Mössbauer-effektus

A Mössbauer hatás (miután a felfedezője Rudolf Mössbauer , is írt Mössbauer hatás ) értendő, mint a visszarúgás-mentes magrezonancia felszívódását a gamma-sugárzás által atommagok . Ha kombinálja a gamma-kvantum emisszióját és megújult abszorpcióját , a Mössbauer-spektroszkópia rendkívül érzékeny mérési módszer a gamma-kvantum energiaváltozására. Ehhez az atommagnak olyan kristályrácsban kell lennie, amely átveheti a visszarúgást, és nagy tömege miatt alig von el energiát a gammakvantumból (lásd még a rugalmas ütközést is ). Rudolf Mößbauer 1961-ben történt felfedezéséért fizikai Nobel-díjat kapott .

A gammasugárzás tulajdonságai

A fizikusok a gammasugárzást a 20. század eleje óta a radioaktivitás jelenségeként ismerik . Antoine Henri Becquerelt és Paul Villardot tartják felfedezőknek , akik 1900 körül képesek bizonyítani, hogy a gammasugárzás rendkívül nagy energiájú elektromágneses hullám. A gammasugárzás többek között felmerül. az előző alfa- vagy béta- bomlás eredményeként , mivel az atommag ezen bomlás után gerjesztett állapotban van.

Az α vagy β bomlással ellentétben a gamma-kvantum emissziója nem változtatja meg lényegesen a magot, nincs átalakulás egy másik nukliddá . Csak a magban tárolt gerjesztési energia bocsátódik ki egy vagy több sugárzási kvantumként, akárcsak a gerjesztett elektronok fénykvantumok formájában. Az atommagok képesek elnyelni a gamma kvantumokat is, ennek eredményeként az előző állapothoz képest gerjesztett állapotba kerülnek.

Elméleti megfontolásokból korán arra a következtetésre jutottak, hogy a legtöbb mag által kibocsátott gammasugárzást nagyon éles energiaszintek jellemzik, ezért rendkívül keskeny vonalszélességűnek kell lennie. Az atommagok összehasonlíthatók egy oszcilláló kristályokkal is, amelyek csak bizonyos frekvencián gerjeszthetők. Valójában sok gamma-sugárzási átmenet energiaállandósága (és ezáltal a frekvencia pontossága) összehasonlítható az atomórák pontosságával .

A kezdeti helyzet Mößbauer előtt

Az elméletileg megjósolt gamma-sugárzás spektrális tisztasága gyakorlatilag nem volt kimutatható Mössbauer felfedezése előtt. A gamma kvantumok nagy energiája miatt gyakoriságuk csak durván meghatározható kalorimetriás módszerekkel. Az elektronikus frekvenciaszámláló már nem működik a gammasugárzás frekvenciatartományában.

Ezenkívül, amikor egy gamma-kvantum kibocsájtásra kerül, a mag visszahúzódást tapasztal, amelyet nem lehet elhanyagolni. Ez a kvantumok nagy energiájának köszönhető, amelyek fotonként nem rendelkeznek tömeggel , de impulzussal rendelkeznek . A magra ható visszarúgás a gamma-kvantum energiájának csökkenését okozza: Ha a mag a foton emissziója révén elveszíti az energiáját a tömeggel , akkor az energia és a lendület megőrzése miatt az energia visszahúzódását tapasztalja . A kibocsájtott fotonnak csökkentett energiája van . ${\ displaystyle M}$${\ displaystyle E_ {0}}$${\ displaystyle E_ {R}}$${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle E _ {\ gamma} = E_ {0} - \ Delta E}$

${\ displaystyle E_ {R} = \ Delta E = {\ frac {E _ {\ mathrm {\ gamma}} ^ {2}} {2Mc ^ {2}}}}$

Ez (a magtömeg mellett ) és a foton relativisztikus energia-impulzus viszonyából adódik . ${\ displaystyle E_ {R} = {\ tfrac {({\ vec {p}}) ^ {2}} {2M}}}$${\ displaystyle M}$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {\ gamma}} = pc = | {\ vec {p}} | \, c}$

Ezzel a leírással egyenértékű szempont a most mozgó mag szempontjából, figyelembe véve a Doppler-frekvenciaeltolódást . Ha egy magnak állítólag ismét el kell nyelnie egy másik mag által kibocsátott gammakvantumot, akkor ez valójában csak akkor lehetséges, ha mindkét mag a visszarúgás sebességének pontosan kétszeresével repült egymás felé (duplája, mert az abszorpció során ugyanolyan erős visszarúgás van ). A szükséges sebességet kísérletileg lehet előállítani, például úgy, hogy a forrást vagy az abszorbert egy gyorsan forgó centrifuga vagy forgótányér szélére helyezzük, vagy a forrást felmelegítjük a hővezeték szélesedése érdekében. Mössbauer mindkét módszert követte. A centrifuga vagy a forgótányér használata (mivel a PB Moon 1951-ben használta először a magmágneses rezonancia fluoreszcenciájára) az általa használt irídium- forrásnál nem volt megvalósítható, mivel az a később felfedezett hatás nélkül szuperszonikus sebességet igényelt volna.

Mössbauer kísérlete

Dolgozatának részeként, amelyet 1958-ban a Müncheni Műszaki Egyetemen hajtottak végre Heinz Maier-Leibnitznél, és amelyhez korábban a Heidelbergi Max Planck Orvostudományi Kutató Intézetben kísérletezett, Mößbauer egy ilyen kibocsátás valószínűségét akarta, egy gamma-kvantum abszorpciója határozza meg. Azt a követelményt, hogy a két érintett mag a megfelelő sebességgel mozogjon egymás felé, az atomok hőmozgásával kell teljesíteni.

Kísérlete sematikus felépítése:

A bal oldalon található egy radioaktív forrás a gammasugarakhoz. Néhány sugár a jobb oldalon elnyeli egy abszorbert, amely ugyanazokat az atomokat tartalmazza, mint a forrás, de ezek eredendően nem radioaktívak. Ha az abszorber magját gamma foton éri, akkor a gamma foton szétszóródhat a detektor felé, ha a fenti követelmény teljesül. A sugárzás detektorhoz vezető közvetlen útját ólomvédő pajzs zárja el.

A hőmérséklet a szilárd anyagok , folyadékok és gázok korrelál a sebesség a részecskék ( atomok , molekulák ) bennük. Minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabban mozognak a részecskék átlagosan. Az összes részecske sebessége azonban nem azonos, hanem statisztikailag oszlik el, csakúgy, mint a részecskék mozgásiránya.

Mössbauer arra számított, hogy a hőmérséklet növekedésével nő az emisszió és az azt követő abszorpció valószínűsége, mivel statisztikailag több atom halad egymás felé a megfelelő sebességgel. Ezzel szemben nagyon alacsony hőmérsékleten ennek a folyamatnak a valószínűsége majdnem nullára csökken, mivel az atomok átlagosan olyan lassúak, hogy a kívánt sebességkülönbséget alig lehet elérni.

A kezdetben meglepő eredmény

Az első szobahőmérséklet feletti és feletti mérések kezdetben úgy tűnt, hogy megerősítik Mössbauer elvárásait. Amikor azonban kíváncsiságból hűteni kezdte a forrást és az abszorbert, meglepő módon azt tapasztalta, hogy a gamma-emisszió és az abszorpció valószínűsége alacsony hőmérsékleten hirtelen ismét hirtelen emelkedik, meghaladva a magasabb hőmérsékleten mért értékeket.

Mößbauer szilárd anyagokkal végzett kísérleteit. Ezekben az atomok a kristályrács nyugalmi helyzetei körül ingadoznak (növekvő hőmérséklet és amplitúdó mellett). A kvantummechanika miatt azonban nem minden oszcillációs állapot megengedett, hanem csak diszkrét energiaállapotok ( fononok ). Emiatt, amikor egy gammakvantum kibocsájtásra és felszívódásra kerül, a mag nem képes erőteljes impulzust kibocsátani rezgési energia formájában. Mivel az oszcillációs energia abszorpciója és felszabadulása kvantált, bizonyos valószínűséggel (az úgynevezett Debye-Waller faktor adta meg) van esély arra, hogy az atom nem generál semmilyen rezgési energiát, és visszahúzódási impulzusát át tudja adni a teljes kristályrácsra. Mivel tömege jelentősen meghaladja a mag tömegét, ebben az esetben a gamma-emisszió és az abszorpció szinte visszarúgás nélkül történik.

Moessbauer ezután pontosabban ellenőrizte az eredményt azzal, hogy a forrást egy lemezjátszóhoz rögzítette, és így a Doppler-effektust használta az energia változtatására és a rezonancia mérésére.

A Mössbauer által használt Iridium-191 izotópban a gammasugár energiája 129 keV volt , a természetes vonalszélesség pedig az eV nagyságrendje . Az energiafeloldást tehát soha nem sikerült elérni . Nem sokkal később más Mössbauer-vonalakat fedeztek fel, különösen a Fe-57-et szobahőmérsékleten visszarázódás-mentes emisszióval, 14,4 keV gammasugár-energiával és eV természetes vonalvastagsággal . ${\ displaystyle 10 ^ {- 5}}$${\ displaystyle 10 ^ {- 10}}$${\ displaystyle \ kb. 5 \ cdot 10 ^ {- 9}}$

Alkalmazások

A visszarúgás nélküli magrezonancia-abszorpció teljesen új mérési módszereket eredményez a szilárdtestfizika, az anyagkutatás és a kémia területén. Továbbá az általános relativitáselmélet jóslatai is vizsgálhatók ezzel a hatással. 1960-ban Robert Pound és Glen Rebka Mössbauer-kísérletében kiderült, hogy ha a forrás és az abszorber függőlegesen 20 méterre helyezkedik el egymástól, akkor a föld gravitációs potenciálja mérhető változáshoz vezet a fénykvantum energiájában, amikor áthaladnak a magasságkülönbség ( Font Rebka kísérlet ).

A Mössbauer-hatást ma a legváltozatosabb területeken alkalmazzák a kémia területén. Mivel a molekula elektronhéjának alakja enyhén befolyásolja atommagjainak gerjesztett állapotainak energiaszintjét, a Mössbauer-hatás a kémiai elemzés során pótolhatatlan eszközzé fejlődött (lásd: Mössbauer-spektroszkópia ).

irodalom

• Mößbauer Rudolf: Gamma-sugárzás az Ir191-ben . In: Fizikai Közlöny . szalag 151 , 1958, pp. 124-143 , doi : 10.1007 / BF01344210 . 
• Rudolf Mößbauer : A gamma-sugárzás recoilless nukleáris rezonancia-abszorpciója , Nobel-előadás, 1961, Online
• Hans Frauenfelder : A Mössbauer-effektus , WA Benjamin, New York, 1962
• Leonard Eyges: A Mössbauer-effektus fizikája . In: American Journal of Physics . szalag 33. , 1965, pp. 790-802 , doi : 10.1119 / 1.1970986 . 
• Philipp Gütlich: fizikai módszerek in chemistry: Mössbauer-spektroszkópia I . In: Kémia a mi korunkban . szalag 4 , 1970, pp. 133-144 , doi : 10.1002 / ciuz.19700040502 . 
• Horst Wegener : A Mössbauer-effektus és alkalmazása a fizikában és a kémiában , BI Wissenschaftsverlag 1965

web Linkek

• Mössbauer-effektus ( LEIFI )

Megjegyzések

1. ^ PB Moon: A gamma-sugarak rezonáns nukleáris szórása: elmélet és előzetes kísérletek . In: A Fizikai Társaság folyóirata. A szakasz . szalag 64 , no. 1. , 1951. január, p. 76–82 , doi : 10.1088 / 0370-1298 / 64/1/311 (idézi Mößbauer Nobel-előadásában). 
2. ↑ A visszarúgási energiát elnyelni képes kristályrács területe nagyjából a gömb térfogatából adódik, amelynek sugara megegyezik azzal a távolsággal, amelyet a hang ebben a rácsban meg tud haladni a gammaátmenet átlagos élettartama alatt.
3. ^ Hans Kuzmany: Szilárdtest-spektroszkópia: Bevezetés . Springer Science & Business Media, 1998, p. 300 ( korlátozott előnézet a Google Könyvkeresőben).