação Magnética
Para o
151
Eu, o nível fundamental (I = 5/2) desdobra-se em seis subniveis e o estado
excitado (I = 7/2) em oito subniveis. Destas, 18 transições são permitidas obedecendo à regra
de seleção (∆I
z
= 0, ±1)
Figura 3.31 – Níveis de energia do
151
Eu, completamente degenerados devido à interação magnética.
Neste caso, devido às transições possíveis de energia, o espectro Mössbauer passa a ter
18 linhas, resultando num espectro semelhante ao mostrado na figura 3.32.
Figura 3.32 – Espectro Mössbauer teórico com desdobramento magnético para o
151
Eu.
60
Note-se que os espectros Mössbauer para o európio são sensíveis a todos os
parâmetros envolvidos. As análises conduzem aos resultados para o campo hiperfino (B
hf
),
para o V
zz
(incluindo o sinal), para o η e para a direção do B
hf
com relação ao eixo principal do
GCE.
Informações de todos os parâmetros devem ser deduzidas do espectro
simultaneamente, em contraste com a situação do
57
Fe, onde, valores independentes podem
ser obtidos para o B
hf
, para o V
zz
e para o deslocamento isomérico.
3.6.5 – Casos Reais
Um dos trabalhos mais interessantes, encontrados na literatura, e que aplica
espectroscopia Mössbauer no európio foi o de H. T. Hintzen and H. M. van Noort [04]. Os
autores estudaram os sesquióxidos Ln
2
O
3
(Ln = In, Sc, Y, La, Gd e Lu) dopados com európio.
Uma serie de amostras Y
2
O
3
:Eu foi preparada por moagem em atmosfera de NH
4
Cl, por 5h,
variando a concentração de európio, em seguida, a mistura foi aquecida a 1500°C, em
atmosfera livre por 3h. Uma outra serie de amostras do tipo Ln
2
O
3
:Eu, com concentração de
5% em mol de európio com relação ao lantanídeo, sob as mesmas condições anteriores,
também foi preparada. Ainda uma terceira série de amostras foi obtida, utilizando-se o
método químico em que são misturados hidróxidos de Ln(OH)
3
e Eu(OH)
3
. Após a
precipitação, o material depositado foi tratado termicamente em atmosfera livre.
Os espectros Mössbauer dos sesquióxidos In
2
O
3
e Y
2
O
3
cúbicos, Gd
2
O
3
monoclínico e
La
2
O
3
hexagonal, todos dopados com európio, estão mostrados na figura 3.38. Os parâmetros
hiperfinos são arrolados na tabela 3.6.
61
Figura 3.38 – Espectros Mössbauer dos compostos: In
1.9
Eu
0.1
O
3
cúbico (a); Y
1.9
Eu
0.1
O
3
cúbico (b); Gd
1.9
Eu
0.1
O
3
monoclínico (c) e La
1.9
Eu
0.1
O
3
hexagonal (d) [04].
Não há evidências da presença de Eu
2+
. Na (figura a), verifica-se que o autor
decompõe o espectro em duas loretzianas, cujas linhas são atribuídas aos íons Eu
3+
correspondentes aos dois sítios cristalográficos da rede cúbica. Nos outros espectros de
estrutura cúbica, as duas componentes não são facilmente observadas (figura b). O espectro da
figura c reflete, segundo os autores, uma distorção monoclínica e foi ajustado com três
lorentzianas, referentes a três sítios cristalográficos. Na (figura d), o espectro foi ajustado com
duas lorentzianas, com uma das linhas sendo atribuída ao La(OH)
3
:Eu, em conformidade com
o verificado por raio-X.
62
Tabela 3.6 –Parâmetros hiperfinos das amostras investigadas por Hintzen, com os respectivos
sistemas cristalográficos [04].
As medidas de Mössbauer foram realizadas utilizando-se uma fonte de
151
Sm/SmF
3
, e
os deslocamentos isoméricos são referidos ao composto EuF
3
. Este valor foi calculado por
meio de uma média ponderada dos deslocamentos isoméricos das componentes subspectrais.
Segundo o autor, todos os ajustes poderiam ser feitos com uma única linha aparente,
com desdobramento quadrupolar da ordem de 3 mm/s a 5 mm/s, considerados valores
razoáveis. Entretanto, a qualidade dos ajustes melhora com singletos, e desconsiderando
desdobramento quadrupolar.
Su Wenhui et al. [24] obteve soluções sólidas de óxido pseudobinário de Terras-Raras
do tipo (EuR)O
3
onde R = Gd, Dy, Ho, Er, Yb e Lu, fazendo um tratamento térmico de 950°C
por 30 minutos na mistura dos sesquióxidos precursores. Na seqüência, a temperatura foi
elevada até o intervalo 1080°C ∼ 1250°C e mantida por mais 30 minutos, simultaneamente
aplicando uma pressão de 3.0 GPa,.
Análises difratométricas nas amostras de (EuR)O
3
indicaram que todas as amostras
apresentaram uma única fase com estrutura monoclínica (tipo B) e que os parâmetros de rede
diminuíram com o aumento do raio catiônico dos diferentes terras-raras.
63
O espectro do (EuDy)O
3
é mostrado na figura 3.34. Os parâmetros hiperfinos destas e
das outras amostras (cujos espectros são similares a este) estão na tabela 3.1.
Nos procedimentos de ajuste, a largura de linha à meia altura ( Γ ) foi fixada em 1,31
mm/s (valor da largura de linha natural). Observe-se que os valores de δ indicam que a
valência do európio é +3 em todas as amostras e que eQ
g
V
zz
é negativo também em todos os
casos.
Figura 3.34 – Espectro Mössbauer da amostra (EuDy)O
3
medido em temperatura ambiente [24].
Tabela 3.1 – Parâmetros hiperfinos de amostras do tipo (EuR)O
3
medidas em temperatura
ambiente [24].
Xuewu Liu [27] sintetizou, em alta temperatura, ferritas do tipo Eu
0.2
R
0.8
FeO
3
, onde R
= Terras-Raras, utilizando como precursores Eu
2
O
3
, R
2
O
3
e Fe
2
O
3
. As amostras foram,
64
inicialmente, tratadas termicamente a 800ºC, por 3h em atmosfera livre. Em seguida, foram
prensadas e, finalmente, sinterizadas a 1300ºC por 10h, também em atmosfera livre.
Análises de raios-X mostraram que todas as amostras possuem estrutura ortorrômbica
e que o volume da célula unitária diminui com o aumento do número atômico do elemento R.
Os espectros Mössbauer exibiram uma única linha assimétrica (figura 3.35), com uma
largura de linha muito alta se comparada com a largura de linha natural, indicando a presença
de uma interação quadrupolar não resolvida. Devido ao fator de assimetria (
η
) possuir valor
diferente de zero, o espectro consiste de doze componentes.
Medidas Mössbauer utilizando o
57
Fe como sonda também foi realizada e os
parâmetros hiperfinos respectivos são apresentados na tabela 3.2.
Figura 3.35 – Espectros Mössbauer de amostras de Eu
0.2
R
0.8
FeO
3
[27].
65
Tabela 3.2 – Parâmetros hiperfinos para o
151
Eu e o
57
Fe nas amostras de Eu
0.2
R
0.8
FeO
3
[27].
Aqui também, os valores de δ indicam que os compostos têm európio trivalente, e que
este aumenta com a diminuição do volume da célula unitária devido, de acordo com os
autores, ao aumento da densidade de elétrons “s” na região nuclear. O valor de eQV
zz
aumenta
também com a diminuição do volume da célula unitária, indicando que a distorção cresce
juntamente com o aumento do número atômico do R.
Su Wenhui et al. [28] preparou amostras do tipo (REu)O
3
tratando inicialmente as
misturas estequiométricas de Eu
2
O
3
e de outro óxido de terra-rara (La
2
O
3
, Sm
2
O
3
, Nd
2
O
3
,
CeO
2
e Pr
6
O
11
) a 900ºC por 30 minutos, na proporção molar de Eu:R = 1:1. Em seguida,
submeteu as amostras a uma pressão de 3.0 GPa. A temperatura foi, então, elevada,
mantendo-se constantes a pressão e a temperatura por 30 ∼ 60 minutos.
A estrutura e os parâmetros de rede foram determinados por difração de raios-X e
estão listados na tabela 3.3.
66
Tabela 3.3 – Parâmetros de rede dos sistemas (REu)O
3
e condição de tratamento térmico
utilizados[28].
A partir dos dados constantes na tabela, observa-se que o LaEuO
3
possui estrutura do
tipo A (hexagonal), o CeEuO
3,5
possui estrutura do tipo F (fluorita) e que o restante das
amostras apresentou estrutura do tipo B (monoclínica).
No entanto, a estrutura do NdEuO
3
ou do PrEuO
3
é diferente da estrutura do SmEuO
3
,
embora ambos sejam do tipo B. O difratograma de raios-X obtido do SmEuO
3
é idêntico ao
do sesquióxido Sm
2
O
3
, também de estrutura do tipo B, mas para os outros dois compostos,
apenas os picos mais intensos são comuns aos do SmEuO
3
, sendo seus difratogramas mais
parecidos com cristais do tipo EuRO
3
(R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb e Lu).
Segundo o autor, estudos com estes cristais mostraram que a estrutura do tipo B nestas
amostras possui maior simetria do que a apresentada pelo Sm
2
O
3
.
Para a estrutura dos tipos A e B, cada metal tem 7 oxigênios em sua vizinhança e
portanto, o sítio do európio apresenta “baixa simetria” com o fator de assimetria
η
≠ 0.
Embora o CeEuO
3,5
tenha uma estrutura do tipo cúbica, a deficiência de oxigênio na
célula unitária faz com que os sítios apresentem baixa simetria e, com isto,
η
também ≠ 0.
Todos os espectros Mössbauer no
151
Eu apresentaram um singleto, desprezando a
assimetria, com um alto valor para a largura de linha (3,0 ∼ 3,6 mm/s), indicando a presença
de uma interação quadrupolar não resolvida. O ajuste foi realizado com 12 linhas para cada
67
subspectro, e a largura de linha foi fixado em 1.33 mm/s, o que corresponde à largura de linha
natural.
Os espectros Mössbauer do SmEuO
3
foram ajustados com 3 subspectros cada,
referentes aos 3 sítios existentes na estrutura monoclínica, similar ao Sm
2
O
3
. Apenas um
subspectro foi utilizado para as outras amostras, conforme apresentado na figura 3.36. Os
parâmetros hiperfinos são dados na tabela 3.4. Todas as medidas foram realizadas com uma
fonte radioativa de Sm
2
O
3
, e a referência para o zero no deslocamento isomérico foi
especificado como sendo em relação ao Eu
2
O
3
.
Figura 3.36 – Espectros Mössbauer no Európio, para as amostras PrEuO
3
e SmEuO
3
[28].
Tabela 3.4 – Parâmetros hiperfinos para as soluções sólidas (REu)O
3
medidos em temperatura
ambiente [28].
68
Os valores apresentados pelo deslocamento isomérico indica que o európio presente
nas amostras é trivalente. O sinal negativo para o eQV
zz
mostra que a contribuição para o
gradiente de campo elétrico é maior da rede do que dos elétrons 4f, indicando que a
distribuição de cargas ao redor do núcleo de Eu
3+
é muito assimétrica.
Jin Mingzhi et al. [29] sinterizou compostos do tipo Eu
0,2
R
0,8
FeO
3
e EuFe
0,8
M
0,2
O
3
(R= terra-rara, e M= Sc, Cr, Co e Mn), utilizando como precursores óxidos R
2
O
3
, Fe
2
O
3
,
Cr
2
O
3
, Sc
2
O
3
, MnO
2
e Co
3
O
4
, calcinados preliminarmente a 800°C por 3h. As misturas dos 3
óxidos, feitas nas devidas razões estequiométricas, foram prensadas e sinterizadas a 1300°C
por 10h.
Figura 3.37 – (a) Espectro Mössbauer do composto Eu
0,2
Tb
0,8
FeO
3
, medido em temperatura ambiente: (b)
posição das 12 transições do
151
Eu, (c) linhas Lorentzianas individuais[29].
As caracterizações por raios-X mostraram que os compostos possuem uma única fase,
respectiva ao sistema ortorrômbico. A espectroscopia Mössbauer revelou que todas as
amostras apresentam uma única linha aparente, assimétrica, como o apresentado na figura
3.37, com uma largura resultante bastante grande comparada com a largura de linha natural,
69
indicando a presença de uma não-resolvida interação quadrupolar. Os parâmetros hiperfinos
obtidos estão apresentados na tabela 3,5.
Tabela 3.5 – Parâmetros hiperfinos dos compostos Eu
0,2
R
0,8
FeO
3
e EuFe
0,8
M
0,2
O
3
[29].
Os valores dos deslocamentos isoméricos indicam que todos os compostos apresentam
európio no estado de valência +3. Os desdobramentos quadrupolares no
151
Eu são negativos,
indicando que a contribuição da rede para o gradiente de campo elétrico é maior do que a
contribuição de segunda ordem dos elétrons 4f. Nos espectros Mössbauer medidos através do
57
Fe, todas as amostras apresentaram um sexteto.
M. Ristic et al. [30, 31] estudou sistemas do tipo (1-x)Fe
2
O
3
+ xEu
2
O
3
, preparados por
coprecipitação a partir da solução química de Fe(OH)
3
-Eu(OH)
3
. Uma série de amostras com
frações molares diferentes foi submetida por 1h a 200ºC, 300ºC e 400ºC, e por 5h a 600ºC. As
fases formadas e as frações molares foram determinados por difração de raios-X (ver tabelas
70
3.7 e 3.8). Posteriormente, as amostras foram submetidas a um tratamento térmico de 900ºC,
por 6h. As fases obtidas por meio deste segundo tratamento estão relacionadas na tabela 3.9.
Tabela 3.7 – Composição (química) nominal das amostras preparadas [30].
Tabela 3.8 – Fases formadas à temperatura máxima de 600ºC [30].
71
Tabela 3.9 – Fases formadas à temperatura de 900ºC [30].
Para as amostras S-1 e S-2 tratadas a 600ºC foi detectado, inicialmente, apenas a
hematita, e após um segundo tratamento a 900ºC, obteve-se a fase EuFeO
3
. A granada
Eu
3
Fe
5
O
12
aparece no primeiro tratamento da amostra S-8 e após o segundo tratamento, nas
amostras S-5
*
, S-6
*
e S-7
*
, com maior formação na amostra S-6
*
. Os espectros Mössbauer
(medidos na temperatura ambiente) foram tomados como uma única linha. A exceção foi a
amostra S-6
*
, cujo espectro resultou significativamente diferente dos demais, indicando um
desdobramento quadrupolar (figura 3.39).
Os espectros Mössbauer do
57
Fe, confirmaram as fases identificadas por raios-X.
Figura 3.39 – Espectro Mössbauer no Európio para a amostra S-6* e para o Eu
2
O
3
, medidos em temperatura
ambiente [30].
72
Souza Jr. P. A. et al. [32] estudaram óxidos de ferro e európio na razão de Eu:Fe =
1:9, preparados por método químico de co-precipitação e tratados a 500, 850, 1000 e 1250ºC.
As amostras foram caracterizadas por difratometria de raio-X e espectroscopia Mössbauer no
57
Fe e
151
Eu, conduzida em temperaturas ambiente e de nitrogênio liquido.
As medidas no európio estão apresentadas na figura 3.40, e os parâmetros hiperfinos
obtidos estão na tabela 3.10.
Figura 3.40 – Espectros das amostras de Eu:Fe (1:9), tratadas a 1250ºC e medidas a 90 K (a), 298 K (b) e do
Eu
2
O
3
puro (c) medido em temperatura ambiente [32].
Tabela 3.10 – Parâmetros hiperfinos da amostra Eu:Fe = 1:9 [32].
Os espectros Mössbauer mostram que o európio é trivalente, e que a granada
Eu
3
Fe
5
O
12
(EuIG) é formada a 1250°C.
73
4 – DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL
4.1 – Preparação das Amostras
As amostras foram preparadas utilizando-se como precursores pós de UO
2
e Eu
2
O
3
,
que foram misturados em diferentes concentrações.
O dióxido de urânio foi fabricado no Laboratório de Materiais Nucleares do CTM-
ARAMAR e o sesquióxido de európio foi adquirido comercialmente (marca Alfa Aesar –
pureza de 99,9% - lote G26M20).
Para a preparação da mistura, foram efetuadas as seguintes etapas:
1 - Secagem dos pós de UO
2
e Eu
2
O
3
em estufa, à 80º C por 2 horas, sob pressão de
3.10
3
Pa.
2 - Pesagem dos materiais, em uma balança com precisão de 0,001g, nas
concentrações de 4%, 7% e 10% em peso de európia.
Estearato de zinco (C
36
H
70
O
4
Zn) foi empregado na proporção de ∼0,1% em peso,
como auxiliar no processo de compactação, devido à sua propriedade como lubrificante e
antiaderente. Cada mistura tinha, tipicamente, 50g de massa total.
3 - Mistura dos pós em um homogeneizador, por um período de 1 hora, a 15 rpm.
Na seqüência, os pós foram compactados em uma prensa uniaxial, utilizando-se uma
punção de 11,15 mm de diâmetro e pressão de compactação de 4.10
8
Pa.
Para cada mistura foram feitas 6 pastilhas que, a seguir, foram separadas para
diferentes tratamentos térmicos. Nesta fase do processo, o material prensado é denominado de
“pastilha verde”.
A sinterização das pastilhas foi realizada em um forno resistivo (marca DEGUSSA),
sob atmosfera redutora (i.e., hidrogênio comercial), até a temperaturas de 1750º C, com uma
74
taxa de aquecimento de 10º C/min, e com rampas e patamares como apresentado na figura
4.1. Os pontos na curva representam os momentos em que amostras foram removidos do
forno.
0 50 100 150 200 250 300
0
400
800
120 0
160 0
200 0
1750
0
C / 1h
1300
0
C / 1h
Temperatura (
0
C)
Tem po (m in)
900
0
C
Figura 4.1 –Curva de temperatura do tratamento térmico utilizado.
Desta forma, foram sintetizadas duas amostras para cada condição de concentração
inicial e de tratamento térmico, condições estas especificadas na tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Amostras preparadas, segundo a concentração inicial e a condição de tratamento
térmico.
Amostra Sinterização
900º C
1300º C / 1 h
UO2 – 4% Eu2O3
1750º C / 1 h
900º C
1300º C / 1 h
UO2 – 7% Eu2O3
1750º C / 1 h
900º C
1300º C / 1 h
UO2 – 10% Eu2O3
1750º C / 1 h
75
Uma pastilha de cada amostra foi utilizada para determinação da difusividade térmica.
A outra do par foi pulverizada para a caracterização por difração de raios-X e espectroscopia
Mössbauer.
4.2 – Técnicas de Análise
As técnicas de análise empregadas na caracterização das pastilhas foram a difração de
raios-X, a difusividade térmica, pelo método laser-flash, e a espectroscopia Mössbauer, tendo
o
151
Eu como sonda nuclear.
4.2.1 – Difratometria de Raios-X
As medidas foram realizadas em um difratômetro (marca PHILIPS - PW3710) em
temperatura ambiente, com o equipamento operando na geometria convencional (θ - 2θ), com
radiação produzida por um tubo de cobre (λ1 = 1,54060 Å e λ2 = 1,54439 Å). Os
difratogramas foram coletados no intervalo de 15° a 140°, sob passo de 0,02°.
Para a identificação das fases foi utilizado o banco de dados das fichas do arquivo
JCPDS [05].
Para as análises dos difratogramas, foram utilizados dois programas aplicativos: (i) o
ORIGIN, empregado para um diagnóstico preliminar e individual de alguns picos dos
difratogramas; (ii) o FULLPROF, para o ajuste numérico dos perfis difratométricos
(Refinamento Rietveld). Este programa utiliza uma rotina matemática complexa, que
considera todo o difratograma e vínculos entre alguns parâmetros tais como a largura dos
76
picos de difração, efeitos induzidos termicamente pelas vibrações dos átomos e intensidade
dos picos relacionados aos planos de reflexão.
4.2.2 – Espectroscopia Mössbauer
O espectrômetro Mössbauer empregado neste trabalho é composto de um transdutor
de velocidade (marca Halder Elektronik GmbH - modelo MA 351), responsável pelo
movimento da fonte radioativa na forma de uma onda triangular de velocidade, comandado
por um controlador eletrônico com freqüência e velocidade máxima ajustáveis (marca Halder
Elektronik GmbH - modelo MR 351).
A radiação transmitida é medida por um detector de estado sólido (marca
CANBERRA - modelo GL0510), alimentado por uma fonte de alta tensão (marca ORTEC -
modelo 556). Encontra-se acoplado na saída do detector um pré-amplificador (marca
CANBERRA - modelo 2101/N), o qual gera um sinal proporcional à energia detectada. Este
sinal é diferenciado e efetivamente amplificado por um módulo amplificador (marca
CANBERRA - modelo 2024).
Na seqüência, o sinal gerado pelo amplificador é selecionado por um analisador
monocanal (marca EG&G ORTEC - modelo 550A), que faz uma discriminação na energia a
ser utilizada. Os pulsos selecionados são enviados a um computador contendo uma placa de
aquisição, isto é, um analisador multicanal, para armazenar os dados em até 2048 “canais”
(marca EG&G ORTEC - modelo MCS 32).
O arranjo dos dispositivos citados acima está esquematicamente apresentado na figura
4.2.
77
Figura 4.2 – Diagrama de bloco do espectrômetro Mössbauer utilizado.
O equipamento foi calibrado com uma fonte de
57
Co/Rh, com um absorvedor de ferro
metálico.
Para a realização da espectroscopia Mössbauer, as amostras foram encapsuladas em
pequenos recipientes de acrílico, com aproximadamente 22 mg/cm
2
, valor este calculado para
otimizar a medida [35].
Todas as medidas foram feitas em temperatura ambiente, utilizando-se a energia de
21,6 keV do
151
Eu, emitida por uma fonte radioativa de
151
Sm/SmF
3
. Cada medida foi
realizada, em média, durante uma semana.
Para as análises dos espectros Mössbauer foi utilizado o programa NORMOS, cujo
tratamento numérico para ajuste emprega o critério dos mínimos quadrados [36].
4.2.3 – Difusividade Térmica
As medidas foram realizadas em um difusivímetro (marca HOLOMETRIX), que
utiliza o método laser-flash, para o qual pulsos de laser são disparados sobre a superfície da
amostra, em cujo lado oposto localiza-se um detector que registra a variação pontual da
temperatura em função do tempo. Para a obtenção dos valores de difusividade térmica, o
equipamento utiliza um modelo matemático formulado pela teoria de R. Cowan [33, 34].
Foram realizadas medidas de difusividade térmica nas temperaturas de 100, 300, 500,
700, 900, 1100, 1300 e 1500°C.
78
5 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISES
5.1 – Difratometria de Raios-X
5.1.1 – Identificação das Fases
Os difratogramas obtidos neste trabalho para a európia e para as amostras de UO
2
-
Eu
2
O
3
estão apresentados nas figuras 5.1, 5.2, 5.3 e 5.4. Os planos de reflexão foram
indexados pelos seus respectivos índices de Miller.
Alinhados verticalmente ao longo da abscissa, estão barras coloridas que indicam a
posição angular dos planos respectivos às das fases UO
2
e Eu
2
O
3
, cuja intensidade é dada pela
altura da barra, de acordo com as fichas do banco de dado do JCPDS respectivos ao UO
2
(05-
0550) e Eu
2
O
3
(34-0392).
Figura 5.1 – Difratograma de raios-X do Eu
2
O
3
.
79
Figura 5.2 – Difratogramas de raios-X das amostras preparadas com 4% de Eu
2
O
3
.
80
Figura 5.3 – Difratogramas de raios-X das amostras preparadas com 7% de Eu
2
O
3
.
81
Figura 5.4 – Difratogramas de raios-X das amostras preparadas com 10% de Eu
2
O
3
.
82
As posições angulares para o comprimento de onda da radiação K
α1
do cobre (1,54056
Å) e as intensidades das reflexões, de acordo com as fichas utilizadas, estão dispostas
numericamente nas tabelas 5.1 e 5.2.
Tabela 5.1 – UO
2
. Ficha n° 05-0550 Tabela 5.2 – Eu
2
O
3
. Ficha n° 34-0392
Índices de Miller
(h k l)
Posição
(2 θ)
Intensidade
relativa
Índices de Miller
(h k l)
Posição
(2 θ)
Intensidade
relativa
1 1 1 28,244 1,00 2 1 1 19,998 0,08
2 0 0 32,716 0,48 2 2 2 28,421 1,00
2 2 0 46,942 0,49 4 0 0 32,926 0,34
3 1 1 55,695 0,47 4 1 1 34,989 0,06
2 2 2 58,396 0,13 3 3 2 38,828 0,05
4 0 0 68,573 0,09 4 3 1 42,362 0,08
3 3 1 75,725 0,18 4 4 0 47,266 0,43
4 2 0 78,075 0,15 6 1 1 51,808 0,06
4 2 2 87,265 0,13 6 2 2 56,077 0,31
5 1 1 94,108 0,15 6 3 1 57,451 0,06
4 4 0 105,670 0,06 4 4 4 58,811 0,06
5 3 1 112,892 0,15 6 6 2 76,310 0,08
6 0 0 115,378 0,08 8 4 0 78,676 0,06
6 2 0 125,975 0,09 8 4 4 87,960 0,05
5 3 3 134,949 0,07 10 2 2 94,874 0,05
6 2 2 138,284 0,07
Nas tabelas 5.3, 5.4 e 5.5 estão listadas as posições dos picos em 2θ, as intensidades e
as larguras de linha (FWHM), como identificados no difratograma para cada concentração
inicial de Eu
2
O
3
. Dispostos ao longo da mesma linha, estão as posições dos picos
identificados no difratograma que, supostamente, correspondem ao mesmo plano de reflexão.
83
Pode-se, com isto, verificar a evolução de um pico de acordo com a condição de tratamento
térmico das amostras.
Assim, percebe-se um deslocamento para a direita de todos os picos referentes à fase
UO
2
, indicando que o parâmetro de rede diminui, com o aumento da temperatura de
sinterização. Além disto, nota-se que a largura de linha geralmente aumenta, especificamente
para os picos das amostras tratadas a 1300ºC/1h (podendo ser um indicativo de que está
ocorrendo a difusão da európia na rede da urânia.), diminuindo para as amostras tratadas a
1750ºC.
84
Tabela 5.3 – Posições, intensidades e larguras de linha dos picos das amostras com 4% inicial de Eu
2
O
3
.
900ºC
1300ºC/1h
1750ºC/
1h
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
19,9571 0,0017 0,24
28,2107 1,0000 0,14 28,2650 1,0000 0,16 28,3221 1,0000 0,16
32,6788 0,3565 0,16 32,7242 0,3781 0,18 32,8083 0,4058 0,14
32,9205 0,2042 0,04
35,0001 0,0008 0,48
38,7670 0,0006 0,32
42,3547 0,0030 0,12
46,9254 0,4333 0,14 46,9873 0,4515 0,16 47,0926 0,5801 0,08
47,0670 0,3186 0,10 47,1109 0,3768 0,06 47,2222 0,3512 0,06
55,6645 0,3657 0,14 55,7050 0,3963 0,14 55,8464 0,5778 0,10
55,8366 0,2711 0,12 55,8927 0,3170 0,14 56,0285 0,3703 0,08
58,3328 0,0679 0,10 58,5115 0,0816 0,14 58,5806 0,1453 0,08
58,5554 0,0666 0,10 58,7379 0,0835 0,06
68,5547 0,0549 0,08 68,6215 0,0577 0,08 68,7688 0,0990 0,08
68,7598 0,0379 0,08 68,8560 0,0470 0,12 68,9872 0,0609 0,08
75,6925 0,1171 0,12 75,7569 0,1184 0,14 75,9821 0,2552 0,10
75,9969 0,0858 0,08 76,0591 0,1020 0,12 76,1977 0,1546 0,10
78,0496 0,0843 0,14 78,1267 0,1039 0,14 78,3054 0,1955 0,10
78,3108 0,0601 0,12 78,4455 0,0704 0,16 78,5645 0,1260 0,10
87,2240 0,0844 0,10 87,2274 0,0816 0,08 87,5404 0,1993 0,10
87,5363 0,0617 0,16 88,4078 0,0103 0,06 87,8013 0,1228 0,10
94,0558 0,0782 0,16 94,2258 0,0954 0,16 94,3821 0,2106 0,14
94,3789 0,0580 0,16 94,4832 0,0817 0,06 94,7015 0,1220 0,10
105,6044 0,0266 0,08 105,5477 0,0202 0,28 106,0259 0,0713 0,14
106,0616 0,0172 0,16 106,3635 0,0423 0,18
112,8291 0,0836 0,14 113,0044 0,0948 0,32 113,2716 0,2430 0,12
113,2950 0,0587 0,16 113,5114 0,0669 0,20 113,7219 0,1448 0,12
115,2995 0,0399 0,32 115,5157 0,0490 0,20 115,7721 0,1288 0,14
115,7501 0,0326 0,20 115,9850 0,0383 0,20 116,2434 0,0794 0,12
125,8905 0,0402 0,36 125,9784 0,0425 0,64 126,4592 0,1322 0,18
126,6018 0,0243 0,28 126,6821 0,0378 0,40 127,0418 0,0788 0,16
134,8482 0,0292 0,32 134,8394 0,0294 0,24 135,5810 0,1149 0,20
135,6450 0,0239 0,20 135,1495 0,0402 0,32 136,2691 0,0677 0,16
135,8171 0,0332 0,40
138,2011 0,0291 0,20 138,2111 0,0325 0,40 138,9275 0,0987 0,18
139,0720 0,0210 0,24 138,8216 0,0337 0,40 139,6850 0,0623 0,12
85
Tabela 5.4 – Posições, intensidades e larguras de linha dos picos das amostras com 7% inicial de Eu
2
O
3
.
900ºC
1300ºC/1h
1750ºC/1h
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
20,0015 0,0032 0,12
28,2378 1,0000 0,16 28,2300 1,0000 0,18 28,3221 1,0000 0,16
32,7237 0,3773 0,16 32,7268 0,3803 0,16 32,8083 0,4058 0,14
35,0786 0,0018 0,20 32,9205 0,2042 0,04
38,8199 0,0020 0,16
42,3934 0,0028 0,40
46,9532 0,4300 0,14 47,0665 0,3628 0,24 47,0926 0,5801 0,08
47,0714 0,3682 0,08 47,2222 0,3512 0,06
55,6821 0,3783 0,12 55,6567 0,2947 0,14 55,8464 0,5778 0,10
55,8659 0,2879 0,10 55,8454 0,2901 0,10 56,0285 0,3703 0,08
58,3896 0,0839 0,12 58,5565 0,0682 0,40 58,5807 0,1453 0,08
58,6122 0,0642 0,06 58,7379 0,0835 0,06
68,5908 0,0591 0,14 68,5861 0,0483 0,32 68,7688 0,0990 0,08
68,9872 0,0609 0,08
75,7444 0,1295 0,14 75,6907 0,0919 0,08 75,9821 0,2552 0,10
76,0447 0,0916 0,14 76,0781 0,0760 0,28 76,1977 0,1546 0,10
78,0576 0,0920 0,12 78,0993 0,0770 0,24 78,3054 0,1955 0,10
78,3425 0,0694 0,12 78,5645 0,1260 0,10
87,2724 0,1025 0,14 87,2530 0,0732 0,12 87,5404 0,1993 0,10
87,5469 0,0749 0,08 87,5627 0,0638 0,20 87,8013 0,1228 0,10
94,0764 0,0890 0,10 93,9186 0,0508 0,08 94,3821 0,2106 0,14
94,4197 0,0641 0,16 94,1313 0,0708 0,16 94,7015 0,1220 0,10
94,3837 0,0636 0,12
105,6536 0,0301 0,08 105,5461 0,0189 0,16 106,0259 0,0713 0,14
106,0247 0,0233 0,20 105,8476 0,0249 0,10 106,3635 0,0423 0,18
112,8504 0,0921 0,08 112,8310 0,0615 0,28 113,2716 0,2430 0,12
113,3202 0,0653 0,20 113,1654 0,0644 0,24 113,7219 0,1448 0,12
115,3444 0,0470 0,28 115,3966 0,0346 0,64 115,7721 0,1288 0,14
115,8168 0,0361 0,20 116,2434 0,0794 0,12
126,0222 0,0472 0,32 125,9751 0,0310 0,64 126,4592 0,1322 0,18
126,6635 0,0271 0,28 127,0418 0,0788 0,16
134,8570 0,0352 0,24 134,9479 0,0277 0,32 135,5810 0,1149 0,20
135,6258 0,0287 0,32 136,2691 0,0677 0,16
138,2529 0,0360 0,28 137,9752 0,0222 0,64 138,9275 0,0987 0,18
139,1110 0,0231 0,40 139,6850 0,0623 0,12
86
Tabela 5.5 – Posições, intensidades e larguras de linha dos picos das amostras com 10% inicial de Eu
2
O
3
.
900ºC
1300ºC/1h
1750ºC/1h
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
Posição
(º)
Intens.
relativa
FWHM
(º)
20,0135 0,0045 0,16
28,2503 1,0000 0,18 28,2682 1,0000 0,20 28,3183 1,0000 0,16
32,7296 0,3818 0,18 32,7359 0,3676 0,16 32,8135 0,3730 0,12
32,9256 0,1979 0,04
35,0102 0,0039 0,20
38,8899 0,0033 0,28
42,4417 0,0060 0,12
46,9570 0,4649 0,12 47,0124 0,4116 0,14 47,1141 0,4572 0,08
47,0762 0,4201 0,08 47,1276 0,3568 0,08 47,2412 0,2753 0,06
51,8180 0,0038 0,12
55,7082 0,4360 0,14 55,6888 0,3169 0,10 55,8849 0,4186 0,10
55,8748 0,3181 0,08 55,8056 0,3569 0,10 56,0602 0,2562 0,06
57,5534 0,0076 0,16 58,4121 0,0690 0,44 58,6177 0,0945 0,08
58,3758 0,0870 0,18 58,7717 0,0605 0,06
68,5970 0,0707 0,08 68,6493 0,0552 0,28 68,8242 0,0683 0,10
68,8154 0,0427 0,08 69,0438 0,0408 0,10
75,7546 0,1537 0,10 75,7429 0,1029 0,20 76,0559 0,1471 0,10
76,0616 0,1003 0,14 75,9925 0,1079 0,14 76,2622 0,0901 0,10
78,1109 0,1159 0,06 78,1420 0,0870 0,10 78,3866 0,1080 0,12
78,3662 0,0761 0,08 78,2854 0,0846 0,16 78,6329 0,0696 0,08
87,2733 0,1221 0,10 87,3286 0,0805 0,32 87,6319 0,1088 0,10
87,5747 0,0884 0,06 87,5798 0,0743 0,20 87,9014 0,0683 0,14
94,0879 0,1107 0,10 94,0514 0,0646 0,24 94,5059 0,1031 0,16
94,4370 0,0764 0,24 94,2449 0,0791 0,20 94,7897 0,0654 0,12
105,6442 0,0382 0,16 105,8366 0,0238 0,56 106,1444 0,0349 0,12
106,0560 0,0283 0,12 106,5267 0,0229 0,12
112,8119 0,1098 0,10 112,7877 0,0618 0,20 113,4648 0,1073 0,18
113,2930 0,0838 0,10 113,1989 0,0767 0,28 113,9190 0,0612 0,20
113,5569 0,0637 0,08
115,3512 0,0778 0,08 115,4467 0,0474 0,40 116,0032 0,0554 0,20
115,8623 0,0469 0,16 115,7804 0,0429 0,32 116,4256 0,0362 0,16
125,9080 0,0662 0,28 126,0074 0,0379 0,16 126,6988 0,0579 0,16
126,5766 0,0416 0,24 126,5536 0,0337 0,32 127,2511 0,0347 0,16
134,9337 0,0536 0,32 135,8681 0,0462 0,18
135,6595 0,0383 0,32 136,5409 0,0291 0,10
138,1799 0,0467 0,24 136,6284 0,0263 0,06
87
5.1.2 – Análise Deconvolutiva dos Picos de Reflexão
Objetivando aferir a presença de picos pertencentes à európia ou, eventualmente, de
óxidos mistos formados por reação de estado sólido, que podem estar superpostos aos picos
da urânia e, por isto, não facilmente identificáveis, foram feitos ajustes individuais de três
picos das amostras com 10% de Eu
2
O
3
.
Para representar analiticamente cada plano de reflexão, foram usadas por simplicidade
duas funções Lorentzianas
*
, uma para cada comprimento de onda do cobre (K
α1
e K
α2
). Além
disso, considerou-se três vínculos entre estas duas funções [37]:
1. A área sob o pico de K
α1
é igual a duas vezes a área sob o pico de K
α2
;
2. As larguras de linhas são iguais para ambos os picos;
3. As centróides dos picos obedecem à equação de Bragg, dada por:
2
1
2
1
)(
)(
α
α
α
α
θ
θ
K
K
sen
sen
K
K
=
A expressão analítica efetivamente empregada nos ajustes de cada pico é dada por:
( )
2
2
0
0
)(
Γ+−
+=
xx
I
yxy
onde y
0
e I são constantes que estão relacionadas ao background e à intensidade,
respectivamente, x
0
é a posição (em 2θ) da centróide e Γ é a largura de linha do pico.
Os resultados dos ajustes são mostrados nas figuras, 5.5, 5.6 e 5.7. As linhas f1 estão
associadas com a urânia “pura”, f2 com a európia e f3 com uma possível solução sólida de
európio na urânia.
*
Embora outras funções possam ser usadas, como a gaussiana ou mesmo a pseudo-voigt.
88
3 2 ,0 3 2 ,5 3 3 ,0 3 3 ,5
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
K
α 2
α 2α 2
α 2
K
α 2
α 2α 2
α 2
K
α 1
α 1α 1
α 1
e x p e rim e n ta l
a ju s te
f 1
f 2
Intensidade
2
θ
(º )
(a )
K
α 1
α 1α 1
α 1
4 6 ,0 4 6 ,5 4 7 ,0 4 7 ,5 4 8 ,0
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
e x p e rim e n ta l
a ju s te
f 1
f 2
Intensidade
2
θ
(º )
(b )
5 4 ,5 5 5 ,0 5 5 ,5 5 6 ,0 5 6 ,5 5 7 ,0
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
e x p e r im e n ta l
a ju s te
f 1
f 2
Intensidade
2
θ
(º )
(c )
Figura 5.5 – Análise de picos na região angular referente ao plano <200> (a), <220> (b) e <311> (c) da urânia, a
partir do difratograma da amostra 10%-900°C.
89
3 2 ,0 3 2 ,5 3 3 ,0 3 3 ,5
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
e x p e rim e n ta l
a ju s te
f 1
f 3
Intensidade
2
θ
(º )
(a )
K
α 1
α 1α 1
α 1
K
α 2
α 2α 2
α 2
K
α 1
α 1α 1
α 1
K
α 2
α 2α 2
α 2
4 6 ,0 4 6 ,5 4 7 ,0 4 7 ,5 4 8 ,0
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
e x p e rim e n ta l
a ju s te
f 1
f 3
Intensidade
2
θ
(º )
(b )
5 4 ,5 5 5 ,0 5 5 ,5 5 6 ,0 5 6 ,5 5 7 ,0
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
e x p e rim e n ta l
a ju s te
f 1
f 3
Intensidade
2
θ
(º)
(c )
Figura 5.6 – Análise de picos na região angular referente ao plano <200> (a), <220> (b) e <311> (c) da urânia, a
partir do difratograma da amostra 10%-1300°C/1h.
90
3 2 ,0 3 2 ,5 3 3 ,0 3 3 ,5
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
e x p e rim e n ta l
a ju s te
f 3
Intensidade
2
θ
(º )
(a )
K
α 1
α 1α 1
α 1
K
α 2
α 2α 2
α 2
4 6 ,0 4 6 ,5 4 7 ,0 4 7 ,5 4 8 ,0
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
e x p e rim e n ta l
a ju s te
f 3
Intensidade
2
θ
(º )
(b )
5 4 ,5 5 5 ,0 5 5 ,5 5 6 ,0 5 6 ,5 5 7 ,0
0 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
e x p e rim e n ta l
a ju s te
f 3
Intensidade
2
θ
(º )
(c )
Figura 5.7 – Análise de picos na região angular referente ao plano <200> (a), <220> (b) e <311> (c) da urânia, a
partir do difratograma da amostra 10%-1750°C/1h.
91
Pelas figuras anteriores verifica-se que, para as amostras tratadas a 900°C e
1300°C/1h, os ajustes nas análises de picos requereram a presença de dois pares de
lorentzianas, cada um respectivo às duas radiações do cobre.
Já para a amostra tratada a 1750°C/1h, cada pico aparente pôde ser ajustado com um
único par de linhas.
Os parâmetros mais significativos obtidos no ajuste estão apresentados na tabela 5.6,
junto com os parâmetros de rede, médios calculados para os três planos de cada uma das três
amostras analisadas.
Foi obtido de acordo com B. D. Cullity [36], o parâmetro de rede, a, utilizando a
equação:
(
)
( )
α
θ
λ
K
sen
lkh
a
2
2222
4
++
=
onde,
λ
é o comprimento de onda da radiação empregada e h, k e l são os índices de Miller de
determinado plano.
Tabela 5.6 – Parâmetros obtidos para as amostras 10%-900ºC, 1300ºC/1h e 1750ºC/1h,
referentes à radiação K
α1
.
Tratamento térmico 900°C 1300°C/1h 1750°C/1h
Par de linhas f1 f2 f1 f3 f3
x
0
(°)
32,716 32,855 32,731 32,981 32,798
Plano
<200>
Γ (°)
0,0736 0,2826 0,0977 0,1172 0,0592
x
0
(°)
46,952 47,097 46,984 47,346 47,103
Plano
<220>
Γ (°)
0,0913 0,2004 0,1445 0,2704 0,0592
x
0
(°)
55,710 56,047 55,738 56,148 55,878
Plano
<311>
Γ (°)
0,0923 0,2531 0,1562 0,3722 0,0592
a (Å) 5,4689 10,8922 5,4661 5,4273 5,4539
92
Deve ser reforçado que uma inspeção cuidadosa revelou, como antecipado nas figuras
5.2 (a), 5.3 (a) e 5.4 (a), que existem picos de baixa intensidade referentes à európia, em todas
as amostras tratadas até 900°C. Estes picos não são verificados nos difratogramas das
amostras tratadas mais severamente. Com base nisto, f1 e f2 na figura 5.5 indicam a
existência de uma estrutura cristalográfica relativo à urânia (f1) e a outra à európia (f2).
Em relação às amostras tratadas até 1300°C/1h, a presença de f1 e f3 constitui uma
evidência da presença de duas estruturas tipo fluorita, mas com dois parâmetros de rede
diferentes. As posições dos pares de picos (K
α1
e K
α2
) à esquerda em cada figura são
coincidentes com as posições esperadas para a fase urânia “pura” (ver tabela 5.6), enquanto
que as posições dos pares à direita são referentes à mesma estrutura, mas com um menor
parâmetro de rede. Isto indica a presença de uma solução sólida do tipo (U
1-y
Eu
y
)O
2
.
Com os dados constantes na tabela 5.6, observa-se que, de um modo geral, há um
deslocamento na posição dos picos de f1 (f3), no sentido de aumentar (diminuir) o valor de x
0
ao longo do tratamento térmico. Verifica-se, também, que as larguras de linha de f1 e f3 são
maiores na amostra tratada a 1300°C/1h.
De acordo com estes resultados, deduz-se que: (i) a 900ºC, a fase urânia co-existe com
a európia, (ii) a 1300ºC/1h, duas estruturas, uma de urânia “pura” e outra isomorfa a esta
(solução sólida), constituem a amostra e (iii) a 1750°C/1h, resulta apenas uma solução sólida.
É com base nestas evidências que foram feitos os refinamentos apresentados a seguir.
5.1.3 – Refinamento
As figuras 5.8, 5.9 e 5.10, apresentam os difratogramas refinados das amostras de
UO
2
-Eu
2
O
3
sinterizadas.
Na tabela 5.7, estão os valores dos parâmetros de rede e das frações das fases ou
solução sólidas existentes.
93
Figura 5.8 – Refinamentos dos difratogramas das amostras com 4% de Eu
2
O
3
.
(a)
(b)
(c)
94
Figura 5.9 – Refinamentos dos difratogramas das amostras com 7% de Eu
2
O
3
.
(a)
(b)
(c)
95
Figura 5.10 – Refinamentos dos difratogramas das amostras com 10% de Eu
2
O
3
.
(a)
(b)
(c)
96
Tabela 5.7 – Parâmetros de rede (a) e frações das fases, como obtido do refinamento.
Tratamento térmico 900 ºC 1300 ºC/1h 1750 ºC/1h
Amostra (% Eu
2
O
3
) UO
2
Eu
2
O
3
UO
2
(U
1-y
Eu
y
)O
2
(U
1-x
Eu
x
)O
2
4% 5,46807 10,83801 5,46308 5,41596 5,46222
7% 5,46827 10,85733 5,46409 5,41908 5,45680
a
(Å ±5.10
-5
)
10% 5,46881 10,86143 5,46315 5,41267 5,45066
4% 96,4 3,6 96,8 3,2 100
7% 91,5 8,5 78,9 21,1 100
Fração da
fase (%)
10% 90,3 9,7 74,9 25,1 100
Os dados apresentados na tabela 5.7 revelam, também, que o valor do maior parâmetro
de rede é consistente com o valor atribuído à európia (ver capítulo 2.3).
As variações verificadas nos parâmetros de rede das amostras tratadas a 900ºC e a
1300ºC/1h podem ser atribuídas ao processo de difusão do európio na rede da urânia. Para as
amostras tratadas a 1750 ºC/1h, em particular, os resultados confirmam que, quanto maior a
presença do európio na rede da urânia, menor é o parâmetro de rede da solução sólida (ver
figura 5.11).
4 5 6 7 8 9 1 0
5 ,4 5 0
5 ,4 5 2
5 ,4 5 4
5 ,4 5 6
5 ,4 5 8
5 ,4 6 0
5 ,4 6 2
1 7 5 0 ºC /1 h
(U
1 -x
E u
x
)O
2
Parâmetro de rede (Å)
C o n c e n tra ç ã o in ic ia l d e E u
2
O
3
(% m a s s a )
Figura 5.11 – Parâmetro de rede da solução sólida (f3) em função da concentração inicial de Eu
2
O
3
.
É interessante notar que este resultado coincidiu com o obtido por L. N. Grossman
[03].
97
A figura 5.12 permite uma visualização da evolução das fases ou soluções sólidas com
o transcurso do tratamento térmico.
9 0 0 º C 1 3 0 0 º C /1 h 1 7 5 0 º C /1 h
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
Fração (%)
T ra ta m e n to té r m ic o
(a ) 4 % d e E u
2
O
3
U O
2
E u
2
O
3
(U
1 -x
E u
x
)O
2
9 0 0 ºC 1 3 0 0 º C / 1 h 1 7 5 0 º C /1 h
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
( b ) 7 % d e E u
2
O
3
U O
2
E u
2
O
3
( U
1 - x
E u
x
) O
2
Fração (%)
T r a ta m e n to té r m ic o
9 0 0 º C 1 3 0 0 ºC /1 h 1 7 5 0 º C /1 h
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
(c ) 1 0 % d e E u
2
O
3
U O
2
E u
2
O
3
(U
1 - x
E u
x
)O
2
Fração (%)
T ra ta m e n to té r m ic o
Figura 5.12 – Evolução das fases com o transcurso do tratamento térmico das amostras de UO
2
-Eu
2
O
3
.
Em todos os casos, verifica-se a formação de uma solução sólida (U
1-x
Eu
x
)O
2
, que
ocorre e aumenta as expensas da európia e da urânia.
Após o patamar de 1h e 1300°C, já não existe mais európia, mas ainda sobra urânia.
Para o ponto mais extremo do tratamento térmico, só resta solução sólida. Mesmo a
urânia na forma “pura” foi totalmente exaurida.
98
5.2 – Espectroscopia Mössbauer
Conforme antecipado no capítulo 3.6.5, a literatura reporta, três procedimentos
usualmente utilizados para ajustar os espectros Mössbauer do európio. Um desses
procedimentos, talvez o menos comum, considera intrinsicamente a existência de
desdobramento quadrupolar no Hamiltoniano de interação e todos os parâmetros hiperfinos
pertinentes são livres para variar. Um outro método de ajuste, sub-caso do anterior, é
realizado com a largura natural de linha fixa em 1,33 mm/s. Por fim, alguns ajustes são feitos
atribuindo-se um simples singleto a todo e qualquer sítio de európio, tenha ou não este sítio
simetria cúbica.
Em nossas amostras, os ajustes dos espectros Mössbauer foram feitos, num primeiro
momento, considerando todos os parâmetros hiperfinos “livres”. Este procedimento
efetivamente justifica-se devido ao fato que, na prática, a largura de linha experimental é
ajustada e, geralmente, resulta maior do que a largura de linha natural.
No entanto, com a finalidade de comparar resultados, foram realizados ajustes dentro
das três metodologias acima apresentadas.
Os espectros Mössbauer da európia utilizada neste trabalho e para as amostras UO
2
-
Eu
2
O
3
sinterizadas, estão apresentados nas figuras 5.13, 5.14, 5.15 e 5.16. Os espectros
apresentam os pontos experimentais e as curvas teóricas ajustadas.
Os deslocamentos isoméricos dos espectros medidos são dados em relação à fonte de
151
Sm/SmF
3
.
99
-6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 2
0 ,9 4
0 ,9 6
0 ,9 8
1 ,0 0
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
s itio (d )
s itio (b )
Figura 5.13 – Espectro Mössbauer do Eu
2
O
3
utilizado como precursor.
Para a európia, as áreas relativas dos sub-espectros foram fixadas de acordo com as
populações dos dois sítios, i.e., (1:3).
Os parâmetros hiperfinos obtidos estão listados na tabela 5.8.
Tabela 5.8 – Parâmetros hiperfinos obtidos do espectro Mössbauer para o Eu
2
O
3
.
δ
(mm/s)
eQV
zz
(mm/s)
η
Γ
(mm/s)
Área
(%)
Sitio (d) 0,58 -1,59 0,57 2,49 75,0*
Sitio (b) 1,49 0,01 0* 2,49 25,0*
*parâmetro fixado no ajuste.
Para as amostras tratadas a 900°C, independentemente da fração inicial de európia,
foram considerados para os ajustes, dois sítios (i.e., duas linhas subespectrais aparentes). Para
o restante das amostras, o ajuste foi feito supondo apenas com uma linha subespectral (i.e.,
um só sitio).
Os parâmetros hiperfinos correspondentes aos ajustes obtidos conforme a metodologia
1, estão dispostos na tabela 5.9.
100
A presença de dois sítios nas amostras tratadas a 900°C, ambos com parâmetros
compatíveis com os do sítios da európia (tabela 5.9) revela, em consistência com a difração de
raios-X, que não houve interdifusão da európia na matriz de urânia. Percebe-se grande
proximidade entre os valores de
δ
, eQV
zz
e
Γ
para sítios equivalentes a európia precursora e
nas amostras de UO
2
-Eu
2
O
3
.
Apenas o parâmetro
η
, do sitio (d) que é 50% maior nos compostos sinterizados destoa
de coincidência geral. No entanto
η
para o sítio b é, sempre, ∼0.
Já a existência de um único padrão para o ajuste das amostras tratadas até 1300°C ou
1750°C atende o requisito de uma só fase ou solução sólida, que pode ser considerada em
primeira aproximação, contendo um só sítio para o európio. Assim, o sítio (a), especificado na
tabela, designa o európio em matriz de urânia, podendo este sítio apresentar diferenças quanto
às propriedades de simetria nas diferentes amostras onde ocorre.
101
-6 -4 -2 0 2 4 6
0 ,9 9 3
0 ,9 9 6
0 ,9 9 9
1 ,0 0 2
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e (m m /s )
a ) 4 % - 9 0 0 º C
s itio (d )
s itio (b )
-6 -4 -2 0 2 4 6
0 ,9 9 3
0 ,9 9 6
0 ,9 9 9
1 ,0 0 2
a ) 4 % - 1 3 0 0 º C /1 h
s itio ( a )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e (m m /s )
- 6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
s itio ( a )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
c ) 4 % - 1 7 5 0 º C /1 h
Figura 5.14 – Espectros Mössbauer das amostras com 4% de Eu
2
O
3
.
102
-6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
s itio ( d )
s itio ( b )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
a ) 7 % - 9 0 0 º C
-6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
s itio (a )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
b ) 7 % - 1 3 0 0 º C /1 h
-6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 7 8
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
s itio ( a )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
c ) 7 % -1 7 5 0 ºC /1 h
Figura 5.15 – Espectros Mössbauer das amostras com 7% de Eu
2
O
3
.
103
-6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 7 8
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
s itio ( d )
s itio ( b )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
a ) 1 0 % - 9 0 0 º C
-6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
s itio (a )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
b ) 1 0 % - 1 3 0 0 º C /1 h
-6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
s itio ( a )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e (m m /s )
c ) 1 0 % -1 7 5 0 º C /1 h
Figura 5.16 – Espectros Mössbauer das amostras com 10% de Eu
2
O
3
.
104
Tabela 5.9 – Parâmetros hiperfinos obtidos dos ajustes espectrais.
Amostras Sítios
δ
(mm/s)
eQV
zz
(mm/s)
η
Γ (mm/s)
Área (%)
Sitio (d) 0,42 -1,60* 0,90* 2,49* 64,7
900ºC
Sitio (b) 1,01 0* 0* 2,49* 35,3
1300ºC/1h Sitio (a) 0,28 -1,34* 0* 1,73 100
4%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,25 -0,17 0,03 2,01 100
Sitio (d) 0,58 -1,62 0,89 2,49 60,3
900ºC
Sitio (b) 1,49 -0,02 0* 2,49 39,7
1300ºC/1h Sitio (a) 0,36 -1,34 0 1,92 100
7%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,30 0,01 0 1,95 100
Sitio (d) 0,49 -1,60 0,90 2,51 71,4
900ºC
Sitio (b) 1,41 0,01 0,01 2,48 28,6
1300ºC/1h Sitio (a) 0,39 -1,03 0 2,17 100
10%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,30 0,01 0 1,96 100
*parâmetro fixado no ajuste.
As amostras tratadas a 1300°C/1h apresentam valores significativamente menores para
o desdobramento quadrupolar, quando comparado com o sítio (d) da európia o que ocorre,
igualmente para o
δ
.
Para as amostras tratadas a 1750°C verifica-se, pelo desdobramento quadrupolar e
parâmetro de assimetria, que o európio ocupa um sítio bem simétrico, que a julgar pelos
difratogramas de raios-X, são cúbico.
Ressalte-se que algumas amostras foram medidas com velocidades máximas maiores
do que as apresentadas nos espectros, a fim de verificar a existência de Eu
+2
. No entanto,
todos os valores obtidos para deslocamentos isoméricos indicam que o európio possui,
mesmo, apenas valência +3.
105
Apresentaremos agora alguns resultados selecionados de espectroscopia Mössbauer
considerando no Hamiltoniano existência de interação quadrupolar e de assimetria axial, mas
com a largura de linha fixa em 1,33 mm/s.
Os espectros Mössbauer da európia e das amostras sinterizadas com 7% em massa de
Eu
2
O
3
estão mostrados nas figuras 5.17 e 5.18, respectivamente.
Os parâmetros hiperfinos obtidos estão listados nas tabelas 5.10 e 5.11.
-6 -4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 2
0 ,9 4
0 ,9 6
0 ,9 8
1 ,0 0
s itio (d )
s itio (b )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
Figura 5.17 – Espectro Mössbauer do Eu
2
O
3
.
Tabela 5.10 – Parâmetros hiperfinos obtidos do espectro Mössbauer para o Eu
2
O
3
.
δ
(mm/s)
eQV
zz
(mm/s)
η
Área
(%)
Sitio (d) 0,66 -3,72 0,90* 75,0*
Sitio (b) 1,58 -4,92 0* 25,0*
*parâmetro fixado no ajuste.
106
-6 -4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e (m m /s )
a ) 7 % - 9 0 0 º C
s itio ( d )
s itio ( b )
-6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
s itio ( a )
b ) 7 % - 1 3 0 0 º C /1 h
-6 - 4 -2 0 2 4 6
0 ,9 7 8
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
c ) 7 % - 1 7 5 0 º C /1 h
s itio ( a )
Figura 5.18 – Espectros Mössbauer das amostras com 7% de Eu
2
O
3
.
107
Como era de se esperar, os valores de eQV
zz
são bem mais altos que os obtidos com a
metodologia anterior de ajuste.
Para a európia, as áreas dos subspectros foram vinculadas mais uma vez, de acordo
com as populações dos sítios. O ajuste mostrou-se de difícil convergência, sendo necessário
também fixar os valores de
η
para cada sítio. Verifica-se que a curva teórica da európia não
resulta num ajuste satisfatório da medida, conforme mostrado na figura 5.17.
Tabela 5.11 – Parâmetros hiperfinos obtidos dos ajustes espectrais.
Amostras Sítios
δ
(mm/s)
eQV
zz
(mm/s)
η
Sitio (d) 0,36 -2,76 0,90*
900ºC
Sitio (b) 1,84 -3,50 0*
1300ºC/1h Sitio (a) 0,31 -2,09 0,45*
4%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,30 -2,31 0*
Sitio (d) 0,54 -2,83 0,90*
900ºC
Sitio (b) 1,76 -3,16 0*
1300ºC/1h Sitio (a) 0,40 -2,52 0,45*
7%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,39 -2,16 0*
Sitio (d) 0,51 -2,60 0,90*
900ºC
Sitio (b) 1,81 -2,54 0*
1300ºC/1h Sitio (a) 0,45 -2,70 0,45*
10%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,36 -2,31 0*
*parâmetro fixado no programa de ajuste.
Devido, igualmente, à dificuldade de ajustar-se os espectros Mössbauer com a largura
de linha fixada em 1,33 mm/s, foi vinculada a razão entre as áreas das amostras tratadas a
900ºC (3:1), e de novo, os valores para os parâmetros de assimetria do sítio “d” (este
assimétrico de acordo com o cálculo pelo modelo de cargas puntuais).
108
Nota-se, também, que não há uma variação significativa para o deslocamento
isomérico, quando comparado com o outro procedimento de ajuste. No entanto, os valores
para o eQV
zz
aumenta consideravelmente principalmente para os sítios “b” e “a”.
Para as amostras tratadas a 1300°C/1h, foi considerado um valor médio (efetivo) para
o parâmetro de assimetria.
Os ajustes dos espectros Mössbauer da európia e das amostras sinterizadas com 7%
em massa de Eu
2
O
3
, utilizando singletos como componentes subspectrais, estão apresentados
nas figuras 5.19 e 5.20 respectivamente.
Os parâmetros hiperfinos obtidos estão listados na tabela 5.12 e 5.13.
-6 -4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 2
0 ,9 4
0 ,9 6
0 ,9 8
1 ,0 0
s itio ( d )
s itio ( b )
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e (m m /s )
Figura 5.19 – Espectro Mössbauer do Eu
2
O
3
.
Tabela 5.12 – Parâmetros hiperfinos do Eu
2
O
3
.
δ
(mm/s)
Γ
(mm/s)
Área
(%)
Sitio d 0,54 2,67 75,0*
Sitio b 1,51 2,21 25,0*
*parâmetro fixado no ajuste.
109
-6 -4 -2 0 2 4 6
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e (m m /s )
s itio ( d )
s itio ( b )
a ) 7 % -9 0 0 º C
- 6 - 4 - 2 0 2 4 6
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
b ) 7 % - 1 3 0 0 º C /1 h
s itio ( a )
-6 -4 -2 0 2 4 6
0 ,9 7 8
0 ,9 8 4
0 ,9 9 0
0 ,9 9 6
1 ,0 0 2
Transmissão Relativa
V e lo c id a d e ( m m /s )
c ) 7 % - 1 7 5 0 ºC /1 h
s itio (a )
Figura 5.20 – Espectros Mössbauer das amostras com 7% de Eu
2
O
3
.
110
Tabela 5.13 – Parâmetros hiperfinos obtidos dos ajustes espectrais.
Amostras Sítios
δ
(mm/s) Γ (mm/s)
Sitio (d) 0,41 2,51
900ºC
Sitio (b) 1,33 2,31
1300ºC/1h Sitio (a) 0,28 1,93
4%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,25 2,02
Sitio (d) 0,60 2,37
900ºC
Sitio (b) 1,43 2,37
1300ºC/1h Sitio (a) 0,35 2,11
7%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,34 1,95
Sitio (d) 0,53 2,46
900ºC
Sitio (b) 1,46 2,09
1300ºC/1h Sitio (a) 0,38 2,28
10%
1750ºC/1h Sitio (a) 0,30 1,96
*parâmetro fixado no programa de ajuste.
Neste caso, não há uma variação considerável para os valores de deslocamento
isomérico e largura de linha comparado com os ajustes obtidos segundo a metodologia 1,
(tabela 5.9).
Segundo Toshibide Tsuji et al. [02], larguras de linhas menores do que 2,30 mm/s em
ajustes com singletos indicam que o európio está em um sítio cúbico.
Para as amostras tratadas a 900ºC, cujas áreas subspectrais foram fixadas na razão 3:1,
os valores obtidos para a largura de linha sugerem segundo Toshibide, que o európio, em
geral, não ocupa um sítio cúbico.
E para as amostras tratadas a 1300ºC/1h e 1750ºC/1h, verifica-se pela largura de linha,
que o európio ocupa um sítio de simetria cúbica.
111
6 – CONCLUSÕES
Para as amostras tratadas até 900°C, a urânia co-existe com a európia, ou seja, a
európia permanece não-reagida, independentemente da concentração inicial;
Para as amostras tratadas até o ponto intermediário do tratamento térmico, isto é, até,
imediatamente após o patamar de 1h a 1300°C, verifica-se duas estruturas isomorfas, do tipo
fluorita, uma correspondendo à urânia “pura” e outra a uma solução sólida (U
1-y
Eu
y
)O
2
produzida por uma reação de interdifusão da európia na urânia;
Após a condição mais severa da sinterização, ou seja, após 1h a 1750°C, a európia é
completamente dissolvida na urânia, resultando apenas uma solução sólida, com a urânia
precursora totalmente exaurida;
O parâmetro de rede das soluções sólidas (U
1-x
Eu
x
)O
2
decresce com a concentração
inicial de európia;
A espectroscopia Mössbauer indicou que, no extremo do ciclo térmico, o európio
ocupa um sítio de simetria cúbica, como substitucional do urânio na rede da urânia;
Os resultados Mössbauer obtidos mostraram, ainda, que ajustes com um Hamiltoniano
de interação que inclui o desdobramento quadrupolar produzem resultados mais confiáveis
que os obtidos por métodos que restringem a existência da interação quadrupolar ou de
variação na largura de linha.
112
7 – APÊNDICES
A – Densidades das Amostras
Em todas as amostras, foram realizadas medidas de massa e volume, para a obtenção
das densidades geométricas nas pastilhas verdes e nas pastilhas sinterizadas.
Para as amostras sinterizadas a 1750 °C/1h, foram feitas medidas de volume
hidrostático, obtendo-se assim as densidades hidrostáticas, e também a porcentagem de poros
abertos.
Devido às pastilhas sinterizadas a 900 ºC e 1300 ºC / 1h, não apresentarem resistência
mecânica adequada, não foi possível realizar as medidas de volume hidrostático.
Considerou-se a média dos valores obtidos para as densidades e poros abertos de duas
pastilhas submetidas sobre as mesmas condições de preparo.
Tabela A.1 – Valores obtidos para as densidades e poros abertos.
Densidade geométrica
Sinterização
Condição
da mistura
Pastilhas
verdes
(g/cm3)
Pastilhas
sinterizada
(g/cm3)
Densidade
hidrostática
Pastilhas
sinterizada
(g/cm3)
Poros
Abertos
(%)
4% 5,635 5,565 ------- -------
7% 5,610 5,520 ------- -------
900°C
10% 5,490 5,825 ------- -------
4% 5,590 7,970 ------- -------
7% 5,545 7,105 ------- -------
1300°C / 1h
10% 5,525 6,840 ------- -------
4% 5,610 10,145 9,840 4,725
7% 5,625 9,550 9,310 10,290
1750°C / 1h
10% 5,410 8,890 8,790 15,655
113
Com os dados da tabela A.1 foram construídos os gráficos das figuras A.1 e A.2.
9 0 0 º C 1 3 0 0 º C / 1 h 1 7 5 0 º C / 1 h
5
6
7
8
9
1 0
Densidade geométrica (g/cm
3
)
T r a t a m e n t o T é r m i c o
4 %
7 %
1 0 %
Figura A.1 – Densidade geométrica versus tratamento térmico das pastilhas sinterizadas.
4 5 6 7 8 9 1 0
8 , 8
9 , 0
9 , 2
9 , 4
9 , 6
9 , 8
1 0 , 0
1 0 , 2
Densidade (g/cm
3
)
C o n c e n t r a ç ã o e m m a s s a d e E u
2
O
3
( % )
d e n s i d a d e h i d r o s t á t i c a
d e n s i d a d e g e o m é t r i c a
1 7 5 0 C / 1 h
Figura A.2 – Densidade hidrostática versus concentração em massa de Eu
2
O
3
das pastilhas tratadas a 1750°C/1h.
Nota-se na figura A.1 que, em todas as amostras, a densidade aumenta com tratamento
térmico, e diminui (figura A.2) conforme a concentração de Eu
2
O
3
aumenta.
114
B – Difusividade Térmica
Foram realizadas medidas de difusividade térmica, no Laboratório de Materiais
Nucleares do CTMSP, apenas para as amostras tratadas a 1750°C/1h e os valores obtidos
estão dispostos na tabela B.1.
Tabela B.1 – Valores obtidos para a difusividade térmica.
Difusividade (cm3/s)
Temperatura (ºC)
4% de Eu2O3 7% de Eu2O3 10% de Eu2O3
100 0,01492 0,01202 0,00943
300 0,01098 0,00830 0,00721
500 0,00887 0,00786 0,00686
700 0,00827 0,00710 0,00618
900 0,00703 0,00648 0,00559
1100 0,00605 0,00553 0,00478
1300 0,00611 ---------- ----------
1500 0,00430 ---------- ----------
A partir destes dados foram construídos os gráficos das figuras B.1 e B.2.
0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0
0 , 0 0 4
0 , 0 0 6
0 , 0 0 8
0 , 0 1 0
0 , 0 1 2
0 , 0 1 4
0 , 0 1 6
Difusividade Térmica (cm
3
/s)
T e m p e r a t u r a ( º C )
4 % d e E u
2
O
3
7 % d e E u
2
O
3
1 0 % d e E u
2
O
3
Figura B.1 – Difusividade térmica versus temperatura das pastilhas tratadas a 1750°C/1h..
115
4 5 6 7 8 9 1 0
0 ,0 0 6
0 ,0 0 8
0 ,0 1 0
0 ,0 1 2
0 ,0 1 4
Difusividade Térmica (cm
3
/s)
C o n c e n t r a ç ã o e m m a s s a d e E u
2
O
3
( % )
1 0 0 º C
3 0 0 º C
5 0 0 º C
7 0 0 º C
9 0 0 º C
1 1 0 0 º C
Figura B.2 – Difusividade térmica versus concentração em massa de Eu
2
O
3
.
Verifica-se na figura B.1 que, em todas as amostras, a difusividade térmica diminui
com a temperatura. Além disso, a figura B.2 mostra que, quanto maior é a concentração,
menor é o valor da difusividade térmica. Nota-se, ainda, que para altas temperaturas a
difusividade não muda significativamente com a concentração.
Este comportamento pode ser explicado como conseqüência da formação da solução
sólida (U
1-y
,Eu
y
)O
2
. A substituição do íon U
4+
por Eu
3+
faz com que os átomos de urânio
sejam oxidados para uma valência maior, ou vacâncias de oxigênios são formadas na sub-rede
de anions para manter a eletroneutralidade [38].
Assim, considerando que a estrutura da solução sólida contém defeitos (vacâncias ou
poros), devido à adição dos cátions “dopantes”, pode-se conferir a isto um fator para a
redução da condutividade térmica ao longo da concentração. Valores obtidos para as
densidades e poros abertos destas amostras (apêndice A) revelam a forte correlação entre os
fatores de densidade, poros abertos e difusividade térmica.
116
8 – REFERÊNCIAS
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2
-Gd
2
O
3
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0,7
Eu
0,3
O
2±
±±
±x
and Rhombohedral Eu
6
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12±
±±
±x
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