Quadrupolaufspaltung

Quadrupolaufspaltung bezeichnet die Aufspaltung oder Verschiebung von Kernenergieniveaus infolge der quadrupolaren Wechselwirkung des Kernquadrupolmoments Q mit dem elektrischen Feldgradienten (EFG) der Umgebung. Nur Kerne mit Spin I > 1/2 besitzen ein nicht verschwindendes quadrupolares Moment und können von dieser Wechselwirkung beeinflusst werden. Der EFG ist ein zweitrangiger Tensor, der die lokale Ladungsverteilung um den Kern beschreibt. In der Regel besitzt er Hauptachsen V_xx, V_yy, V_zz mit der Eigenschaft V_xx + V_yy + V_zz = 0 und dem Asymmetrieparameter η = (V_xx − V_yy)/V_zz, wobei 0 ≤ η ≤ 1 maßgeblich ist. Die quadrupolare Hamiltonfunktion führt zu Energieverschiebungen der Kernzustände, wodurch sich typischerweise eine Aufspaltung oder eine charakteristische Linienstruktur ergibt.

In der Mößbauer-Spektroskopie (und speziell für geeignete Isotope wie 57Fe) zeigt sich die Quadrupolaufspaltung als Aufspaltung der Resonanzlinie in Abhängigkeit von der Orientierung des EFG am Kern und des Übergangs. In der festen kernspin-NMR führt die Wechselwirkung zu Linienaufspaltungen oder -breiten; bei Pulverproben ergibt sich oft ein Pake-Doppeltsignal, dessen Trennungsgröße proportional zu eQV_zz ist.

Ursachen der EFG sind Ungleichverteilungen der Elektronendichte, lokale Kristallumgebungen, Bonding und Defekte. Die Temperatur kann die EFG über Gitter- und Elektronenumstruktur verändern und so Δ ändern. Quadrupolaufspaltung wird genutzt, um Informationen über Koordination, Symmetrie und Valenzzustände von Atomen in Festkörpern zu gewinnen; gängige Beispiele betreffen Kerne wie 57Fe, 119Sn, 27Al und 51V.