Efekt Mossbauera: odkrycie efektu i jego znaczenia

Artykuł mówi, czym jest efekt Mossbauera. Przedstawione są także takie pojęcia, jak kwant, poziom energii w atomie i jądrze atomowym, ciało stałe i zbiorowe kwazicząstki w nim zawarte.

Matematyczna zabawa

Przełom w fizyce, który nastąpił w pierwszymdekada XX wieku wymagała od naukowców poważnej wiedzy z matematyki. Na końcówce pióra wykonano wiele odkryć: najpierw obliczono je teoretycznie, a dopiero później znaleziono w praktyce.

Na przykład obecność fal grawitacyjnych,przewidywane przez Einsteina w 1910 r., były w stanie potwierdzić eksperymentalnie dopiero w 2016 r. Połączenie dwóch gwiazd neutronowych dało początek drżeniu przestrzeni, którą złowiła i zarejestrowała ziemska fizyka, otwierając erę pomiarów grawitacyjnych w nauce ludzkości. Nie bez powodu wspomniano o grawitacji: dla takich badań ważny jest efekt Mössbauera. Ale jest to raczej wyjątek niż reguła. Najczęściej teoretyki i eksperymentatorzy posuwają się naprzód na pięty: jedno badanie wygenerowało potrzebę opisu matematycznego, a wnioski końcowe były założeniem nowych, jeszcze nie uzyskanych zależności. Efekt Mossbauera okazał się jednym z takich zjawisk. Takim "przypadkowym" zjawiskiem było założenie Maxa Plancka, wypowiedziane pod koniec 1900 roku. Mówi się, że w świecie elektronów i jąder atomowych wszystkie wielkości mogą przyjmować tylko wartości dyskretne, to znaczy kwantyzować. Co więcej, zgodnie z własnym przekonaniem, była to tylko matematyczna sztuczka, dzięki której obliczenia były wygodniejsze. Do końca życia uważał, że kwantowa lub najmniejsza możliwa część, taka jak światło, jest tylko właściwym sposobem opisu, który nie ma poważnego znaczenia fizycznego.

Świat kwantowy

Jednak inni naukowcy zainteresowaniadekwatny opis tego, co dzieje się w skali atomu, rozważany potencjał takiego wnioskowania i przyjęto dla aksjomatu, że wszystko jest skwantowane. Elektrony wokół jąder mogą znajdować się tylko na pewnych orbitach, jądra atomowe mogą mieć tylko określone poziomy energii. Przeskakując między nimi jądra generują kwanty gamma. Efekt Mössbauera potwierdza, że ​​działanie to powinno generować pewien zwrot, ale tak się nie dzieje. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie wielkości opisujące zachowanie nanoświata podlegają kwantyzacji - to znaczy dyskretnej. Nie powinniśmy jednak zapominać, że impuls, który w makrokosmosie jest wyrażany jako iloczyn masy na prędkość, dla elementarnej cząstki jest czymś zasadniczo różnym, dlatego też jest kwantyzowany. Tak więc w nauce raport, w którym Max Planck wyprowadził swoją słynną formułę zawierającą wartość h lub minimalną akcję, otworzył nową erę. Była to era fizyki kwantowej. Efekt Mossbauera, interpretacja, która została następnie nadana temu zjawisku, stała się jednym z najważniejszych kamieni milowych dwudziestowiecznej nauki.

Odkrycie efektu Mossbauera

Jak zauważyliśmy powyżej, wnioski teoretyczneszedł w parze z eksperymentem. Praktyczne wnioski zostały udowodnione na instalacjach dosłownie "na kolanach" i improwizowanych materiałach. Naukowcy musieli mieć możliwość nie tylko formułowania receptur, ale także spawania żarówek, piłowania desek, pracy z metalem i składania zakładów. Oczywiście szefowie laboratoriów uogólniali wyniki swoich podopiecznych. Jednak każdy eksperymentator był także inżynierem, ponieważ urządzenia zostały zaprojektowane do konkretnych celów i bezpośrednio w procesie badawczym. Efekt Mössbauera nie był wyjątkiem. Otwarcie go nie nastąpiłoby, gdyby uparty doktorant Rudolf Messbauer nie zmienił sposobu pomiaru, schłodził instalację, zamiast ją podgrzać, zgodnie z zaleceniami przełożonego.

Solidne ciało

Teoria, o której mówimy czytelnikomsekcja, na pierwszy rzut oka wydaje się zrozumiała. Jednak, jak wiadomo, lekkość zawsze daje niesamowite efekty. Abyśmy mogli teraz powiedzieć w prostych słowach, jaki wpływ ma Mössbauer na imbryki, dosłownie, całe laboratoria kiedyś pracowały.

Pod ciałem stałym zazwyczaj oznacza substancjęw stanie krystalicznym. Jądra atomów w tym przypadku tworzą ścisłą sieć okresową, podczas gdy elektrony są bardziej lub mniej uogólnione. Oczywiście w kryształach metali powstaje bardzo specyficzne wiązanie metaliczne, dzięki czemu jądra istnieją tak, jakby były oddzielone od uogólnionych elektronów. Chmura elektronów żyje zgodnie z niezależnymi prawami, nie zwracając uwagi na zachowanie sieci krystalicznej. W kryształach, gdzie obecne są bardziej tradycyjne wiązania jonowe i kowalencyjne, elektrony są ściślej związane z "ich" jądrami. Jednak przemieszczają się one swobodniej między sąsiednimi węzłami niż w gazie lub cieczy.

Właściwości półprzewodnikowe są nie tylko ustawionepierwiastki chemiczne, które one zawierają, ale także symetria układu atomów względem siebie. W klasycznym przykładzie węgla jedną strukturę tworzy miękki grafit, a drugim, najtwardszym naturalnym materiałem, jest diament. Tak więc rodzaj związku i symetria komórki elementarnej znaczą dużo dla ciała stałego. Właściwości ciała stałego i ujawnienie efektu Mössbauera. Jego natura jest wyjaśniona w następujący sposób: wszystkie atomy w bryle są połączone.

Kolektywne kwazikarty

Teraz wyobraź sobie wystarczająco dużetrójwymiarowa siatka. Sól jest najbardziej odpowiednia dla modelu: Na i Cl znajdują się w szczytach kostek, zastępując się nawzajem. Jeśli w jakiś sposób złapie się jeden atom i wyciągniesz, odsuń go od zwykłego miejsca równowagi, dzięki dość ciasnemu wiązaniu, a następnie sąsiednim atomom. Obliczenia pokazują, że zmiana położenia pojedynczego jądra ma co najmniej znaczący wpływ na sąsiadów trzeciego rzędu. Oznacza to, że jeśli "złapiesz" sód, zostanie on przyciągnięty przez sąsiadujące atomy chloru, za nim atomy sodu i kolejna najdalsza warstwa chloru. Skutki tego będą oczywiście rozprzestrzeniać się we wszystkich kierunkach. Zazwyczaj mówi się, że perturbacje sąsiadów czwartego rzędu są pomijalne. Jednak nie są one zerowe.

Dlatego jeśli w jakiś sposób "uderzysz"kryształ jest silniejszy (na przykład, aby wysłać do niego wiązkę lasera lub wiązki elektronów), sieć krystaliczna przejdzie "fale". Takie kolektywne ruchy, gdy wiele sąsiednich atomów kryształu jednocześnie doświadcza przesunięcia, na przykład w górę lub w dół, nazywane są fononami. Aby opisać efekt Mossbauera dla czajników, nie będziemy wdawać się w szczegóły i po prostu powiedzieć, że fonony, jak się okazało, zachowują się jak cząsteczki elementarne. Na przykład ich energia jest kwantyzowana, mają one długość fali, impuls i są w stanie współdziałać ze sobą. Tak więc fonony nazywane są zbiorowymi kwazicząstkami. Ich ilość i jakość jest określona przez strukturę ciała stałego, w którym powstają. Możesz go obliczyć, znając rozmiar, symetrię i typy atomów komórki elementarnej. Na występowanie fononów mają również wpływ długości i typy wiązań między jonami w sieci krystalicznej.

Teoria stref

Ponieważ ciało stałe podsumowuje wszystkie swoje elektrony,następnie orbitale (a więc ich energie) również muszą zostać uogólnione. Najpierw musimy pamiętać, że elektrony należą do tej klasy cząstek zwanych fermionami. Fermi, Dirac i Pauli wspólnie odkryli, że tylko jedna cząstka tego rodzaju może być w jednym stanie w tym systemie. Jeśli wrócisz do przykładu soli, to każdy kryształ, z którym posypujemy zupę lub mięso, zawiera niesamowitą ilość jonów sodu i chloru. A każdy z nich ma taką samą liczbę elektronów, które obracają się na identycznych orbitach. Jak być? Ciało stałe wyłania się z sytuacji w następujący sposób: energia każdego elektronu obracającego się na orbicie wokół jądra jest nieco inna niż energia jakiegokolwiek innego elektronu należącego do tej samej orbity innego atomu. Okazuje się, że w krysztale jest niesamowicie wiele poziomów energii, które różnią się od siebie tak bardzo, że tworzą strefę skompresowaną. Przeszkody wprowadzane przez fonony są niewielkie, ponieważ jeden atom nie oscyluje bardzo. Liczy się ruch zbiorowy jako całość. Dlatego też energia phonon jakby "rozpuszczona" w energii strefy. To jest podstawa efektu Mossbauera.

Skala elektromagnetyczna

Ruchowi naładowanych cząstek towarzyszypojawienie się pola elektromagnetycznego. Fakt ten podnosi na przykład kwestię, dlaczego jedna planeta i jej satelity ją posiadają, a inne nie. Fale elektromagnetyczne można podzielić na klasy według ich częstotliwości i odpowiednio energii. Te dwie charakterystyki są ze sobą powiązane i zależą również od długości fali. Jaki jest efekt Mössbauera, można krótko wyjaśnić tylko wtedy, gdy czytelnik rozumie, gdzie promieniowanie gamma znajduje się na skali elektromagnetycznej. Otwórz więc skalę fal radiowych. Teoretycznie granica ich długości jest wielkością wszechświata. Energia takich emisji byłaby jednak tak niska, że ​​nie można jej zarejestrować. Częstotliwość promieniowania terahercowego jest nieco wyższa. Jednak zarówno on, jak i fale radiowe są obserwowane w bardzo specyficznych warunkach: spowolnienie elektronów w polu magnetycznym, zginanie drgań polimerów, ruch ekscytonów w ciele stałym. Kolejna część widma elektromagnetycznego jest bardziej zrozumiała - promieniowanie podczerwone. Przesyła energię w postaci ciepła. Jeszcze większa energia w promieniowaniu widzialnym. Ta część spektrum, którą postrzega ludzkie oko, jest bardzo mała w porównaniu do całej skali.

Czerwone światło przenosi najniższą energię, ifioletowy jest największy. Pod tym względem znany jest paradoks: zimniejsza woda jest oznaczona na niebiesko, a jej energia jest wyższa niż promieniowania czerwonego. Następnie ultrafioletowa część skali elektromagnetycznej ma już częstotliwość wystarczająco wysoką do penetracji ciała stałego. Pomimo faktu, że ludzie, podobnie jak inne żywe istoty naszej planety, nie postrzegają światła ultrafioletowego, jego znaczenie dla normalnego funkcjonowania organizmów biologicznych jest ogromne. Głównym źródłem badań nad promieniami ultrafioletowymi jest słońce. Wyższa energia i zdolność przenikania wielu substancji ma promienie Roentgena. Źródłem takiego promieniowania jest spowolnienie elektronów w polach elektromagnetycznych. W tym przypadku elektrony mogą być zarówno związane, to znaczy należą do atomów, jak i wolne. W urządzeniach medycznych są urządzenia na swobodnych elektronach. Na koniec najcięższą i najkrótszą falą jest promieniowanie gamma.

RTG i gamma

Efekt Mössbauera i jego zastosowanie w fizyce i fizyceTechnika ta wymaga rozróżnienia między promieniami gamma i promieniami X. W zależności od poziomu energii i odpowiednio długości fali zachodzą na siebie w bardzo szerokim zakresie. Oznacza to, że istnieje promieniowanie gamma i promieniowanie rentgenowskie o długości fali 5 pikometrów. Istnieją różne sposoby ich zdobycia. Jak już wyjaśniono powyżej, promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy elektrony są hamowane. Ponadto w niektórych procesach (w tym jądrowych) elektron znika z wewnętrznej powłoki wystarczająco ciężkiego atomu, na przykład uranu. W tym przypadku na jego miejsce mają wpływ inne elektrony. Takie przejścia i stają się źródłem promieniowania rentgenowskiego. Kwanty gamma są wynikiem przejścia samego jądra z bardziej wzbudzonego stanu. Promieniowanie to ma wysoką zdolność penetracji i jonizuje atomy, z którymi oddziałuje. W tym samym czasie, gdy kwant gamma zderza się z jądrem atomu, musi występować tak zwany odrzut. Jednak w praktyce okazało się, że nie ma interakcji kwantu gamma z jądrem atomowym należącym do ciała stałego. Wyjaśnia to fakt, że dodatkowa energia jest "rozmazana" tak, jak to było w elektronicznych strefach kryształu, generując fonon.

Izotopy

Efekt Mössbauera i jego zastosowanie są ze sobą ściśle powiązane.z jednym zaskakującym faktem: zjawisko to nie dotyczy wszystkich pierwiastków chemicznych układu okresowego. Co więcej, jest to istotne tylko dla niektórych izotopów substancji. Jeśli czytelnik nagle zapomniał, jakie są izotopy, pamiętamy. Wiadomo, że każdy pojedynczy atom jest elektrycznie obojętny. Oznacza to, że w jądrze występuje tyle protonów dodatnich, ile w powłoce znajdują się elektrony. Jądro zawiera również neutrony, cząstki bez ładunku. Jeśli zmienisz ich liczbę w jądrze, elektroobojętność nie zostanie naruszona, ale właściwości takiego atomu nieznacznie się zmienią. Ponadto zdarza się, że cięższy izotop jest radioaktywny i podatny na próchnicę, podczas gdy zwykła materia jest dość stabilna. Lista pierwiastków i ich izotopów, dla których charakterystyka Mössbauera jest charakterystyczna, jest całkowicie konkretna. Wykrywanie ⁵⁷Fe, na przykład, zwykle ufają dokładnie temu zjawisku.

Korzyści płynące z efektów kwantowych

Wykonaj eksperyment potwierdzający to lubinna hipoteza dotycząca mikroświata jest często trudna. Poza tym nie jest jasne, jakie korzyści może przynieść ten sam efekt Mössbauera? Korzystanie z niego jest jednak dość szerokie. Prowadzi się badania właściwości substancji krystalicznych, brył amorficznych i drobno sproszkowanych proszków, w tym za pomocą tego zjawiska kwantowego. Takie dane są wymagane zarówno w działach, które są dość odległe od praktyki (fizyka teoretyczna), jak iw dyscyplinach bardzo bliskich człowiekowi, na przykład medycynie. Tak więc efekt Mössbauera i jego zastosowanie należy uznać za przykład teoretycznego odkrycia, które przynosi wiele korzyści nawet w życiu codziennym.

</ p>>