Mössbauerův efekt

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 13. listopadu 2020; kontroly vyžadují 7 úprav .

Mössbauerův jev nebo jaderná gama rezonance  je emise nebo absorpce gama kvant atomovými jádry v pevném tělese, neprovázená změnou vibrační energie tělesa, tj. emise nebo absorpce fononů .

Jinými slovy, Mössbauerův jev je rezonanční emise a absorpce gama kvant jádry bez zpětného rázu od emitujícího a/nebo absorbujícího jádra, pokud jsou jádra v krystalové mřížce. V tomto případě se celá zpětná hybnost přenese na celý krystal, jehož hmotnost je o mnoho řádů větší než hmotnost jednoho jádra, a proto posun frekvence gama kvanta v aktech emise a absorpce je zanedbatelný.

Účinek je v podstatě kvantově mechanický a je pozorován u krystalických , amorfních a práškových látek.

Od roku 2019 byl Mössbauerův jev pozorován u 87 izotopů 46 prvků  - tzv. Mössbauerových izotopů .

Za objev tohoto efektu získal Rudolf Mössbauer v roce 1961 Nobelovu cenu za fyziku .

Historie objevů

Rezonanční absorpce fotonů v optickém rozsahu , například rezonanční absorpce sodíkového dubletu , byla pozorována již dříve. Dalo by se předpokládat, že stejná rezonanční absorpce by byla nalezena pro gama záření, které vzniká přechody mezi diskrétními energetickými hladinami v jádrech, na rozdíl od rentgenového záření, které je obvykle produkováno elektronovými přechody ve vnitřních elektronových obalech atomů.

Pokusy o pozorování jaderné rezonance během absorpce gama záření v plynech však selhaly kvůli ztrátě energie pro zpětný ráz vyzařujícího jádra, což v důsledku Dopplerova jevu posunuje frekvenci gama záření za frekvenci velmi úzkého spektrální absorpční čáru jader a zabraňuje rezonanční absorpci (Dopplerův jev také rozšiřuje úzkou čáru gama záření v důsledku tepelného pohybu jader).

Účinek byl objeven v roce 1957 , podle jiných zdrojů v roce 1958 Rudolf Mössbauer v Institutu pro lékařský výzkum Společnosti Maxe Plancka v Heidelbergu (Německo).

Mössbauerovi se podařilo detekovat rezonanční absorpci gama záření jádry iridia v pevné látce, což vyvolalo otázku, proč je gama-rezonanční absorpce možná v pevných látkách, ale ne v plynech.

Mössbauer navrhl, že v případě atomů v krystalové mřížce pevné látky může za určitých podmínek docházet k částečné absorpci záření gama záření prakticky bez zpětného rázu jader. Pozorovanou rezonanční absorpci vysvětlil přenosem hybnosti gama záření na celý krystal.

Za tento objev získal Mössbauer v roce 1961 spolu s Robertem Hofstadterem , který studoval rozptyl elektronů atomovými jádry, Nobelovu cenu za fyziku .

Povaha efektu

Při emitování nebo pohlcování gama-kvanta podle zákona zachování hybnosti volné jádro o hmotnosti M dostává zpětnou hybnost p = E 0 / c a energii zpětného rázu odpovídající této hybnosti R = p 2 /(2 M ) . Energie emitovaného gama-kvanta se ukáže být menší o stejnou hodnotu ve srovnání s energetickým rozdílem mezi jadernými hladinami E 0 a rezonanční absorpce je pozorována u fotonů s energií rovnou E 0 + R . Výsledkem je, že pro identická jádra jsou emisní a absorpční čáry odděleny 2 R a podmínka rezonance může být splněna pouze tehdy, pokud se tyto čáry shodují nebo se částečně překrývají. V plynech je energie zpětného rázu přijímána jedním vyzařujícím jádrem o hmotnosti M , zatímco v pevných látkách kromě procesů, kdy jsou fonony excitovány v důsledku energie zpětného rázu , dochází za určitých podmínek k posunutí pouze jednoho atomu nebo malé skupiny atomů. nepravděpodobné a hybnost zpětného rázu může zažít celý krystal . Hmotnost krystalu obsahujícího obrovské množství atomů je o mnoho řádů větší než hmotnost jádra, a proto se hodnota R stává zanedbatelnou. V procesech emise a absorpce gama kvant bez zpětného rázu jsou energie fotonů stejné až do přirozené šířky spektrální čáry .

Interpretace efektu

V roce 2000 v časopise Hyperfine Interactions [1] Mössbauer podal obraznou interpretaci efektu:

Situace... připomíná muže mířícího na kámen z lodi. Většina energie je podle zákona zachování hybnosti přijímána lehkým kamenem, ale malá část energie vrhu přechází do kinetické energie lodi přijímající návrat . V létě loď jednoduše získá určitý pohyb odpovídající zpětnému rázu a pluje v opačném směru, než je směr hodu. Avšak v zimě, kdy jezero zamrzne, led podrží loď a téměř veškerá energie hodu se přenese na kámen, loď (spolu se zamrzlým jezerem a jeho břehy) získá zanedbatelný podíl hodit energii. Zpětný ráz se tak přenese nejen na loď, ale na celé jezero a hod bude proveden „bez zpětného rázu“.

Pokud je člověk trénován tak, že při hodu vynakládá stále stejnou energii a dokáže zasáhnout vzdálený cíl stojící ve stejné vzdálenosti od něj na tvrdé zemi, pak při hodu kamenem z člunu , zpětný ráz povede ke "špatnému hodu". Tepelné rozšíření v tomto znázornění odpovídá vlně na jezeře, která zvyšuje šíření vržených zamířených kamenů, a nevyhnutelné vlastní nevynucené chyby sportovce se vyznačují přirozeným rozložením nebo seskupením hodů, podobným přirozené šířce emise. /absorpční spektrální čára a životnost odpovídajícího excitovaného stavu jádra.

Mössbauerovy izotopy

Mössbauerovy izotopy v periodické tabulce prvků
(zvýrazněné barvou pozadí)
H On
Li Být B C N Ó F Ne
Na mg Al Si P S Cl Ar
40 tisíc _ Ca sc Ti PROTI Cr Mn 57 Fe _ co 61Ni 63Ni _ _ Cu 67 Zn Ga 73 Ge Tak jako Se Br 80 kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo 99 Tc _ 99 Ru 101 Ru Rh Pd 107 Ag 109 Ag CD v 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 V Rn
Fr Ra ** RF Db Sg bh hs Mt Ds Rg Cn Nh fl Mc Lv Ts Og
* 139la _ Ce 141 Pr 145Nd _ 145 hodin 147 hodin 147 Sm 149 Sm 151 Sm 152 Sm 153 Sm 154 Sm 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 232th _ 231 Pa _ 234 U 236 U 238 U 237 Np _ 239 Pu 240 Pu 243 ráno cm bk srov Es fm md Ne lr

Objev efektu a jeho významu

Pozadí

Kolem roku 1852 J. G. Stokes poprvé pozoroval fluorescenci  - absorpci dopadajícího světla fluoritem , následovanou emisí světla absorbérem. Následně byly provedeny podobné studie s různými materiály.

V roce 1900 objevil P. Villard gama záření - monochromatické elektromagnetické záření vyzařované rádiem s vysokou energií fotonů .

V roce 1904 R. Wood prokázal rezonanční optickou fluorescenci, která se vyznačuje emisí absorbované světelné energie ve formě záření o stejné frekvenci . Zvláště široce známá je rezonanční fluorescence žlutého sodíkového dubletu, kterou studoval .

Čekání

V roce 1929 W. Kuhn navrhl tuto možnost a pokusil se pozorovat rezonanční absorpci gama paprsků jako analogu optické fluorescence v jaderné fyzice. Pokusy o detekci rezonanční absorpce gama záření v experimentech se stacionárním zdrojem a absorbérem byly neúspěšné. Kuhnova práce je však cenná, protože se v ní tento švýcarský fyzikální chemik pokusil analyzovat důvody svého selhání a identifikoval tři hlavní zdroje oslabení absorpce:

… Třetí příspěvek, který snižuje absorpci, vzniká v souvislosti s procesem emise gama záření. Emitující atom zažije zpětný ráz v důsledku emise gama záření. Vlnová délka záření je tak posunuta do červena ; emisní čára je posunuta vzhledem k absorpční čáře ... Je tedy možné, že v důsledku výrazného gama posunu celá emisní čára opustí oblast absorpční čáry ...

Kuhn zde však uvažoval pouze o posunu a rozšíření emisní čáry , nevěnoval pozornost Dopplerovu jevu a zpětnému rázu jádra při absorpci fotonu gama.

Objev

V letech 1950-1951 publikoval britský fyzik F. B. Moon článek, ve kterém poprvé popsal experimentální pozorování jevu. Myšlenkou experimentu bylo umístit zdroj gama záření 198 Au na ultracentrifugu , a tím poskytnout kompenzaci energie zpětného rázu pomocí Dopplerova posunu spektrální čáry. S ohledem na pozorovaný efekt jako rezonanční jaderný rozptyl gama záření popsal rezonanční jadernou fluorescenci.

Přibližně ve stejnou dobu studoval švédský vědec K. Malmfurs absorpci gama záření ve stejné kombinaci 198 Au a 198 Hg, přičemž se pokoušel zvýšit absorpci v důsledku rozšíření tepelné čáry zahříváním zlata v plameni hořáku. Počet přečtení se skutečně mírně zvýšil a Malmfurs o tom informoval ve svém článku[ kde? ] to

... Podmínka rezonančního efektu je splněna v těch případech, kdy složka tepelné rychlosti [zdroj] směřující k absorbéru, směřující k rozptylující látce (rtuti), kompenzuje zpětný ráz jádra ...

Odůvodnění

V roce 1953 G. Maier-Leibniz , profesor Technické univerzity v Mnichově, zadal svému postgraduálnímu studentovi Rudolfu Mössbauerovi téma své diplomové práce: Pokračování studií teplotně závislé absorpce gama záření zahájených Malmfursem pomocí 191 Os . a jako doplňkový úkol určení času neznámé hodnoty energie beta rozpadu osmia-191. Po obhajobě Mössbauerovy diplomové práce ho Mayer-Leibniz vyzval, aby pokračoval ve své práci na toto téma přípravou doktorské práce ( PhD ) na Heidelbergském institutu pro lékařský výzkum Společnosti Maxe Plancka . Navzdory naléhavým pokynům vedoucího práce dodržovat Malmfursovu metodu a hledat překrývající se emisní a absorpční čáry při vysokých teplotách prokázal Mössbauer nezávislost a vypočítal, že by bylo naopak pohodlnější navrhnout kryostat pro chlazení vzorků na kapalný dusík . teplota . Očekával přitom, že bude pozorovat takovou teplotní závislost absorpce, při které se překrývání čar slábne a počet gama paprsků záření procházejících absorbérem by se měl zvýšit. Po dosažení opačného výsledku, tedy zvýšení rezonanční jaderné gama fluorescence, překonal nadměrnou skepsi a pečlivě zvážil výsledek. V důsledku toho si Mössbauer uvědomil, že použitý semiklasický koncept vyzařování a absorbování jader jako volných částic není vhodný pro pevné látky : v krystalech jsou atomy navzájem silně vázány a vyznačují se v podstatě kvantovým chováním [2] [3] [4 ] .

Rozpoznávání

V roce 1961 byla R. L. Mössbauerovi za objev a teoretické zdůvodnění jevu jaderné gama rezonance udělena Nobelova cena za fyziku (spolu s R. Hofstadterem , který cenu obdržel za výzkum rozptylu elektronů jádry) znění: Za jeho výzkumy týkající se rezonanční absorpce záření gama a objev v této souvislosti jevu, který nese jeho jméno .

Aplikace Mössbauerova efektu

Vlastností, která způsobila použití Mössbauerova jevu jako výzkumné metody, je malá šířka emisní čáry, která je menší než charakteristické hodnoty energií magnetického dipólu a elektrických kvadrupólových interakcí jádra s elektrony obalu [ 6] [7] . Takže například vliv magnetického pole z elektronů elektronového obalu na jádro způsobí rozštěpení gama spektra rezonanční absorpce jádry železa-57 na 6 spektrálních čar, polohy těchto čar a jejich profil závisí na na chemickém prostředí jádra železa-57 v důsledku vlivu elektronových obalů sousedních atomů, což vám umožňuje zjistit podrobnosti o struktuře molekul a krystalových mřížek.

Metoda jaderné gama rezonance ( rezonanční strukturní analýza ) se používá ve fyzikálních materiálech , chemii , mineralogii a biologii (např. při analýze vlastností skupin obsahujících Fe v proteinech ). Účinek absorpce záření je zesílen obohacením vzorku o Mössbauerovy izotopy , zvýšením např. obsahu 57 Fe v potravě pokusných zvířat. V mineralogii se Mössbauerův jev využívá především k určení strukturní polohy iontů Fe a ke stanovení oxidačního stavu železa.

Experimenty založené na Mössbauerově efektu

Jednou působivou aplikací Mössbauerova jevu byl slavný experiment Pounda a Rebky , kteří v roce 1960 změřili v laboratoři gravitační rudý posuv gama paprsků předpovídaný obecnou relativitou .

Poznámky

  1. ↑ Rudolf L. Mössbauer . Objev Mössbauerova efektu  (anglicky)  // Hyperfine Interactions . - 2010. - Sv. 126. - S. 1-12. - doi : 10.1023/A:1012620106837 .
  2. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung in Ir 191  (německy)  // Zeitschrift für Physik. - 1958. - Bd. 151 , č.p. 2 . - S. 124-143 . — ISSN 1434-6001 . - doi : 10.1007/BF01344210 .
  3. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzabsorption von γ -strahlung in Ir 191  (německy)  // Zeitschrift für Naturforschung A. - 1959. - Bd. 14a . - S. 211-216 . .
  4. ↑ Kagan, 1962 , str. 48-84.
  5. ↑ Nobelova cena za fyziku 1961
  6. ↑ Wertheim, 1966 , s. 19.
  7. ↑ Širokov, 1972 , s. 257.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích