Mössbauerjeva fizika učinka

Mössbauerjev učinek, imenovan tudi brez odvračanja gama-resonančne absorpcije, jedrski postopek, ki omogoča resonančno absorpcijo gama žarkov. To je mogoče s pritrditvijo atomskih jeder v rešetki trdnih snovi, tako da se med oddajanjem in absorpcijo sevanja energija ne izgublja. Postopek, ki ga je leta 1957 odkril fizik Rudolf L. Mössbauer, rojen v Nemčiji, predstavlja koristno orodje za preučevanje različnih znanstvenih pojavov.

Da bi razumeli osnovo Mössbauerjevega učinka, je treba razumeti več temeljnih načel. Prvi od njih je Dopplerjev premik. Ko lokomotiva žvižga, se frekvenca ali nagib zvočnih valov poveča, medtem ko se piščalka približa poslušalcu in zmanjša, ko se piščalka umiri. Dopplerova formula izraža to spremembo ali premik frekvence valov kot linearno funkcijo hitrosti lokomotive. Podobno, ko jedro atoma seva elektromagnetno energijo v obliki valovnega paketa, znanega kot gama-foton, je tudi podvrženo Dopplerjevemu premiku. Sprememba frekvence, ki jo dojemamo kot spremembo energije, je odvisna od tega, kako hitro se jedro giblje glede na opazovalca.

Drugi koncept, tj. Jedrskega vračanja, je mogoče ponazoriti z obnašanjem puške. Če ga med streljanjem ohlapno držimo, bo njegov odmik ali udarec močan. Če se trdno drži ob ramenskem strelcu, se bo odvzem močno zmanjšal. Razlika v obeh situacijah izhaja iz dejstva, da je zagon (produkt mase in hitrosti) ohranjen: zagon sistema, ki izstreli projektila, mora biti nasproten in enak tistemu izstrelku. S trdno podporo puške strelec vključi svoje telo s svojo veliko večjo maso kot del strelskega sistema in hitrost povratnega sistema sistema se ustrezno zmanjša. Atomsko jedro je podvrženo istemu zakonu. Ko sevanje oddaja v obliki gama žarka, atom s svojim jedrom doživi odmik zaradi trenutka gama žarka. Podoben odmik nastane med absorpcijo sevanja v jedru.

Nazadnje je treba razumeti načela, ki urejajo absorpcijo žarkov gama. Jedri lahko obstajajo le v določenih energetskih stanjih. Da se gama žarek absorbira, mora biti njegova energija popolnoma enaka razliki med dvema od teh stanj. Takšna absorpcija se imenuje resonančna absorpcija. Gama žarkov, ki se v jedru sprostijo iz jedra v prosti atom, ne more resonančno absorbirati podobno jedro v drugem atomu, ker je njegova energija manjša od resonančne energije za količino, ki je enaka kinetični energiji, ki jo daje jedru izvirajočega vira.

Načela uporabe

Z vgradnjo iste vrste jeder v dve trdni snovi, in sicer v eni trdni snovi v sevajočem ali vzbujenem stanju in tistih v drugi v absorpcijskem ali zemeljskem stanju, je mogoče uporabiti sevanje gama iz prve trdne snovi za resonančno absorpcijo v drugi. Metoda je tako občutljiva, da če se ena trdna snov giblje v razmerju do druge s hitrostjo, majhno 10 centimetra na sekundo, se resonanca uniči z doplerskim premikom energije gama-žarkov. V tem dejstvu je koristnost Mössbauerjevega učinka kot orodja eksperimentalne fizike. Če energijsko stanje sevalnega ali absorbirajočega jedra moti kateri koli zunanji učinek, bo tudi resonančna absorpcija razveljavljena. Potem lahko s spreminjanjem relativne hitrosti sevajočih in absorbirajočih trdnih snovi do ponovne vzpostavitve resonančne absorpcije določimo natančno velikost motečega učinka.

Aparati

Mössbauerjev učinek običajno opazimo z merjenjem prenosa gama žarkov iz radioaktivnega vira skozi absorber, ki vsebuje enak izotop v stanju tal. Napravo, uporabljeno za ta eksperiment, imenujemo dopplerjev hitrostni spektrometer Mössbauerjevega učinka, ker uporablja Dopplerjev premik za skeniranje območja energije v bližini energije samega gama. Spektrometer, ki uporablja ta koncept, je shematično prikazan na sliki 1. Radioaktivni vir je vgrajen na elektromehanski pretvornik, ki se premika z natančno določeno hitrostjo. Na splošno so potrebne hitrosti nekaj centimetrov na sekundo. Energija oddajanih gama žarkov se zaradi Dopplerjevega učinka premakne za količino, sorazmerno s hitrostjo. V tem primeru so jedra radioaktivnega vira in resonančnega absorberja identična, ne da bi jih motilo zunanje polje. Gama žarki prehajajo skozi absorber, ki vsebuje resonančni izotop, in jih zaznamo s sorazmernim števcem. Zaznani gama žarki na sekundo so prikazani kot funkcija dopplerove hitrosti, kar ima za posledico absorpcijski spekter Mössbauerjevega učinka, kot je prikazan na sliki 2. Padec štetja v središču je posledica resonančne absorpcije, tj. Mössbauerjevega učinka. Pri visoki pozitivni ali negativni hitrosti je resonančna absorpcija uničena z Doplerovim premikom.

• 

•