Эффект Мёссбауэра - Mössbauer effect - Wikipedia

В Эффект Мёссбауэра, или же безоткатная ядерно-резонансная флуоресценция, это физическое явление, открытое Рудольф Мёссбауэр в 1958 г. Он включает в себя резонансные и отдача -свободное выделение и поглощение гамма-излучение атомными ядрами, связанными в твердом теле. Его основное приложение находится в Мессбауэровская спектроскопия.

В эффекте Мёссбауэра узкий резонанс для ядерного гамма-излучения и поглощения возникает из-за импульса отдачи, передаваемого в окружающую среду. кристаллическая решетка а не только с излучающим или поглощающим ядром. Когда это происходит, никакая гамма-энергия не теряется в кинетической энергии отскакивающих ядер на излучающем или поглощающем конце гамма-перехода: излучение и поглощение происходят при одной и той же энергии, что приводит к сильному резонансному поглощению.

История

Эмиссия и поглощение Рентгеновские лучи газами наблюдались ранее, и ожидалось, что подобное явление будет найдено для гамма излучение, которые созданы ядерный переходы (в отличие от рентгеновских лучей, которые обычно производятся электронные переходы ). Однако попытки наблюдать ядерный резонанс, вызванный гамма-лучами в газах, потерпели неудачу из-за потери энергии на отдачу, предотвращающей резонанс ( Эффект Допплера также расширяет спектр гамма-лучей). Мессбауэру удалось наблюдать резонанс в ядрах твердых тел. иридий, в связи с чем возник вопрос, почему гамма-резонанс возможен в твердых телах, но не в газах. Мёссбауэр предположил, что в случае атомов, связанных в твердое тело, при определенных обстоятельствах часть ядерных событий может происходить практически без отдачи. Он объяснил наблюдаемый резонанс этой долей ядерных событий без отдачи.

Эффект Мёссбауэра был одним из последних крупных открытий в физике, о которых первоначально сообщалось на немецком языке. Первым отчетом на английском языке было письмо с описанием повторения эксперимента.^[1]

Открытие было награждено Нобелевская премия по физике в 1961 г. вместе с Роберт Хофштадтер исследование рассеяние электронов в атомных ядрах.

Описание

Спектр мессбауэровского поглощения ⁵⁷Fe

Эффект Мёссбауэра - это процесс, в котором ядро испускает или поглощает гамма-лучи без потери энергии на ядерную отдачу. Он был открыт немецким физиком Рудольфом Л. Мёссбауэром в 1958 году и оказался чрезвычайно полезным для фундаментальных исследований в области физики и химии. Он использовался, например, для точного измерения небольших изменений энергии в ядрах, атомах и кристаллах, вызванных электрическими, магнитными или гравитационными полями. При переходе ядра из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией с сопутствующим испусканием гамма-лучей это излучение обычно вызывает отдачу ядра, и это забирает энергию из испускаемых гамма-лучей. Таким образом, гамма-лучи не обладают достаточной энергией для возбуждения исследуемого ядра-мишени. Однако Мессбауэр обнаружил, что возможны переходы, при которых отдача поглощается всем кристаллом, в котором излучающее ядро связано. В этих условиях энергия отдачи составляет ничтожно малую часть энергии перехода. Следовательно, испускаемые гамма-лучи несут практически всю энергию, выделяемую ядерным переходом. Таким образом, гамма-лучи способны вызывать обратный переход в аналогичных условиях пренебрежимо малой отдачи в ядре-мишени из того же материала, что и излучатель, но в более низком энергетическом состоянии. Как правило, гамма-лучи возникают в результате ядерных переходов из нестабильного состояния с высокой энергией в стабильное состояние с низкой энергией. Энергия испускаемого гамма-луча соответствует энергии ядерного перехода за вычетом количества энергии, которое теряется в виде отдачи для излучающего атома. Если потерянная энергия отдачи мала по сравнению с энергией ширина линии ядерного перехода, то энергия гамма-излучения все еще соответствует энергии ядерного перехода, и гамма-луч может быть поглощен вторым атомом того же типа, что и первый. Это излучение и последующее поглощение называется резонансный флуоресценция. Дополнительная энергия отдачи также теряется во время поглощения, поэтому для возникновения резонанса энергия отдачи должна быть меньше половины ширины линии для соответствующего ядерного перехода.

Количество энергии в отскакивающем теле ( $E р$ ) можно найти из сохранения импульса:

{ Displaystyle | P _ { mathrm {R}} | = | P _ { mathrm { gamma}} | ,}

куда $п р$ - импульс отскакивающего вещества, а $п γ$ импульс гамма-луча. Подстановка энергии в уравнение дает:

{ Displaystyle E _ { mathrm {R}} = { frac {E _ { mathrm { gamma}} ^ {2}} {2Mc ^ {2}}}}

куда $E р$ (0.002 эВ за ⁵⁷
Fe
) - энергия, теряемая на отдачу, $E γ$ это энергия гамма-излучения (14.4 кэВ за ⁵⁷
Fe
), $M$ (56.9354 ты за ⁵⁷
Fe
) - масса излучающего или поглощающего тела, а c это скорость света.^[2] В случае газа излучающими и поглощающими телами являются атомы, поэтому масса относительно мала, что приводит к большой энергии отдачи, которая предотвращает резонанс. (Обратите внимание, что то же уравнение применимо к потерям энергии отдачи в рентгеновских лучах, но энергия фотонов намного меньше, что приводит к меньшим потерям энергии, поэтому газовый резонанс можно наблюдать с помощью рентгеновских лучей.)

В твердом теле ядра связаны с решеткой и не отскакивают так же, как в газе. Решетка в целом изгибается, но энергия отдачи незначительна, поскольку $M$ в приведенном выше уравнении - это масса всей решетки. Однако энергия распада может поглощаться или передаваться колебаниями решетки. Энергия этих колебаний квантована в единицах, известных как фононы. Эффект Мёссбауэра возникает потому, что существует конечная вероятность распада без фононов. Таким образом, в части ядерных событий ( безоткатная фракция, предоставленный Фактор Лэмба – Мёссбауэра ), весь кристалл действует как тело отдачи, и эти события практически без отдачи. В этих случаях, поскольку энергия отдачи незначительна, испускаемые гамма-лучи имеют соответствующую энергию, и может возникнуть резонанс.

Как правило (в зависимости от периода полураспада) гамма-лучи имеют очень узкую ширину линии. Это означает, что они очень чувствительны к небольшим изменениям энергии ядерных переходов. Фактически, гамма-лучи можно использовать в качестве зонда для наблюдения эффектов взаимодействия между ядром и его электронами и электронами его соседей. Это основа мессбауэровской спектроскопии, которая сочетает в себе эффект Мессбауэра с Эффект Допплера отслеживать такие взаимодействия.

Бесфононные оптические переходы, процесс, очень похожий на эффект Мессбауэра, может наблюдаться в решеточно-связанных хромофоры при низких температурах.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Мёссбауэр, Р. Л. (1958). "Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung in Ir¹⁹¹". Zeitschrift für Physik A (на немецком). 151 (2): 124–143. Bibcode:1958ZPhy..151..124M. Дои:10.1007 / BF01344210.
Фрауэнфельдер, Х. (1962). Эффект Мёссбауэра. В. А. Бенджамин. LCCN 61018181.
Эйджес, Л. (1965). «Физика эффекта Мёссбауэра». Американский журнал физики. 33 (10): 790–802. Bibcode:1965AmJPh..33..790E. Дои:10.1119/1.1970986.
Гессе, Дж. (1973). "Простое устройство для обучающих измерений эффекта Мессбауэра". Американский журнал физики. 41 (1): 127–129. Bibcode:1973AmJPh..41..127H. Дои:10.1119/1.1987142.
Нинио, Ф. (1973). «Принудительный гармонический осциллятор и переход в нуль-фонон эффекта Мессбауэра». Американский журнал физики. 41 (5): 648–649. Bibcode:1973AmJPh..41..648N. Дои:10.1119/1.1987323.
Vandergrift, G .; Фульц, Б. (1998). «Объяснение эффекта Мессбауэра». Американский журнал физики. 66 (7): 593–596. Bibcode:1998AmJPh..66..593V. Дои:10.1119/1.18911.
Энциклопедия Американа (1988) "Эффект Мёссбауэра" Энциклопедия Американа 19: 500 ISBN 0-7172-0119-8 (набор)

внешняя ссылка

СМИ, связанные с Эффект Мёссбауэра в Wikimedia Commons

[1] Craig, P .; Дэш, Дж .; McGuire, A .; Nagle, D .; Рейсвиг, Р. (1959). «Ядерно-резонансное поглощение гамма-лучей в Ir¹⁹¹". Письма с физическими проверками. 3 (5): 221. Bibcode:1959ПхРвЛ ... 3..221С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.3.221.

[2] Нейв, C.R. (2005). «Эффект Мёссбауэра в железе-57». Гиперфизика. Государственный университет Джорджии. Получено 7 июн 2010.

[1]

[2]