Mössbauer etkisi - Mössbauer effect

Mössbauer veya recoilless nükleer rezonans floresan , tarafından keşfedilen bir fiziksel olaydır Rudolf Mössbauer Bu rezonans içerir ve 1958 yılında tepme içermeyen emisyon ve emilmesi gama radyasyonu katı bağlanmış atom çekirdeklerinin. Ana uygulama alanı Mössbauer spektroskopisidir .

Mössbauer etkisinde, nükleer gama emisyonu ve absorpsiyonu için dar bir rezonans, geri tepme momentumunun tek başına yayan veya emen çekirdekten ziyade çevreleyen kristal kafese iletilmesinden kaynaklanır . Bu meydana geldiğinde, bir gama geçişinin ne yayan ne de emen ucunda geri tepen çekirdeklerin kinetik enerjisine gama enerjisi kaybedilmez: emisyon ve emilim aynı enerjide meydana gelir ve bu da güçlü, rezonant emilimiyle sonuçlanır.

Tarih

X ışınlarının gazlar tarafından emisyonu ve emilimi daha önce gözlemlenmişti ve benzer bir fenomenin nükleer geçişler tarafından yaratılan gama ışınları için bulunması bekleniyordu (tipik olarak elektronik tarafından üretilen X ışınlarının tersine). geçişler ). Bununla birlikte, gazlarda gama ışınlarının ürettiği nükleer rezonansı gözlemleme girişimleri, geri tepme için kaybedilen enerji nedeniyle başarısız oldu ve rezonansı önledi ( Doppler etkisi ayrıca gama ışını spektrumunu genişletir). Mössbauer, katı iridyum çekirdeklerinde rezonans gözlemleyebildi , bu da neden gama ışını rezonansının katılarda mümkün olduğu, ancak gazlarda mümkün olmadığı sorusunu gündeme getirdi. Mössbauer, bir katıya bağlanmış atomlar için, belirli koşullar altında nükleer olayların bir kısmının esasen geri tepme olmaksızın meydana gelebileceğini öne sürdü. Gözlenen rezonansı nükleer olayların bu geri tepmesiz fraksiyonuna bağladı.

Mössbauer etkisi, fizikte orijinal olarak Alman dilinde bildirilen son büyük keşiflerden biriydi. İlk İngilizce rapor, deneyin tekrarını anlatan bir mektuptu.

Keşif, Robert Hofstadter'in atom çekirdeklerinde elektron saçılımı araştırmasıyla birlikte 1961'de Nobel Fizik Ödülü ile ödüllendirildi .

Açıklama

57 Fe Mössbauer absorpsiyon spektrumu

Mössbauer Etkisi, bir çekirdeğin bir nükleer geri tepmeye enerji kaybı olmadan gama ışınlarını emdiği veya emdiği bir süreçtir. 1958'de Alman fizikçi Rudolf L. Mössbauer tarafından keşfedildi ve fizik ve kimyadaki temel araştırmalar için oldukça faydalı olduğu kanıtlandı. Örneğin, elektriksel, manyetik veya yerçekimi alanlarının neden olduğu çekirdekler, atomlar ve kristallerdeki küçük enerji değişikliklerini hassas bir şekilde ölçmek için kullanılmıştır. Bir çekirdeğin, eşlik eden gama ışınları ile daha yüksek bir enerji durumuna geçişinde, emisyon genellikle çekirdeğin geri tepmesine neden olur ve bu, yayılan gama ışınlarından enerji alır. Dolayısıyla gama ışınları incelenecek hedef çekirdeği uyarmak için yeterli enerjiye sahip değildir. Bununla birlikte, Mössbauer, geri tepmenin, yayıcı çekirdeğin bağlı olduğu bütün bir kristal tarafından emildiği geçişlere sahip olmanın mümkün olduğunu keşfetti. Bu koşullar altında, geri tepmeye giren enerji, geçiş enerjisinin ihmal edilebilir bir kısmıdır. Bu nedenle, yayılan gama ışınları nükleer geçiş tarafından serbest bırakılan enerjinin neredeyse tamamını taşır. Dolayısıyla gama ışınları, benzer ihmal edilebilir geri tepme koşulları altında, yayıcı ile aynı malzemenin hedef çekirdeğinde, ancak daha düşük bir enerji durumunda bir ters geçişi indükleyebilir. Genel olarak gama ışınları, kararsız bir yüksek enerji durumundan kararlı bir düşük enerji durumuna nükleer geçişler tarafından üretilir. Yayılan gama ışınının enerjisi, nükleer geçiş enerjisinin eksi yayan atoma geri tepme olarak kaybedilen enerji miktarına karşılık gelir. Kayıp geri tepme enerjisi, nükleer geçişin enerji hattı genişliğine kıyasla küçükse , gama ışını enerjisi hala nükleer geçişin enerjisine karşılık gelir ve gama ışını, ilkiyle aynı tipteki ikinci bir atom tarafından soğurulabilir. . Bu emisyon ve sonraki absorpsiyon, rezonant floresans olarak adlandırılır . Ek geri tepme enerjisi de soğurma sırasında kaybedilir, bu nedenle rezonansın oluşması için geri tepme enerjisinin karşılık gelen nükleer geçiş için hat genişliğinin yarısından daha az olması gerekir.

Geri tepme gövdesindeki ( E R ) enerji miktarı, momentum korunumundan bulunabilir:

burada P R geri tepen maddenin momentumudur ve P γ gama ışınının momentumudur. Denklemde enerjiyi ikame etmek şunu verir:

nerede E R ( 0.002  eV için 57
Fe
) geri tepme olarak kaybedilen enerjidir, E γ gama ışınının enerjisidir ( 14.4  keV için 57
Fe
), M ( 56.9354  u için 57
Fe
) Işıması yapan ya da emici gövdenin kütlesi ve c olan ışık hızı . Bir gaz durumunda, yayan ve emen cisimler atomlardır, bu nedenle kütle nispeten küçüktür ve rezonansı önleyen büyük bir geri tepme enerjisi ile sonuçlanır. (Aynı denklemin x-ışınlarında geri tepme enerjisi kayıpları için de geçerli olduğunu, ancak foton enerjisinin çok daha az olduğunu ve daha düşük bir enerji kaybına neden olduğunu ve bu nedenle x-ışınları ile gaz fazı rezonansının gözlemlenebileceğini unutmayın.)

Bir katıda, çekirdekler kafese bağlıdır ve bir gazda olduğu gibi geri tepmezler. Kafes bir bütün olarak geri teper, ancak geri tepme enerjisi ihmal edilebilir çünkü yukarıdaki denklemdeki M , tüm kafesin kütlesidir. Bununla birlikte, bozulmadaki enerji kafes titreşimleriyle alınabilir veya sağlanabilir. Bu titreşimlerin enerjisi, fonon olarak bilinen birimlerle ölçülür . Mössbauer etkisi, fonon içermeyen sonlu bir bozulma olasılığı olduğu için ortaya çıkar. Böylece, nükleer olayların bir kısmında ( Lamb-Mössbauer faktörü tarafından verilen geri tepmesiz kısım ), kristalin tamamı geri tepen cisim gibi davranır ve bu olaylar esasen geri tepmesizdir. Bu durumlarda geri tepme enerjisi ihmal edilebilir düzeyde olduğu için yayılan gama ışınları uygun enerjiye sahip olur ve rezonans oluşabilir.

Genel olarak (bozunmanın yarı ömrüne bağlı olarak) gama ışınları çok dar çizgi genişliğine sahiptir. Bu, nükleer geçişlerin enerjilerindeki küçük değişikliklere çok duyarlı oldukları anlamına gelir. Aslında gama ışınları, bir çekirdek ile elektronları ve komşularının elektronları arasındaki etkileşimlerin etkilerini gözlemlemek için bir sonda olarak kullanılabilir. Bu, bu tür etkileşimleri izlemek için Mössbauer etkisini Doppler etkisiyle birleştiren Mössbauer spektroskopisinin temelidir .

Mössbauer etkisine çok benzeyen bir süreç olan sıfır fonon optik geçişleri , düşük sıcaklıklarda kafese bağlı kromoforlarda gözlemlenebilir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar