/ / Mössbauerov efekt: otkriće učinka i njegovo značenje

Mossbauerov učinak: otkriće učinka i njegovo značenje

Članak govori o tome što je Mossbauerov efekt. Isto tako se otkrivaju i koncepti poput kvantne, energetske razine atoma i atomske jezgre, čvrstog tijela i kolektivnih kvazipartikula u njemu.

Math zabava

Mössbauerov učinak

Proboj u fizici, koji se dogodio u prvomdesetljeće dvadesetog stoljeća, zahtijevao je da znanstvenici imaju ozbiljno znanje u matematici. Mnoga su otkrića izvedena, kao što kažu, na vrhu olovke: u početku su teoretski izračunati i tek tada otkriveni u praksi.

Na primjer, prisutnost gravitacijskih valova,koje je predvidio Einstein 1910. godine, mogao se eksperimentalno potvrditi 2016. godine. Spajanje dviju neutronskih zvijezda izazvalo je tremor u svemiru, koji su fizičari zemlje uhvatili i fiksirali, otvarajući eru gravitacijskih mjerenja u znanosti čovječanstva. Nije čudo da se ovdje spominje gravitacija: za takvo je istraživanje važno važiti Mössbauerov učinak. Ali ovo je iznimka, a ne pravilo. Najčešće su teoretičari i eksperimenteri napali jedni druge na petama: jedna je studija potaknula potrebu za matematičkim opisom, a strani zaključci bili su pretpostavka novih, još neizvedenih zavisnosti. Mössbauerov učinak pokazao se kao jedan od tih fenomena. Takav "nusproizvod" bio je pretpostavka Maxa Plancka, izražena krajem 1900. godine. Navodi da u svijetu elektrona i atomskih jezgri sve vrijednosti mogu uzeti samo diskretne vrijednosti, tj. Kvantizaciju. Štoviše, u vlastitom uvjerenju, to je bio samo matematički trik koji je proračune učinio prikladnijim. Do kraja života vjerovao je da je kvantni ili najmanji mogući dio, poput svjetlosti, bio samo prikladan način opisivanja, što nije imalo ozbiljno fizičko značenje.

Kvantni svijet

Mössbauerov učinak i njegova primjena

Međutim, zainteresirani su i drugi znanstveniciadekvatan opis onoga što se događa na ljestvici atoma, smatra se potencijalom takvog zaključka i zauzima za aksiom da se sve kvantizira. Elektroni oko jezgre mogu biti samo u određenim orbitama, a atomska jezgra može imati samo određene razine energije. Skakanje između njih, jezgre generiraju gama kvantu. Mössbauerov učinak tvrdi da ova akcija treba stvoriti neku vrstu povratka, ali to se ne događa. Općenito, sve količine koje opisuju ponašanje nanoworlda podliježu kvantiziranju - to jest, diskretno. Međutim, ne treba zaboraviti da je impuls, koji je u makrokozmosu izražen kao produkt mase i brzine, za elementarnu česticu nešto bitno drugačije, što znači da je također kvantificirano. Znači, u znanosti, izvješće u kojem je Max Planck proizveo njegovu poznatu formulu koja sadrži vrijednost h ili minimalne akcije, otvorila je novo doba. Bila je to era kvantne fizike. Mössbauerov efekt, tumačenje koje je kasnije dana ovom fenomenu, postalo je jedno od najvažnijih prekretnica znanosti dvadesetog stoljeća.

Otkriće efekta Mössbauer

Mössbauerov efekt za lutke

Kao što smo već napomenuli, teoretski zaključcikrenuo ruku pod ruku s eksperimentom. Neki praktični zaključci dokazani su na instalacijama sastavljenim doslovno "na koljenu" i improviziranim materijalima. Znanstvenici su morali biti u stanju ne samo prikazati formule, već i lemnice, rezati ploče, raditi s metalima i sastavljati instalacije. Naravno, voditelji laboratorija samo su saželi rezultate svojih odjela. Međutim, svaki je eksperimentator bio i inženjer jer su uređaji razvijeni u specifične svrhe i izravno u istraživačkom procesu. Mössbauerov učinak nije bio izuzetak. Njeno se otkriće ne bi dogodilo da tvrdoglavi doktorand Rudolf Moessbauer nije promijenio metodu mjerenja hlađenjem instalacije, umjesto da ga zagrijava, kako je savjetovao nadzornik.

Čvrsta tijela

Mössbauerova vrijednost efekta

Teorija, koju čitateljima kažemo u ovomena prvom mjestu izgleda razumljivo. Međutim, kao što je dobro poznato, lakoća uvijek postiže nevjerojatne napore. Da bismo mogli reći jednostavnim riječima što je Mössbauerov učinak za čajnike, doslovno, cijeli laboratoriji su nekoć radili.

Pod krutinom se obično misli na supstancuu kristalnom stanju. Jezgre atoma u ovom slučaju tvore strogu periodičnu rešetku, dok su elektroni manje ili više generalizirani. Naravno, u kristalima metala nastaje vrlo specifična metalna veza, zbog čega jezgre postoje kao odvojene od generaliziranih elektrona. Oblak elektrona živi po svojim vlastitim nezavisnim zakonima, ne obraćajući pozornost na ponašanje kristalne rešetke. U kristalima, gdje su prisutne tradicionalnije ionske i kovalentne veze, elektroni su u većoj mjeri povezani s "njihovim" jezgrama. Međutim, tamo se oni kreću slobodnije između susjednih čvorova nego u plinu ili tekućini.

Svojstva čvrstog stanja nisu samo postavljenakemijske elemente koje oni uključuju, ali i simetriju rasporeda atoma međusobno. U klasičnom primjeru ugljika, jedna struktura proizvodi meki grafit, a drugi, najteži prirodni materijal, je dijamant. Dakle, tip spoja i simetrija jedinične ćelije znače puno krutini. U svojstvima čvrstog tijela leži otkrivanje onoga što je Mössbauerov efekt. Njegova se priroda objašnjava na sljedeći način: svi atomi u čvrstom tijelu su povezani.

Kolektivne kvazičestice

Otvaranje Mössbauer efekta

Sada zamislite dovoljno veliktrodimenzionalna rešetka. Za model je najprikladnija sol: Na i Cl su smješteni u vrhovima kocki, zamjenjujući jedni druge. Ako nekako zgrabite jedan atom i povučete ga, pomaknite ga s uobičajenog mjesta ravnoteže, zahvaljujući prilično uskoj vezi, a slijede je susjedni atomi. Izračuni pokazuju da promjena položaja jedne jezgre ima barem značajan utjecaj na susjede trećeg reda. To znači da ako "zgrabite" natrij, povući će ga susjedni atomi klora, njegovi natrijevi atomi i još jedan najudaljeniji sloj klora. Utjecaj toga, očito, proširit će se u svim smjerovima. Obično se kaže da su smetnje susjeda četvrtog reda zanemarive. Međutim, oni nisu nula.

Stoga, ako nekako "udarite"kristal je jači (na primjer, za slanje lasera ili elektronske zrake na njega), kristalna rešetka će ići "valovima". Takvi kolektivni pokreti, kada mnogi susjedni atomi kristala istovremeno doživljavaju pomak, na primjer gore ili dolje, nazivaju se fononi. Da bismo opisali što je Mössbauerov efekt za čajnike, nećemo ulaziti u detalje i samo vam reći da se fononi, kako se ispostavilo, ponašaju kao elementarne čestice. Na primjer, njihova energija je kvantizirana, imaju valnu duljinu, impuls i mogu međusobno djelovati. Tako se fononi nazivaju kolektivnim kvazipartikama. Njihova količina i kvaliteta određena je strukturom čvrstog tijela u kojem nastaju. Možete ga izračunati, znajući veličinu, simetriju i tipove atoma jedinične ćelije. Na pojavu fonona utječe i dužina i tip veza između iona u kristalnoj rešetki.

Teorija zona

Interpretacija Mössbauer efekta

Budući da čvrsto tijelo sažima sve svoje elektrone,tada se orbitale (a time i njihove energije) također moraju generalizirati. Prvo moramo zapamtiti da elektroni pripadaju ovoj klasi čestica zvanim fermioni. Fermi, Dirac i Pauli zajednički su otkrili da samo jedna čestica te vrste može biti u jednom stanju u ovom sustavu. Ako se vratite na primjer soli, svaki kristal s kojim pospite juhu ili meso sadrži nevjerojatnu količinu natrijevih iona i klora. I svaki od njih ima isti broj elektrona, koji se rotiraju u identičnim orbitama. Kako biti? Čvrsto tijelo izlazi iz situacije na sljedeći način: energija svakog elektrona koji rotira u orbiti oko jezgre malo se razlikuje od energije drugog elektrona koji pripada istoj orbiti drugog atoma. Dakle, ispada: u kristalu ima nevjerojatno mnogo energetskih razina koje se međusobno razlikuju tako malo da tvore komprimiranu zonu. Perturbacije koje uvodi fononi su male, jer jedan atom ne jako oscilira. Ono što je važno je kolektivni pokret u cjelini. Dakle, fononska energija se "otopi" u zonskoj energiji. To je osnova Mossbauer efekta.

Elektromagnetska skala

Kretanje nabijenih čestica popraćeno jepojava elektromagnetskog polja. Ta činjenica potiče, primjerice, pitanje zašto je jedan planet i njegovi sateliti posjeduju, dok drugi ne. Elektromagnetski valovi mogu se podijeliti u klase prema njihovoj frekvenciji i, shodno tome, energiji. Ove dvije karakteristike su međusobno povezane i također ovise o valnoj duljini. Što je Mössbauerov efekt može se ukratko objasniti samo ako čitatelj razumije gdje se gama zračenje nalazi na elektromagnetskoj skali. Otvorite ljestvicu radio valova. Teoretski, granica njihove valne duljine je veličina svemira. Međutim, energija takvih emisija bila bi tako niska da se ne može registrirati. Učestalost terahercnog zračenja je nešto veća. Međutim, i on i radio valovi se promatraju u vrlo specifičnim uvjetima: usporavanje elektrona u magnetskom polju, savijanje vibracija polimera, gibanje ekscitona u krutini. Sljedeći dio elektromagnetskog spektra je razumljiviji - infracrveno zračenje. Ona prenosi energiju u obliku topline. Još veća energija vidljivog zračenja. Taj dio spektra koji ljudsko oko opaža je vrlo mali u usporedbi s cijelom skalom.

Primjena Mössbauer efekta

Crveno svjetlo nosi najnižu energiju iljubičasta je najveća. U tom smislu, poznat je paradoks: hladnija voda označena je plavom bojom, čija je energija veća od crvene. Nakon toga, ultraljubičasti dio elektromagnetske ljestvice već ima dovoljno visoku frekvenciju da prodre u krutinu. Unatoč činjenici da ljudi, poput drugih živih bića našeg planeta, ne doživljavaju ultraljubičasto svjetlo, njegova je važnost za normalno funkcioniranje bioloških organizama ogromna. Glavni izvor ultraljubičastog istraživanja je sunce. Veća energija i sposobnost prodiranja u mnoge tvari imaju rendgenske zrake. Izvor takvog zračenja je usporavanje elektrona u elektromagnetskim poljima. U ovom slučaju, elektroni mogu biti i vezani, tj. Pripadaju atomima i slobodni. U medicinskim uređajima su uređaji na slobodnim elektronima. Konačno, najteža i najkraća valna duljina je gama zračenje.

X-zraka i gama

Mössbauerov efekt i njegova primjena u fizici iTehnika zahtijeva razliku između gama zraka i x-zraka. Prema razini energije i, sukladno tome, valnoj duljini, oni se preklapaju u vrlo širokom spektru. To jest, postoji gama i x-zrake s valnom duljinom od 5 picometara. Postoje različiti načini da se to postigne. Kao što je već gore objašnjeno, rendgensko zračenje se događa kada se elektroni koče. Osim toga, u nekim procesima (uključujući i nuklearni) elektron nestaje iz unutarnje ljuske dovoljno teškog atoma, na primjer, urana. U tom slučaju drugi elektroni teže zauzeti njegovo mjesto. Takvi prijelazi postaju izvor rendgenskog zračenja. Gama kvanti rezultat su prijelaza same jezgre iz više pobuđenog stanja. Ovo zračenje ima visoku sposobnost prodiranja i ionizira atome s kojima djeluje. U isto vrijeme, kada se gama-kvant sudara s jezgrom atoma, mora biti prisutan takozvani trzaj. Međutim, u praksi se pokazalo da je odsutnost interakcije gama-kvanta s atomskom jezgrom koja pripada čvrstom tijelu. To se objašnjava činjenicom da je dodatna energija "zamazana" kao što je bila u elektroničkim zonama kristala, generirajući fonon.

izotopi

Mössbauerov efekt i njegova primjena usko su povezani.s jednom iznenađujućom činjenicom: fenomen ne utječe na sve kemijske elemente periodnog sustava. Štoviše, bitan je samo za neke izotope tvari. Ako čitatelj iznenada zaboravi što su izotopi, sjećamo se. Poznato je da je svaki pojedinačni atom električno neutralan. To znači da u jezgri ima toliko pozitivnih protona koliko ima elektrona u ljusci. Međutim, jezgra sadrži i neutrone, čestice bez naboja. Ako promijenite njihov broj u jezgri, elektroneutralnost neće biti poremećena, ali će se svojstva takvog atoma malo promijeniti. Osim toga, događa se da je teži izotop radioaktivan i sklon raspadanju, dok je obična materija prilično stabilna. Popis elemenata i njihovih izotopa za koje je karakterističan Mössbauerov efekt je potpuno betonski. otkrivanje 57Fe, na primjer, obično vjeruje upravo ovoj pojavi.

Prednosti kvantnih učinaka

Izvedite eksperiment koji potvrđuje ovo ilidruga hipoteza koja se odnosi na mikrosvijet je često teška. Osim toga, nije jasno kakve koristi može donijeti isti Mössbauer efekt? Upotreba je, međutim, prilično široka. Proučava se svojstva kristalnih tvari, amorfnih tijela i fino praškastih prašaka, uključujući i uz pomoć ovog kvantnog fenomena. Takvi podaci potrebni su kako u dijelovima koji su prilično daleko od prakse (teorijska fizika), tako iu disciplinama koje su vrlo bliske čovjeku, na primjer, medicini. Stoga se Mössbauerov efekt i njegova primjena trebaju promatrati kao primjer teoretskog otkrića koje donosi mnoge koristi iu svakodnevnom životu.

</ p>>
Pročitajte više: