Mössbauer hatás

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. november 13-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 7 szerkesztést igényelnek .

A Mössbauer-effektus vagy a mag-gamma-rezonancia a gamma-kvantumok  kibocsátása vagy elnyelése az atommagok által szilárd testben, amelyet nem kísér a test rezgési energiájának változása, azaz fononok kibocsátása vagy elnyelése .

Más szóval, a Mössbauer-effektus a gamma-kvantumok rezonáns emissziója és abszorpciója az atommagok által, anélkül, hogy visszaütnének az emittáló és/vagy elnyelő magtól, ha az atommagok a kristályrácsban vannak. Ebben az esetben a teljes visszarúgás impulzus átkerül a teljes kristályra, amelynek tömege sok nagyságrenddel nagyobb, mint egy atommag tömege, és ezért a gamma-kvantum frekvenciájának eltolódása az emissziós és abszorpciós aktusokban elhanyagolható.

A hatás alapvetően kvantummechanikai jellegű, és kristályos , amorf és por alakú anyagokban figyelhető meg.

2019-ben a Mössbauer-effektust 46 elem 87 izotópjában figyelték meg  – ezek az úgynevezett Mössbauer-izotópok .

A hatás felfedezéséért Rudolf Mössbauer 1961 - ben fizikai Nobel-díjat kapott.

Felfedezési előzmények

Korábban megfigyelték a fotonok rezonáns abszorpcióját az optikai tartományban , például egy nátrium-dublett rezonáns abszorpcióját . Feltételezhető, hogy ugyanaz a rezonancia-abszorpció található a gamma-sugaraknál is, amelyek az atommagok diszkrét energiaszintjei közötti átmenetekből származnak, ellentétben a röntgensugárzással, amelyet általában az atomok belső elektronhéjának elektronátmenetei hoznak létre.

De a gamma-sugárzás gázokban történő elnyelése során a magrezonancia megfigyelésére tett kísérletek kudarcot vallottak a sugárzó mag visszarúgásának energiavesztesége miatt, ami a Doppler-effektus miatt a gamma-sugarak frekvenciáját túllépi a nagyon szűk sugárzás frekvenciáját. az atommagok spektrális abszorpciós vonala, és megakadályozza a rezonáns abszorpciót (a Doppler-effektus a gamma-sugárzás keskeny vonalát is kiterjeszti az atommagok hőmozgása miatt).

A hatást 1957-ben fedezték fel , más források szerint 1958-ban Rudolf Mössbauer , a Max Planck Társaság Orvosi Kutatóintézetében , Heidelbergben (Németország).

Mössbauernek sikerült kimutatnia a gamma-sugárzás irídium atommagok általi rezonanciaelnyelését szilárd testben, ami felvetette a kérdést, hogy miért lehetséges a gamma-rezonancia-abszorpció szilárd testekben, de miért nem gázokban.

Mössbauer azt javasolta, hogy a szilárd test kristályrácsában lévő atomok esetében bizonyos körülmények között a gamma-sugárzás sugárzás-elnyelése úgy is megtörténhet, hogy az atommagok gyakorlatilag visszarúgás nélkül történnek. A megfigyelt rezonancia-abszorpciót a gamma-sugár impulzusának az egész kristályra való átvitelével magyarázta.

Ezért a felfedezésért Mössbauer 1961-ben fizikai Nobel-díjat kapott Robert Hofstadterrel együtt , aki az elektronok atommagok általi szórását tanulmányozta.

A hatás természete

Gamma-kvantum kibocsátásakor vagy elnyelésekor az impulzusmegmaradás törvénye szerint egy M tömegű szabad atommag p = E 0 / c visszarúgási lendületet kap, és ennek megfelelő visszarúgási energiát R = p 2 /(2 M ) . A kibocsátott gamma-kvantum energiája azonos értékkel kisebbnek bizonyul az E 0 nukleáris szintek közötti energiakülönbséghez képest, és az E 0 + R energiájú fotonoknál rezonancia-abszorpció figyelhető meg . Ennek eredményeként azonos magok esetében az emissziós és az abszorpciós vonalakat 2 R választja el , és a rezonanciafeltétel csak akkor teljesülhet, ha ezek a vonalak egybeesnek vagy részben átfedik egymást. Gázokban a visszarúgási energiát egy sugárzó M tömegű mag veszi fel , míg szilárd anyagokban a fononok gerjesztésének folyamatain túlmenően bizonyos körülmények között csak egy atom vagy egy kis atomcsoport elmozdulása válik valószínűtlen, és a visszarúgás lendülete az egész kristályt megtapasztalhatja . A nagyszámú atomot tartalmazó kristály tömege sok nagyságrenddel nagyobb, mint az atommag tömege, ezért R értéke elhanyagolhatóvá válik. A gamma-kvantumok visszarúgás nélküli emissziós és abszorpciós folyamataiban a fotonok energiája megegyezik a spektrumvonal természetes szélességével .

A hatás értelmezése

2000-ben a Hyperfine Interactions folyóiratban [1] Mössbauer képletesen értelmezte a hatást:

A helyzet... hasonlít egy emberre, aki egy követ céloz meg egy csónakból. A lendület megmaradásának törvénye szerint az energia nagy részét egy könnyű kő fogadja, de a dobás energiájának egy kis része a visszaérkező hajó mozgási energiájába kerül. Nyáron a hajó egyszerűen elér egy bizonyos mértékű mozgást , amely megfelel a visszarúgásnak, és a dobás irányával ellentétes irányban vitorlázik. Télen azonban, amikor a tó befagy, jég tartja a csónakot , és a dobás szinte teljes energiája a kőre száll át, a csónak (a befagyott tóval és annak partjaival együtt) elenyésző részét kapja energiát dobni. Így a visszarúgás nem csak a csónakra, hanem az egész tóra továbbítódik, a dobás pedig "visszarúgás nélkül" történik.

Ha az embert úgy képezik ki, hogy mindig ugyanannyi energiát költ egy dobásra, és kemény talajon el tud találni egy távoli, attól azonos távolságra álló célpontot, akkor csónakból követ dobva , a visszarúgás "rossz dobáshoz" vezet. A termikus kiszélesedés ebben az ábrázolásban egy hullámnak felel meg a tavon, ami növeli a célzott kidobott kövek terjedését, és a sportoló elkerülhetetlen saját, ki nem kényszerített hibáit a dobások természetes terjedése vagy csoportosítása jellemzi, hasonlóan a kibocsátás természetes szélességéhez. /abszorpciós spektrumvonal és az atommag megfelelő gerjesztett állapotának élettartama.

Mössbauer izotópok

Mössbauer izotópok az elemek periódusos rendszerében
(háttérszínnel kiemelve)
H Ő
Li Lenni B C N O F Ne
Na mg Al Si P S Cl Ar
40K_ _ kb sc Ti V Kr Mn 57 Fe _ co 61Ni 63Ni _ _ Cu 67 Zn Ga 73 Ge Mint Se Br 80 kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo 99Tc_ _ 99 Ru 101 Ru Rh Pd 107 Ag 109 Ag CD Ban ben 117 Sn 119 Sn 121 Sb 125 Te 127 I 129 I 129 Xe 131 Xe
133 Cs _ 133 Ba * 176 Hf 177 Hf 178 Hf 180 Hf 181 Ta 180W 181W 182W 183W 184W 186W _ _ _ _ _ _ 187 Re 186 Os 188 Os 189 Os 190 Os 191 Ir 193 Ir 195Pt 196Pt _ _ 197 Au 199 Hg 201 Hg Tl Pb Kettős Po Nál nél Rn
Fr Ra ** RF Db Sg bh hs Mt Ds Rg Cn Nh fl Mc Lv Ts Og
* 139la _ Ce 141 Pr 145. _ 145 óra 147 óra 147 cm 149 cm 151 cm 152 cm 153 cm 154 cm 151 Eu 153 Eu 154 Gd 155 Gd 156 Gd 157 Gd 158 Gd 160 Gd 159 Tb 160 Dy 161 Dy 162 Dy 164 Dy 165 Ho 164 Er 166 Er 167 Er 168 Er 170 Er 169 Tm 170 Yb 171 Yb 172 Yb 173 Yb 174 Yb 176 Yb 175 Lu
** AC 232. _ 231 Pa _ 234 U 236 U 238 U 237 Np _ 239 Pu 240 Pu 243 óra cm bk vö Es fm md nem lr

A hatás felfedezése és jelentése

Háttér

1852 körül J. G. Stokes figyelte meg először a fluoreszcenciát  – a beeső fény fluorit általi elnyelését, majd ezt követően egy abszorber által kibocsátott fényt. Ezt követően hasonló vizsgálatokat végeztek különböző anyagokkal.

1900-ban P. Villard felfedezte a gamma-sugarakat – a nagy fotonenergiájú rádium által kibocsátott monokromatikus elektromágneses sugárzást .

1904-ben R. Wood rezonáns optikai fluoreszcenciát mutatott be , amelyet az elnyelt fényenergia azonos frekvenciájú sugárzás formájában történő kibocsátása jellemez . Különösen széles körben ismert az általa vizsgált sárga nátrium- dublett rezonáns fluoreszcenciája .

Várakozás

1929-ben W. Kuhn felvetette a lehetőséget, és kísérletet tett a gamma-sugárzás rezonáns abszorpciójának megfigyelésére, mint az optikai fluoreszcencia analógjára a magfizikában. A gamma-sugárzás rezonáns abszorpciójának kimutatására tett kísérletek stacioner forrással és elnyelővel végzett kísérletekben sikertelenek voltak. Kuhn munkája azonban értékes, mert ebben a svájci fizikai kémikus megpróbálta elemezni kudarcának okait, és három fő forrást azonosított a felszívódás gyengülésében:

… A harmadik hozzájárulás, amely csökkenti az abszorpciót, a gamma-sugárzás folyamatával kapcsolatban merül fel. A kibocsátó atom visszarúgást tapasztal a gamma-sugárzás kibocsátása miatt. A sugárzás hullámhossza tehát vöröseltolódott ; az emissziós vonal eltolódik az abszorpciós vonalhoz képest ... Ezért lehetséges, hogy jelentős gamma-eltolódás miatt a teljes emissziós vonal elhagyja az abszorpciós vonal tartományát ...

Kuhn azonban itt csak az emissziós vonal eltolódását és kiszélesedését vette figyelembe, nem figyelt a Doppler-effektusra és az atommag visszarúgására a gamma-foton abszorpciója során .

Felfedezés

1950-1951-ben F. B. Moon brit fizikus publikált egy cikket, amelyben először írta le a hatás kísérleti megfigyelését. A kísérlet ötlete az volt, hogy a 198 Au gamma sugárforrást egy ultracentrifugára helyezzük , így kompenzáljuk a visszarúgási energiát a spektrumvonal Doppler-eltolásával . A megfigyelt hatást a gamma-sugárzás rezonáns magszórásának tekintve rezonáns magfluoreszcenciát írt le.

Körülbelül ugyanebben az időben a svéd tudós, K. Malmfurs a gamma-sugarak elnyelését vizsgálta ugyanabban a 198 Au és 198 Hg kombinációban, és megpróbálta növelni az abszorpciót a hővonal kiszélesedése miatt, az arany fújólámpa lángjában történő hevítésével. Valóban, az olvasmányok száma kissé nőtt, erről Malmfurs beszámolt cikkében[ hol? ] hogy

... A rezonanciahatás feltétele azokban az esetekben teljesül, amikor a hősebesség [forrás] az abszorber felé irányuló komponense, amely a szóróanyag (higany) felé irányul, kompenzálja az atommag visszarúgását ...

Indoklás

1953-ban G. Maier-Leibniz , a Müncheni Műszaki Egyetem professzora végzős hallgatóját, Rudolf Mössbauert jelölte meg diplomamunkájának témájával: a Malmfurs által 191 Os segítségével megkezdett hőmérsékletfüggő gamma-abszorpciós tanulmányok folytatása. és további feladatként az ozmium-191 béta-bomlási energiájának ismeretlen értékének időpontjának meghatározása. Mössbauer mesterdolgozatának megvédése után Mayer-Leibniz felkérte, hogy folytassa a témával kapcsolatos munkáját, és a Max Planck Társaság Heidelbergi Orvostudományi Kutatóintézetében doktori disszertációt ( PhD ) készít . A felügyelő kitartó utasítása ellenére, hogy kövessék a Malmfurs-módszert, és magas hőmérsékleten keressenek átfedő emissziós és abszorpciós vonalakat, Mössbauer függetlenséget mutatott, és úgy számolt, hogy kényelmesebb lenne a minták folyékony nitrogénre történő hűtésére szolgáló kriosztátot tervezni. hőmérséklet . Ugyanakkor az abszorpció olyan hőmérséklet-függésének megfigyelésére számított, amelynél a vonalak átfedése gyengébb lesz, és az abszorberen áthaladó gamma-sugárzás számlálási sebessége növekedni fog. Miután az ellenkező eredményt, vagyis a rezonáns nukleáris gamma-fluoreszcencia növekedését kapta, leküzdötte a túlzott szkepticizmust, és gondosan mérlegelte az eredményt. Ennek eredményeként Mössbauer rájött, hogy az atommagok szabad részecskékként való kisugárzásának és elnyelésének az alkalmazott félklasszikus koncepciója nem alkalmas szilárd anyagokra : a kristályokban az atomok erősen kötődnek egymáshoz, és alapvetően kvantum viselkedés jellemzi őket [2] [3] [4 ] .

Elismerés

1961-ben a nukleáris gamma-rezonancia jelenségének felfedezéséért és elméleti igazolásáért R. L. Mössbauer fizikai Nobel-díjat kapott ( R. Hofstadterrel együtt , aki az elektronok atommagok általi szórásával kapcsolatos kutatásaiért kapta a díjat). megfogalmazás: A gamma-sugárzás rezonancia-abszorpciójával kapcsolatos kutatásaiért és ezzel összefüggésben a nevét viselő hatás felfedezéséért .

A Mössbauer-effektus alkalmazásai

A Mössbauer-effektus kutatási módszerként való alkalmazását kiváltó tulajdonság az emissziós vonal kis szélessége, amely kisebb, mint az atommag mágneses dipólus és elektromos kvadrupólus kölcsönhatási energiáinak karakterisztikus értékei a héjelektronokkal . 6] [7] . Így például az elektronhéj elektronjainak mágneses mezőjének az atommagra gyakorolt ​​hatása a vas-57 atommagok rezonancia-abszorpciójának gamma-spektrumának 6 spektrumvonalra való felosztását okozza, ezeknek a vonalaknak a helyzete és profilja függ. a vas-57 atommag kémiai környezetére a szomszédos atomok elektronhéjak hatására, ami lehetővé teszi a molekulák és a kristályrácsok szerkezetének részleteinek megállapítását.

A nukleáris gamma-rezonancia ( rezonáns szerkezeti analízis ) módszerét a fizikai anyagtudományban , kémiában , ásványtanban és biológiában alkalmazzák (például a fehérjék Fe-tartalmú csoportjainak tulajdonságainak elemzésére ). A sugárzáselnyelés hatását fokozza a minta Mössbauer izotópokkal való dúsítása , növelve például a kísérleti állatok táplálékának 57 Fe-tartalmát. Az ásványtanban a Mössbauer-effektust elsősorban a Fe-ionok szerkezeti helyzetének meghatározására, valamint a vas oxidációs állapotának meghatározására használják.

A Mössbauer-effektuson alapuló kísérletek

A Mössbauer-effektus egyik lenyűgöző alkalmazása Pound és Rebka híres kísérlete volt , akik 1960-ban laboratóriumban megmérték a gamma-sugarak gravitációs vöröseltolódását, amelyet az általános relativitáselmélet megjósolt .

Jegyzetek

  1. ↑ Rudolf L. Mössbauer . A Mössbauer-effektus felfedezése  (angol)  // Hiperfinom kölcsönhatások . - 2010. - 20. évf. 126. - P. 1-12. - doi : 10.1023/A:1012620106837 .
  2. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung in Ir 191  (német)  // Zeitschrift für Physik. - 1958. - Bd. 151. sz . 2 . - S. 124-143 . — ISSN 1434-6001 . - doi : 10.1007/BF01344210 .
  3. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzabsorption von γ -strahlung in Ir 191  (német)  // Zeitschrift für Naturforschung A. - 1959. - Bd. 14a . - S. 211-216 . .
  4. ↑ Kagan, 1962 , p. 48-84.
  5. ↑ Fizikai Nobel-díj 1961
  6. ↑ Wertheim, 1966 , p. 19.
  7. ↑ Shirokov, 1972 , p. 257.

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban