Mössbauereffekt

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 13 november 2020; kontroller kräver 7 redigeringar .

Mössbauer-effekten eller nukleär gammaresonans  är emission eller absorption av gammakvanta av atomkärnor i en fast kropp, som inte åtföljs av en förändring i kroppens vibrationsenergi, det vill säga emission eller absorption av fononer .

Med andra ord är Mössbauer-effekten resonansemission och absorption av gammakvanta av kärnor utan rekyl från den emitterande och/eller absorberande kärnan, om kärnorna är i kristallgittret. I det här fallet överförs hela rekylmomentet till hela kristallen, vars massa är många storleksordningar större än massan av en kärna, och därför förskjutningen i frekvensen av gammakvantet i emissions- och absorptionshandlingarna är försumbar.

Effekten är i huvudsak kvantmekanisk till sin natur och observeras i kristallina , amorfa och pulveriserade ämnen.

Från och med 2019 observerades Mössbauer-effekten i 87 isotoper av 46 grundämnen  - de så kallade Mössbauer-isotoperna .

För upptäckten av effekten belönades Rudolf Mössbauer med Nobelpriset i fysik 1961 .

Upptäcktshistorik

Resonansabsorption av fotoner i det optiska området , till exempel resonansabsorption av en natriumdubblett , har observerats tidigare. Man skulle kunna anta att samma resonansabsorption skulle finnas för gammastrålar, som uppstår från övergångar mellan diskreta energinivåer i kärnor, i motsats till röntgenstrålar, som vanligtvis produceras av elektroniska övergångar i atomernas inre elektronskal .

Men försök att observera kärnresonans under absorptionen av gammastrålning i gaser misslyckades på grund av förlusten av energi för rekylen från den strålande kärnan, som på grund av Dopplereffekten skiftar frekvensen av gammastrålar bortom frekvensen för en mycket smal spektrala absorptionslinje för kärnor och förhindrar resonansabsorption (Dopplereffekten expanderar också en smal linje av gammastrålning på grund av kärnornas termiska rörelse).

Effekten upptäcktes 1957 , enligt andra källor 1958 av Rudolf Mössbauer vid Institutet för medicinsk forskning av Max Planck Society i Heidelberg (Tyskland).

Mössbauer lyckades detektera resonansabsorptionen av gammastrålning av iridiumkärnor i ett fast ämne, vilket väckte frågan varför gammaresonansabsorption är möjlig i fasta ämnen, men inte i gaser.

Mössbauer föreslog att i fallet med atomer i kristallgittret hos ett fast ämne, under vissa förhållanden, kan en del av strålningsabsorptionen av gammastrålar ske med praktiskt taget ingen rekyl av kärnor. Han förklarade den observerade resonansabsorptionen genom överföringen av gammastrålningsmomentet till hela kristallen.

För denna upptäckt tilldelades Mössbauer Nobelpriset i fysik 1961 tillsammans med Robert Hofstadter , som studerade spridningen av elektroner genom atomkärnor.

Effektens karaktär

Vid utsändning eller absorption av ett gamma-kvantum, enligt momentumkonserveringslagen , får en fri kärna med massan M ett rekylmomentum p = E 0 / c och rekylenergin som motsvarar detta momentum R = p 2 /(2 M ) . Energin hos det emitterade gammakvantumet visar sig vara mindre med samma värde jämfört med energiskillnaden mellan kärnnivåerna E 0 , och resonansabsorption observeras för fotoner med en energi lika med E 0 + R . Som ett resultat, för identiska kärnor, är emissions- och absorptionslinjerna separerade med 2 R och resonansvillkoret kan endast uppfyllas om dessa linjer sammanfaller eller delvis överlappar varandra. I gaser tas rekylenergin emot av en utstrålande kärna med massan M , medan i fasta ämnen, förutom processer när fononer exciteras på grund av rekylenergin , under vissa förhållanden blir förskjutningen av endast en atom eller en liten grupp av atomer osannolikt, och rekylmomentet kan uppleva hela kristallen . Massan av en kristall som innehåller ett stort antal atomer är många storleksordningar större än massan av kärnan, och därför blir värdet på R försumbart. I processerna för emission och absorption av gammakvanta utan rekyl är fotonernas energier lika upp till den naturliga bredden av spektrallinjen .

Tolkning av effekten

År 2000, i tidskriften Hyperfine Interactions [1] gav Mössbauer en bildlig tolkning av effekten:

Situationen ... liknar en man som riktar en sten från en båt. Det mesta av energin, enligt lagen om bevarande av momentum , tas emot av en lätt sten, men en liten del av energin från kasten går till den kinetiska energin hos båten som tar emot returen . På sommaren får båten helt enkelt en viss rörelse som motsvarar rekyl och seglar i motsatt riktning mot kastriktningen. Men på vintern, när sjön fryser, kommer is att hålla båten , och nästan all energi från kastet kommer att överföras till stenen, båten (tillsammans med den frusna sjön och dess stränder) kommer att få en obetydlig del av kasta energi. Således kommer rekylen att överföras inte bara till båten, utan till hela sjön, och kastningen kommer att göras "utan rekyl".

Om en person är tränad på ett sådant sätt att han alltid spenderar samma energi på ett kast, och han kan träffa ett mål som ligger på avstånd, som står på samma avstånd från det på hård mark, då när han kastar en sten från en båt , kommer rekylen att leda till "dåligt kast". Termisk breddning i denna representation motsvarar en våg på sjön, vilket ökar spridningen av riktade stenar som kastas, och idrottarens oundvikliga egna otvingade fel kännetecknas av en naturlig spridning eller gruppering av kast, liknande utsläppets naturliga bredd /absorptionsspektrallinjen och livslängden för motsvarande exciterade tillstånd av kärnan.

Mössbauer isotoper

Mössbauer-isotoper i grundämnenas periodiska system
(markerade i bakgrundsfärg)
H han
Li Vara B C N O F Ne
Na mg Al Si P S Cl Ar
40K _ Ca sc Ti V Cr Mn 57 Fe co 61Ni 63Ni _ _ Cu 67 Zn Ga 73 Ge Som Se Br 80 kr
Rb Sr Y Zr Obs Mo 99Tc _ 99 Ru 101 Ru Rh Pd 107 Ag 109 Ag CD I 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 På Rn
Fr Ra ** RF Db Sg bh hs Mt Ds Rg Cn Nh fl Mc Lv Ts Og
* 139la _ Ce 141 Pr 145Nd _ 145 pm 147 pm 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 _ 231Pa _ 234 U 236 U 238 U 237Np _ 239 Pu 240 Pu 243 på morgonen centimeter bk jfr Es fm md Nej lr

Upptäckten av effekten och dess betydelse

Bakgrund

Omkring 1852 observerade J. G. Stokes först fluorescens  - absorptionen av infallande ljus av fluorit , följt av ljusemissionen från en absorbator. Därefter genomfördes liknande studier med olika material.

År 1900 upptäckte P. Villard gammastrålar - monokromatisk elektromagnetisk strålning som sänds ut av radium med hög fotonenergi .

År 1904 visade R. Wood resonant optisk fluorescens, som kännetecknas av emission av absorberad ljusenergi i form av strålning med samma frekvens . Den resonanta fluorescensen av den gula natriumdubbletten som studerats av honom är särskilt allmänt känd .

Väntar

1929 föreslog W. Kuhn möjligheten och gjorde ett försök att observera resonansabsorptionen av gammastrålar som en analog till optisk fluorescens inom kärnfysik. Försök att detektera resonansabsorption av gammastrålar i experiment med en stationär källa och absorbator misslyckades. Emellertid är Kuhns arbete värdefullt eftersom den här schweiziske fysikaliska kemisten i det försökte analysera orsakerna till hans misslyckande och identifierade tre huvudkällor till absorptionsförsvagning:

… Det tredje bidraget, som minskar absorptionen, uppstår i samband med processen för gammastrålning. Den emitterande atomen kommer att uppleva en rekyl på grund av emissionen av en gammastrålning. Strålningens våglängd är alltså rödförskjuten ; emissionslinjen förskjuts i förhållande till absorptionslinjen ... Det är därför möjligt att på grund av en betydande gammaförskjutning lämnar hela emissionslinjen området för absorptionslinjen ...

Kuhn här övervägde dock endast skiftningen och breddningen av emissionslinjen , utan att uppmärksamma Dopplereffekten och kärnans rekyl under absorptionen av en gammafoton.

Upptäckt

1950-1951 publicerade den brittiske fysikern F. B. Moon en artikel där han först beskrev den experimentella observationen av effekten. Tanken med experimentet var att placera 198 Au gammastrålningskällan på en ultracentrifug , och därigenom ge kompensation för rekylenergin genom dopplerförskjutningen av spektrallinjen. Med tanke på den observerade effekten som resonant nukleär spridning av gammastrålar, beskrev han resonant nukleär fluorescens.

Ungefär samtidigt studerade den svenske forskaren K. Malmfurs absorptionen av gammastrålar i samma kombination av 198 Au och 198 Hg, och försökte öka absorptionen på grund av termisk linjebreddning genom att värma guld i en blåslampa. Faktum är att antalet läsningar ökade något, och Malmfurs rapporterade i sin artikel[ var? ] det

... Villkoret för resonanseffekten är uppfyllt i de fall då komponenten av termisk hastighet [källa] riktad mot absorbatorn, riktad mot spridningsämnet (kvicksilver), kompenserar för kärnans rekyl ...

Motivering

År 1953 tilldelade G. Maier-Leibniz , professor vid Münchens tekniska universitet, sin doktorand Rudolf Mössbauer ämnet för sin magisteravhandling: en fortsättning på studierna av temperaturberoende gammastrålningsabsorption som påbörjades av Malmfurs med 191 Os och, som en ytterligare uppgift, bestämning av tidpunkten för det okända värdet av energin för beta-sönderfallet av osmium-191. Efter att ha försvarat Mössbauers magisteravhandling, bjöd Mayer-Leibniz in honom att fortsätta sitt arbete med detta ämne genom att förbereda en doktorsavhandling i filosofi vid Heidelberginstitutet för medicinsk forskning i Max Planck Society . Trots de enträgna instruktionerna från handledaren att följa Malmfursmetoden och leta efter överlappande emissions- och absorptionslinjer vid höga temperaturer, visade Mössbauer självständighet och beräknade att det skulle vara bekvämare, tvärtom, att konstruera en kryostat för att kyla prover till flytande kväve temperatur . Samtidigt förväntade han sig att observera ett sådant temperaturberoende av absorption, vid vilket överlappningen av linjer blir svagare, och räknehastigheten för gammastrålning som sänds genom absorbatorn bör öka. Efter att ha erhållit det motsatta resultatet, det vill säga en ökning av resonant nukleär gammafluorescens, övervann han överdriven skepsis och övervägde noggrant resultatet. Som ett resultat insåg Mössbauer att det använda semiklassiska konceptet att utstråla och absorbera kärnor som fria partiklar inte är lämpligt för fasta ämnen : i kristaller är atomer starkt bundna till varandra och kännetecknas av i huvudsak kvantbeteende [2] [3] [4 ] .

Erkännande

1961, för upptäckten och den teoretiska motiveringen av fenomenet nukleär gammaresonans , tilldelades R. L. Mössbauer Nobelpriset i fysik (tillsammans med R. Hofstadter , som fick priset för sin forskning om spridning av elektroner genom kärnor) med formulering: För hans undersökningar rörande gammastrålningens resonansabsorption och hans upptäckt i detta sammanhang av den effekt som bär hans namn .

Tillämpningar av Mössbauer-effekten

Egenskapen som orsakade användningen av Mössbauer-effekten som forskningsmetod är den lilla bredden på emissionslinjen, som är mindre än de karakteristiska värdena för energierna hos den magnetiska dipolen och elektriska fyrpolsinteraktioner av kärnan med skalelektroner [ 6] [7] . Så till exempel orsakar påverkan av magnetfältet från elektronerna i elektronskalet på kärnan en uppdelning av gammaspektrumet för resonansabsorption av järn-57 kärnor i 6 spektrallinjer, positionerna för dessa linjer och deras profil beror på på den kemiska miljön av järn-57 kärnan på grund av påverkan av elektronskal angränsande atomer, vilket gör att du kan fastställa detaljerna i strukturen av molekyler och kristallgitter.

Metoden för nukleär gammaresonans ( resonansstrukturanalys ) används inom fysikalisk materialvetenskap , kemi , mineralogi och biologi (till exempel vid analys av egenskaperna hos Fe-innehållande grupper i proteiner ). Effekten av strålningsabsorption förstärks genom att provet berikas med Mössbauer- isotoper , vilket till exempel ökar halten 57 Fe i försöksdjurs mat. Inom mineralogin används Mössbauereffekten främst för att bestämma Fe-jonernas strukturella position och för att bestämma järnets oxidationstillstånd.

Experiment baserade på Mössbauer-effekten

En imponerande tillämpning av Mössbauer-effekten var det berömda experimentet av Pound och Rebka , som 1960 i laboratoriet mätte gravitationsrödförskjutningen av gammastrålar som förutspåddes av allmän relativitet .

Anteckningar

  1. ↑ Rudolf L. Mössbauer . Upptäckten av Mössbauer-effekten  (engelska)  // Hyperfine Interactions . - 2010. - Vol. 126. - S. 1-12. - doi : 10.1023/A:1012620106837 .
  2. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung i Ir 191  (tyska)  // Zeitschrift für Physik. - 1958. - Bd. 151 , nr. 2 . - S. 124-143 . — ISSN 1434-6001 . - doi : 10.1007/BF01344210 .
  3. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzabsorption von γ -strahlung i Ir 191  (tyska)  // Zeitschrift für Naturforschung A. - 1959. - Bd. 14a . - S. 211-216 . .
  4. ↑ Kagan, 1962 , sid. 48-84.
  5. ↑ Nobelpriset i fysik 1961
  6. ↑ Wertheim, 1966 , sid. 19.
  7. ↑ Shirokov, 1972 , sid. 257.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger