Mössbauer effekt: effekten af opdagelse og dens betydning

Artiklen taler om, hvad det Mössbauer effekten. Også beskrevet begreber som quantum energiniveauer i et atom og en atomkerne, fast og kollektiv kvasipartikel deri.

Matematisk sjov

Et gennembrud i fysik, der fandt sted i det første årti af det tyvende århundrede, videnskabsfolk krævede alvorlig viden i matematik. Mange opdagelser er blevet trukket tilbage, så at sige, på spidsen af pennen: først de blev beregnet teoretisk og derefter fundet i praksis.

For eksempel, at der findes gravitationsbølger forudsagt af Einstein i 1910, var i stand til at bekræfte eksperimentelt kun i 2016. Sammenlægningen af to neutronstjerner har skabt rystelser plads, terrestrisk fysik fanget og fast ved at åbne æra af gravitationelle målinger i videnskaben om menneskeheden. Ikke underligt tyngdekraft nævnes her: nemlig til sådanne undersøgelser er Mössbauer effekten værdi. Men dette er undtagelsen snarere end reglen. Oftest, teoretikere og eksperimentatorer træde på hinandens hæle, en undersøgelse gav anledning til behovet for sin matematiske beskrivelse, og negativ konklusion bliver antagelsen af nye, endnu ikke modtaget afhængigheder. Mossbauer virkning var en af disse fænomener. Sådan "side" fænomen er den antagelse og Max Planck udtrykt ved udgangen af 1900. Det siges, at i en verden af elektroner og atomkerner, kan alle mængder kun tage diskrete værdier, der er kvantiseret. Og i hans egen mening, det var bare en matematisk trick, som gjort lettere beregning. Indtil slutningen af sit liv mente han, at kvante, eller den mindst mulige del af for eksempel lys - kun egnet måde at beskrive, ikke bærer en alvorlig fysisk forstand.

Kvanteverdenen

Men andre forskere interesserede i en fyldestgørende beskrivelse af, hvad der sker på skalaen af atomer, anses potentialet i en sådan konklusion, og tog det for givet, at alt er kvantiseret. Elektronerne omkring kernen, må kun være på bestemte baner kerner selv kan kun have bestemte energiniveauer. Skipping derimellem, kerner generere gammastråler. Mössbauer effekt hævder, at handlingen skal producere en slags tilbagevenden, men det sker ikke. Generelt alle de mængder, der beskriver opførslen af NanoWorld er underlagt kvantisering - der er diskrete. Men glem ikke, at det momentum, som i makrokosmos udtrykkes som produktet af antallet af massen til elementarpartikler er noget fundamentalt anderledes, hvilket betyder, at han også er kvantiseret. Så at videnskaben rapport, hvori Maks Plank afledt sin berømte formel, som indeholder værdien af h, eller minimal effekt, åbnede en ny æra. Dette var den æra af kvantefysikken. Mössbauer effekt, fortolkning, som senere blev givet til dette fænomen, er blevet en af de vigtigste milepæle i videnskab i det tyvende århundrede.

Opdagelsen af Mössbauer virkning

Som vi har nævnt ovenfor, de teoretiske konklusioner gik hånd i hånd med eksperimentet. Nogle praktiske konklusioner vist på planter indsamlet bogstaveligt "på knæet", og ud af skrot. Forskere har kunnet ikke kun vise formlen, men også kolben forsegle, skæres brættet til at arbejde med metal og samle installationen. Selvfølgelig, lederen af laboratorierne opsummerer kun resultaterne af deres afdelinger. Men hver forsøgslederen var også en ingeniør, som indretningerne er konstrueret til særlige formål, og gælder i forskningsprocessen. Jeg var ingen undtagelse og Mössbauer effekten. Åbne det ville ikke finde sted, hvis en stædig ph.d. Rudolf Mossbauer ikke ændret metoden til måling køleenheden, i stedet for at opvarme det, som anvist af den tilsynsførende undersøgelser.

faststof

Teorien, som vi vil fortælle læserne i dette afsnit, synes det klart ved første øjekast. Men som det er velkendt, nem at altid opnår utrolige indsats. Og så er vi nu i stand til at fortælle i enkle ord, hvad Mössbauer effekten for Dummies bogstaveligt, engang arbejdede hele laboratoriet.

Under det faste stof menes sædvanligvis et stof i en krystallinsk tilstand. Kerner af atomer i dette tilfælde danner en streng periodisk gitter, mens elektronerne i varierende grader samlet. Selvfølgelig metalkrystaller dannet meget specifik metallisk binding hvorigennem kernen eksisterer som at adskille fra generaliserede elektroner. Den elektron sky lever af sin uafhængige lov, ikke opmærksom på opførslen af krystalgitteret. Krystallerne, der frembyder mere traditionelle ioniske og kovalente bindinger, elektronerne tættere knyttet til "deres" kerner. Men der kan de frit bevæge sig mellem naboknuder end i en gas eller en væske.

Faste sæt egenskaber ikke kun de kemiske elementer, som er i dem, men også symmetri af arrangementet af atomer i forhold til hinanden. I det klassiske eksempel på en carbon struktur frembringer blød grafit, og den anden - det hårdeste naturmateriale - diamant. Så hvad type forbindelse, og symmetri af enheden celle betyde meget for et stift legeme. Egenskaberne for den faste, og det er den afsløring af, hvad Mössbauer effekten. Dens natur forklares således: alle atomerne i et faststof er tilknyttet.

kollektive kvasipartikel

Nu forestille sig et tilstrækkeligt stort tredimensionelt gitter. For modellen mest egnet salt: Na og Cl er placeret i hjørnerne af terningerne, den ene efter den anden. Hvis en eller anden måde få et atom, og trække ham til at bryde det sædvanlige balance, takket være en tilstrækkelig stiv forbindelse, efter at det trak de tilstødende atomer. Beregninger viser, at ændringen i positionen af kernen har i det mindste nogen væsentlig indvirkning på naboerne til den tredje ordre. Dette betyder, at hvis "grab" natrium, efterfulgt trukket tilstødende chloratomer, natrium atomer efter ham et yderste lag af chlor. Virkningen af dette sandsynligvis vil blive udvidet i alle retninger. Det er normalt sagde, at fjerde ordens forstyrrelse naboer er ubetydelig. Men de er ikke nul.

Hvis derfor en eller anden måde "knock" krystal stærkere (fx at sende ham en laser eller elektronstråle), vil krystalgitterparametrene "bølger". Sådan kollektiv bevægelse, når mange tilgrænsende atomer i krystallen samtidigt skift føler, fx op eller ned, kaldet fononer. Tilgængelige at beskrive, hvad det Mössbauer effekten for dummies, vil vi ikke gå i detaljer, og bare fortælle dig, at de fononer viste sig at opføre sig som elementarpartikler. For eksempel, deres energi er kvantiseret, de besidder bølgelængde momentum og er i stand til at interagere med hinanden. Således er de fononer kaldes kollektive kvasipartikel. Deres antal og kvalitet af det faste legeme er givet en struktur, hvori de forekommer. Beregne det kan være, at kende størrelsen, symmetri og typer af atomer i enhedscellen. På forekomsten af fonon også påvirke længden og typen af bindinger mellem ionerne i krystalgitteret.

band teori

Eftersom fast sammenfatter alle sine elektroner, og orbitaler (og dermed deres energi) bør også generaliseres. For det første skal vi huske, at elektronerne hører til denne klasse af partikler kaldes fermioner. Fermi, Dirac og Pauli sammen fundet, at i en tilstand kan være i systemet, kun én sådan partikel. Hvis vi vender tilbage til eksemplet med salte, hver krystal, som vi drys suppe eller kød, omfattende en utrolig mængde af natrium- og chloridioner. Og hver af dem har det samme antal elektroner, der roterer på identiske baner. Hvordan kan det være? En fast kommer ud af situationen som følger: energien af hver elektron kredser omkring kernen, en smule forskellig fra alle andre energi elektroner tilhører samme bane andet atom. Det således opnåede: i krystallen eksisterer ekstremt meget energiniveauer, der afviger fra hinanden tilstrækkeligt små til at danne en komprimeret område. Perturbationerne der indfører fononer lille, fordi et atom intervaller er ikke særlig stærk. Alle, der betyder noget, er den kollektive bevægelse som helhed. Derfor fononenergien så at sige "opløst" i energiområdet. Baseret på dette og Mössbauer effekt.

Elektromagnetisk skala

Bevægelsen af ladede partikler er ledsaget af et elektromagnetisk felt. Dette faktum sætter for eksempel spørgsmålet om, hvorfor en planet og satellitter besidder dem, mens andre - ikke. Elektromagnetiske bølger kan inddeles i klasser efter deres frekvens og derfor energi. Disse to kendetegn er indbyrdes forbundne og afhænger af bølgelængden. Hvad er Mössbauer effekt kan kun kortvarigt, forudsat at læseren forstår, hvor elektromagnetisk skala ligger gammastråling. Så åbne æteren skalaen. Teoretisk begrænse deres bølgelængde - dimensioner univers. energien af en sådan stråling ville imidlertid være så lille, at det er umuligt at registrere. Lidt højere frekvens i terahertzstråling. Det er imidlertid, og radiobølgerne observeres i meget specifikke betingelser: hæmning af elektroner i et magnetfelt, bøjnings- vibrationer af polymerer, flytning af excitoner i det faste stof. Mere klar næste del af det elektromagnetiske spektrum - den infrarøde stråling. Den overfører energi i form af varme. Selv højere energi af synligt lys. Den del af spektret, at det menneskelige øje ser er meget lille sammenlignet med hele skalaen.

Rødt lys er det laveste, og lilla - det højeste. I denne forbindelse er det kendt paradoks: mere koldt vand er angivet i blå, hvis energi er højere end for rødt lys. Efter at den ultraviolette del af det elektromagnetiske skala allerede har en tilstrækkelig høj frekvens til at trænge ind i et faststof. Trods det faktum, at folk, som andre levende væsener på vores planet, ikke opfatter ultraviolet lys, dens betydning for et velfungerende biologiske organismer er enorm. Den vigtigste kilde til ultraviolet undersøgelse er solen. Højere energi og evnen til at trænge mange stoffer har røntgen. Kilden til sådan stråling er decelerationen af elektroner i de elektromagnetiske felter. Elektronerne kan være både bundet, dvs. tilhører atomer og frie. De medicinske indretninger er anordninger ved frie elektroner. Endelig hårdeste og mest kortbølge er gammastråling.

X-stråler og gamma

Mossbauer virkning og dens anvendelse i fysik og teknik er nødt til at skelne mellem gammastråler og røntgenstråler. Af niveauet af energi og dermed bølgelængden de er i en meget bred vifte af overlapning. Dvs. der er en gamma og røntgenstråling med en bølgelængde på 5 picometres. Forskellige metoder til fremstilling deraf. Som forklaret ovenfor røntgenstrålingen opstår, når deceleration af elektroner. I visse processer (herunder nuklear) forsvinder elektron fra den indre skal tilstrækkelig tung atom, såsom uran. Men andre elektroner tendens til at tage hans plads. Sådanne overgange, og blive en kilde til røntgenstråler. Gammastråler er resultatet af kernen overgange fra en højere exciteret tilstand. Denne stråling har en høj indtrængningsevne og ioniserer atomer, hvortil interagerer. Hvor, når gammastråle kolliderer med kernen af et atom, skal der være en såkaldt tilbageslag. Men i praksis viste det sig, at interaktionen af gammastråler med kernen af et atom, der tilhører det stive legeme, mangler effekten. Dette forklares ved den kendsgerning, at yderligere energi, da det var "udtværet" ad elektronisk bånd af krystallen, hvilket skaber en phonon.

isotoper

Mossbauer virkning og dens anvendelse er nært beslægtet med den ene overraskende faktum: fænomenet ikke virke på alle kemiske grundstoffer i det periodiske system. Desuden er det væsentligt kun for nogle stoffer isotoper. Hvis læseren pludselig er glemt, hvad isotoper tilbagekaldelse. Det er kendt, at enhver given atom er elektrisk neutral. Det betyder, at i kernen af positive protoner så meget som i elektron skallen. Men kernen indeholder, også en neutron, partikel uden beregning. Hvis du ændrer antallet i kernen, er elektrisk neutralitet ikke krænkes, men egenskaberne for atom ændret en smule. Desuden sker det, at den tungere isotop er radioaktiv og er tilbøjelig til forfald, mens almindeligt stof er ganske stabil. En omfattende liste over betonelementer og deres isotoper, som er kendetegnet ved Mössbauer virkning. Påvisning af ⁵⁷ Fe, fx generelt tillid til dette fænomen.

Brugen af kvanteeffekter

Produce erfaring, hvilket bekræftes af den ene eller den anden hypotese er relateret til den mikroskopiske verden, er det ofte ikke let. Desuden er det uklart, hvilke fordele kan bringe den samme effekt Mössbauer? Brugen af det, men er bred nok. Undersøgelse af egenskaber af krystallinske materialer, amorfe faste stoffer og findelte pulvere, forekommer, også via denne kvantefænomen. Sådanne data er nødvendige i forholdsvis fjernt fra praksis sektioner (teoretisk fysik), og i meget tæt mand discipliner - såsom medicin. Således bør overvejes Mössbauer effekten og dets anvendelse som et eksempel på teoretisk opdagelse, der bringer en masse fordele, selv i hverdagen.