Mössbauer-efekti

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 13.11.2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 7 muokkausta .

Mössbauer-ilmiö eli ydingammaresonanssi on gamma-kvanttien  emissio tai absorptio atomiytimien toimesta kiinteässä kappaleessa, johon ei liity kehon värähtelyenergian muutosta eli fononien emissiota tai absorptiota .

Toisin sanoen Mössbauer-ilmiö on ytimien resonanssiemissio ja gamma-kvanttien absorptio ilman rekyyliä emittoivasta ja/tai absorboivasta ytimestä, jos ytimet ovat kidehilassa. Tällöin koko rekyylimomentti siirtyy koko kiteen, jonka massa on monta suuruusluokkaa suurempi kuin yhden ytimen massa, ja siksi gamma-kvantin taajuuden muutos emissio- ja absorptioteknissä. on mitätön.

Vaikutus on luonteeltaan olennaisesti kvanttimekaaninen , ja se havaitaan kiteisissä , amorfisissa ja jauhemaisissa aineissa.

Vuodesta 2019 lähtien Mössbauer-ilmiö havaittiin 87 isotoopissa 46 alkuaineesta  - niin kutsutuissa Mössbauer-isotoopeissa .

Vaikutuksen löytämisestä Rudolf Mössbauerille myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 1961 .

Löytöhistoria

Fotonien resonanssiabsorptio optisella alueella , esimerkiksi natriumdupletin resonanssiabsorptio , on havaittu aiemmin. Voidaan olettaa, että sama resonanssiabsorptio löytyisi gammasäteistä, jotka syntyvät ytimien diskreettien energiatasojen välisistä siirtymistä, toisin kuin röntgensäteillä, joita yleensä tuottavat elektroniset siirtymät atomien sisäisten elektronikuorten sisällä.

Mutta yritykset tarkkailla ydinresonanssia gammasäteilyn absorption aikana kaasuissa epäonnistuivat, koska säteilevän ytimen rekyyliin menetettiin energiaa, mikä Doppler-ilmiön vuoksi siirtää gammasäteiden taajuuden yli erittäin kapean ytimen taajuuden. ytimien spektrin absorptioviiva ja estää resonanssiabsorptiota (Doppler-ilmiö laajentaa myös kapeaa gammasäteilyviivaa ytimien lämpöliikkeen vuoksi).

Vaikutus havaittiin vuonna 1957 Muiden lähteiden mukaan vuonna 1958 Rudolf Mössbauer Max Planck Societyn lääketieteellisen tutkimuksen instituutista Heidelbergissä (Saksa).

Mössbauer onnistui havaitsemaan iridiumytimien gammasäteilyn resonanssiabsorption kiinteässä aineessa, mikä herätti kysymyksen, miksi gamma-resonanssiabsorptio on mahdollista kiinteissä aineissa, mutta ei kaasuissa.

Mössbauer ehdotti, että atomien tapauksessa kiinteän aineen kidehilassa tietyissä olosuhteissa osa gammasäteiden säteilyn absorptiosta voi tapahtua käytännössä ilman ytimien rekyyliä. Hän selitti havaitun resonanssiabsorption gammasäteilyn liikemäärän siirtymisellä koko kiteen.

Tästä löydöstä Mössbauer sai fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1961 yhdessä Robert Hofstadterin kanssa , joka tutki elektronien sirontaa atomiytimissä.

Vaikutuksen luonne

Säteileessään tai absorboiessaan gamma-kvanttia liikemäärän säilymislain mukaan vapaa ydin, jonka massa on M , saa rekyylimäärän p = E 0 / c ja tätä liikemäärää vastaavan rekyylienergian R = p 2 /(2 M ) . Emitoituneen gamma-kvantin energia osoittautuu samalla arvolla pienemmäksi verrattuna ydintasojen E 0 väliseen energiaeroon , ja resonanssiabsorptio havaitaan fotoneilla, joiden energia on yhtä suuri kuin E 0 + R. Tämän seurauksena identtisillä ytimillä emissio- ja absorptioviivat erotetaan toisistaan ​​2 R :llä , ja resonanssiehto voidaan täyttää vain, jos nämä viivat ovat yhteneväisiä tai osittain päällekkäisiä. Kaasuissa rekyylienergian vastaanottaa yksi säteilevä ydin, jonka massa on M , kun taas kiinteissä aineissa niiden prosessien lisäksi, joissa fononit virittyvät rekyylienergian vuoksi , tietyissä olosuhteissa vain yhden atomin tai pienen atomiryhmän siirtyminen muuttuu. epätodennäköistä, ja rekyyli voi kokea koko kiteen . Valtavan määrän atomeja sisältävän kiteen massa on monta suuruusluokkaa suurempi kuin ytimen massa, ja siten R :n arvosta tulee mitätön. Gamma-kvanttien emissio- ja absorptioprosesseissa ilman rekyyliä fotonien energiat ovat yhtä suuria kuin spektriviivan luonnollinen leveys .

Vaikutuksen tulkinta

Vuonna 2000 Hyperfine Interactions -lehdessä [1] Mössbauer antoi kuvaannollisen tulkinnan vaikutuksesta:

Tilanne... muistuttaa miestä, joka tähtää kiveen veneestä. Suurin osa energiasta liikemäärän säilymislain mukaan otetaan vastaan ​​kevyellä kivillä, mutta pieni osa heiton energiasta menee paluuveneen liike- energiaan . Kesällä vene yksinkertaisesti saa tietyn määrän rekyyliä vastaavaa liikettä ja purjehtii heittosuuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan. Kuitenkin talvella, kun järvi jäätyy, jää pitää veneen ja lähes kaikki heiton energia siirtyy kiveen, vene (yhdessä jäätyneen järven ja sen rantojen kanssa) saa merkityksettömän osuuden heittää energiaa. Siten rekyyli ei välity vain veneeseen, vaan koko järveen, ja heitto tehdään "ilman rekyyliä".

Jos henkilö on koulutettu siten, että hän kuluttaa aina saman energian heittoon ja hän voi osua etäällä olevaan maaliin, joka seisoo samalla etäisyydellä siitä kovalla maalla, niin heitettäessä kiveä veneestä , rekyyli johtaa "huonoon heittoon". Lämpölaajeneminen vastaa tässä esityksessä järvellä olevaa aaltoa, joka lisää kohdistettujen heitettyjen kivien leviämistä ja urheilijan väistämättömille omille pakottamattomille virheille on ominaista heittojen luonnollinen leviäminen tai ryhmittely , joka on samanlainen kuin päästön luonnollinen leveys. /absorptiospektriviiva ja ytimen vastaavan virittyneen tilan käyttöikä.

Mössbauer-isotoopit

Mössbauer-isotoopit alkuaineiden jaksollisessa taulukossa
(korostettu taustavärillä)
H Hän
Li Olla B C N O F Ne
Na mg Al Si P S Cl Ar
40 000 _ Ca sc Ti V Cr Mn 57Fe _ co 61Ni 63Ni _ _ Cu 67 Zn Ga 73 Ge Kuten Se Br 80 kr
Rb Sr Y Zr Huom Mo 99Tc_ _ 99 ru 101 ru Rh Pd 107 Ag 109 Ag CD Sisään 117 Sn 119 Sn 121 Sb 125 te 127 I 129 I 129 Xe 131 Xe
133Cs _ 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 Bi Po klo Rn
Fr Ra ** RF Db Sg bh hs Mt Ds Rg Cn Nh fl Mc Lv Ts Og
* 139la_ _ Ce 141 Pr 145. _ klo 145 klo 147 147 Sm 149 Sm 151 Sm 152 Sm 153 Sm 154 Sm 151 euroa 153 euroa 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 232th _ 231 Pa _ 234 U 236 U 238 U 237 Np _ 239 Pu 240 Pu klo 243 cm bk vrt Es fm md ei lr

Vaikutuksen löytäminen ja sen merkitys

Tausta

Vuoden 1852 paikkeilla J. G. Stokes havaitsi ensimmäisen kerran fluoresenssin  - fluoriitin aiheuttaman tulevan valon absorption, jota seurasi absorboijan valon emissio. Myöhemmin samanlaisia ​​tutkimuksia tehtiin eri materiaaleilla.

Vuonna 1900 P. Villard löysi gammasäteet - monokromaattisen sähkömagneettisen säteilyn, jonka radium lähettää korkealla fotonienergialla .

Vuonna 1904 R. Wood osoitti resonanssin optista fluoresenssia, jolle on tunnusomaista absorboituneen valoenergian emissio samantaajuisen säteilyn muodossa . Erityisen laajalti tunnetaan hänen tutkimansa keltaisen natriumdupletin resonanssifluoresenssi .

Odotetaan

Vuonna 1929 W. Kuhn ehdotti mahdollisuutta ja yritti tarkkailla gammasäteiden resonanssiabsorptiota optisen fluoresenssin analogina ydinfysiikassa. Yritykset havaita gammasäteiden resonanssiabsorptiota kokeissa kiinteällä lähteellä ja absorboijalla epäonnistuivat. Kuhnin työ on kuitenkin arvokasta, koska siinä tämä sveitsiläinen fysikaalinen kemisti yritti analysoida epäonnistumisensa syitä ja tunnistaa kolme pääasiallista imeytymisen heikkenemisen lähdettä:

… Kolmas vaikutus, joka vähentää absorptiota, syntyy gammasäteilyprosessin yhteydessä. Säteilevä atomi kokee rekyylin gammasäteen lähettämisen vuoksi. Säteilyn aallonpituus on siis punasiirtymä ; emissioviiva on siirtynyt suhteessa absorptioviivaan ... Siksi on mahdollista, että merkittävän gamma-siirtymän vuoksi koko emissioviiva poistuu absorptioviivan alueelta ...

Kuhn kuitenkin käsitteli tässä vain emissiolinjan siirtymistä ja levenemistä, mutta ei kiinnittänyt huomiota Doppler-ilmiöön ja ytimen rekyyliin gammafotonin absorption aikana.

Discovery

Vuosina 1950-1951 brittiläinen fyysikko F. B. Moon julkaisi artikkelin, jossa hän kuvaili ensimmäisen kerran vaikutuksen kokeellista havainnointia. Kokeen ideana oli sijoittaa 198 Au gammasäteilylähde ultrasentrifugiin , mikä kompensoi rekyylienergiaa spektriviivan Doppler -siirtymällä. Ottaen huomioon havaitun vaikutuksen gammasäteiden resonanssina ydinsironna, hän kuvasi resonanssin ydinfluoresenssia.

Samoihin aikoihin ruotsalainen tiedemies K. Malmfurs tutki gammasäteiden absorptiota samassa 198 Au:n ja 198 Hg:n yhdistelmässä yrittäen lisätä absorptiota lämpöviivan levenemisen vuoksi kuumentamalla kultaa puhalluspolttimen liekissä. Todellakin, lukemien määrä kasvoi hieman, ja Malmfurs raportoi artikkelissaan[ missä? ] että

... Resonanssiilmiön ehto täyttyy niissä tapauksissa, kun lämpönopeuden komponentti [lähde], joka on suunnattu absorboijaan, joka on suunnattu sirottavaan aineeseen (elohopeaan), kompensoi ytimen rekyyliä ...

Perustelut

Münchenin teknisen yliopiston professori G. Maier-Leibniz antoi vuonna 1953 jatko-opiskelijalleen Rudolf Mössbauerille pro gradu -työnsä aiheen: jatkoa Malmfursin 191 Os :lla aloittamille tutkimuksille lämpötilariippuvasta gammasäteen absorptiosta. ja lisätehtävänä osmium-191:n beeta-hajoamisen energian tuntemattoman arvon ajan määrittäminen. Puolustettuaan Mössbauerin pro gradu -tutkielman Mayer-Leibniz kutsui hänet jatkamaan työtään tämän aiheen parissa tekemällä filosofian tohtorin ( PhD ) -tutkielman Max Planck Societyn Heidelbergin lääketieteellisen tutkimuksen instituutissa . Huolimatta ohjaajan tiukoista ohjeista noudattaa Malmfursin menetelmää ja etsiä päällekkäisiä emissio- ja absorptiolinjoja korkeissa lämpötiloissa, Mössbauer osoitti itsenäisyyttä ja laski, että olisi päinvastoin kätevämpää suunnitella kryostaatti näytteiden jäähdyttämiseksi nestemäiseksi typeksi . lämpötila . Samanaikaisesti hän odotti havaitsevansa sellaista absorption lämpötilariippuvuutta, jossa linjojen päällekkäisyys heikkenee ja absorboijan läpi lähetettyjen säteilyn gammasäteiden laskentanopeuden pitäisi kasvaa. Saatuaan päinvastaisen tuloksen, eli resonanssin ydingammafluoresenssin kasvun, hän voitti liiallisen skeptisismin ja harkitsi huolellisesti tulosta. Tämän seurauksena Mössbauer tajusi, että käytetty puoliklassinen käsite säteilevät ja absorboivat ytimiä vapaina hiukkasina ei sovellu kiinteisiin aineisiin : kiteissä atomit ovat vahvasti sitoutuneita toisiinsa ja niille on ominaista olennaisesti kvanttikäyttäytyminen [2] [3] [4 ] .

Tunnustus

Vuonna 1961 R. L. Mössbauerille myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto ydingammaresonanssin ilmiön löytämisestä ja teoreettisesta perustelusta (yhdessä R. Hofstadterin kanssa , joka sai palkinnon tutkimuksestaan ​​elektronien ytimien sironnasta) sanamuoto: Hänen tutkimuksistaan, jotka koskevat gammasäteilyn resonanssiabsorptiota ja tässä yhteydessä hänen nimeään kantavan vaikutuksen löytämisestä .

Mössbauer-efektin sovellukset

Ominaisuus, joka aiheutti Mössbauer-ilmiön käytön tutkimusmenetelmänä, on emissioviivan pieni leveys, joka on pienempi kuin ytimen magneettisen dipolin ja sähköisen kvadrupolin ja kuorielektronien välisten vuorovaikutusten energioiden ominaisarvot [ 6] [7] . Joten esimerkiksi elektronikuoren elektronien magneettikentän vaikutus ytimeen aiheuttaa rauta-57-ytimien resonanssiabsorption gammaspektrin jakautumisen 6 spektriviivaksi, näiden linjojen sijainnit ja profiili riippuvat rauta-57-ytimen kemiallisessa ympäristössä viereisten atomien elektronikuorten vaikutuksesta, jonka avulla voit määrittää molekyylien ja kidehilojen rakenteen yksityiskohdat.

Ydingammaresonanssimenetelmää ( resonanssirakenneanalyysi ) käytetään fysikaalisessa materiaalitieteessä , kemiassa , mineralogiassa ja biologiassa (esimerkiksi proteiinien Fe-pitoisten ryhmien ominaisuuksien analysoinnissa ). Säteilyn absorption vaikutusta tehostetaan rikastamalla näytettä Mössbauer- isotoopeilla , lisäämällä esimerkiksi 57 Fe:n pitoisuutta koe-eläinten ruoassa. Minerologiassa Mössbauer-ilmiötä käytetään pääasiassa Fe-ionien rakenteellisen sijainnin ja raudan hapetusasteen määrittämiseen.

Mössbauer-ilmiöön perustuvat kokeet

Eräs vaikuttava Mössbauer-ilmiön sovellus oli Poundin ja Rebkan kuuluisa koe , jotka vuonna 1960 mittasivat laboratoriossa yleisen suhteellisuusteorian ennustaman gammasäteiden painovoiman punasiirtymän .

Muistiinpanot

  1. ↑ Rudolf L. Mössbauer . Mössbauer-ilmiön löytö  (englanniksi)  // Hyperfine Interactions . - 2010. - Vol. 126. - s. 1-12. - doi : 10.1023/A:1012620106837 .
  2. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung in Ir 191  (saksa)  // Zeitschrift für Physik. - 1958. - Bd. 151 , no. 2 . - S. 124-143 . — ISSN 1434-6001 . - doi : 10.1007/BF01344210 .
  3. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzabsorption von γ -strahlung in Ir 191  (saksa)  // Zeitschrift für Naturforschung A. - 1959. - Bd. 14a . - S. 211-216 . .
  4. ↑ Kagan, 1962 , s. 48-84.
  5. ↑ Nobelin fysiikan palkinto 1961
  6. ↑ Wertheim, 1966 , s. 19.
  7. ↑ Shirokov, 1972 , s. 257.

Kirjallisuus

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa