Mossbauer etkisi: etkinin keşfi ve anlamı

Makale, Mossbauer'ın etkisinin ne olduğunu anlatıyor. Ve ayrıca kuantum gibi kavramlar, atom ve atom çekirdeğinde enerji seviyesi, katı ceset ve kolektif kuaz parçacıklar ortaya çıkar.

Matematik eğlencesi

Fizikteki ilk gelişmeleryirminci yüzyılın on yılı bilimadamlarından matematikte ciddi bilgi talep etti. Kalem ucunda birçok keşif yapıldı: ilk önce teorik olarak hesaplandı ve daha sonra pratikte bulundu.

Örneğin, yerçekimi dalgalarının varlığı,1910'da Einstein tarafından öngörülen, yalnızca 2016 yılında deneysel olarak onaylanabildi. İki nötron yıldızının birleşmesi, yeryüzü fizikçilerinin yakaladığı ve kaydettiği yerden titremeye yol açtı ve insanlık bilimindeki yer çekim boyutlarını başlattı. Burada yer çekiminin belirtildiği hiçbir şey için değildir: Mössbauer etkisinin önemli olduğu bu tür çalışmalar içindir. Fakat bu kuraldan daha fazla bir istisnadır. Çoğu zaman, teorisyenler ve deneyciler birbirlerinin önü açıklar: Bir çalışma matematiksel açıklamasına duyulan ihtiyacı doğurdu ve yan sonuçlar, henüz elde edilen bağımlılıkların yeni bir varsayımı idi. Mossbauer etkisi bu fenomenlerden biri haline geldi. Böyle bir "tesadüfi" fenomen, 1900'ün sonunda dile getirilen Max Planck'ın varsayımıydı. Elektronların ve atom çekirdeği dünyasında, tüm miktarların sadece ayrı değerler alabileceğini, yani nicelediğini söyledi. Dahası, kendi kanaatine göre, bu sadece hesaplamaları daha kolay hale getiren bir matematiksel numara idi. Hayatının sonuna kadar, kuantumun veya mümkün olan en küçük kısmın (örneğin ışık gibi) ciddi fiziksel bir anlam taşımayan tarif etmenin yalnızca uygun bir yol olduğuna inanıyordu.

Kuantum dünyası

Ancak, diğer bilim insanlarıatomun ölçeğinde olup bittiğinin yeterli bir açıklaması, böyle bir çıkarsama potansiyeli düşünüldü ve her şeyin nicelenmiş olduğu yönündeki bir aksiyum aldı. Çekirdeklerin etrafındaki elektronlar yalnızca belirli yörüngelerde olabilir, atom çekirdeğinin kendileri yalnızca belirli enerji seviyelerine sahip olabilirler. Aralarında atlama, çekirdekler gama kuantumu üretirler. Mössbauer'in etkisi, bu eylemin bir tür geri dönüş üretmesi gerektiğini iddia ediyor, ancak bu gerçekleşmiyor. Genel olarak, nanoworld davranışını tanımlayan tüm nicelikler niceleme tabi - yani, ayrık. Bununla birlikte, makrokozmikte hız başına kütleli bir ürün olarak ifade edilen dürtüün temel bir parçacık için temelde farklı bir şey olduğunu ve bu nedenle de nicelleştirildiğini unutmamalıyız. Bilimde, Max Planck'ın h değerini içeren en ünlü formülü veya minimum eylemi türettiği raporda yeni bir dönem açıldı. Kuantum fiziği çağındaydı. Daha sonra bu fenomene verilen yorum olan Mossbauer etkisi, yirminci yüzyıl biliminin en önemli kilometre taşlarından biri haline geldi.

Mossbauer etkisinin keşfi

Yukarıda belirttiğimiz gibi, teorik sonuçlarDeneyle el ele gitti. Bazı pratik sonuçlar, kelimenin tam anlamıyla "diz" üzerine kurulan tesislerde ve doğaçlamış malzemelerden ispatlandı. Bilim adamları sadece formülleri elde etmekle kalmıyor aynı zamanda ampulleri kaynatmak, tahta parçalarını kesmek, metal ile çalışmak ve bitkileri bir araya getirmek zorundaydılar. Tabii ki, laboratuvarların başkanları sadece kendi servislerinin sonuçlarını genelleştirdi. Bununla birlikte, her deneyci de bir mühendisdi, çünkü aygıtlar belirli amaçlar için ve doğrudan araştırma sürecinde tasarlanmıştı. Mössbauer efekti de bir istisna değildi. İnatçı bir doktora öğrencisi olan Rudolf Messbauer, süpervizör tarafından tavsiye edildiği gibi ısınmak yerine üniteyi soğutmak suretiyle ölçüm yöntemini değiştirmediyse böyle bir şeyin başlamamış olurdu.

Katı vücut

Bu konuda okuyuculara söyleyeceğimiz teoribölüm, ilk bakışta anlaşılabilir görünüyor. Ancak, bildiğiniz gibi, hafiflik her zaman inanılmaz çabalarla elde edilir. Ve böylece basit bir şekilde Mössbauer'in kaynaştırmak için kullandığı kelimenin tam anlamıyla, tüm laboratuarların bir zamanlar çalıştığını söyleyebiliriz.

Bir katı genellikle bir madde olarak anlaşılır.kristal halinde. Bu durumda atomların çekirdeği sıkı bir periyodik kafes oluşturur, elektronlar ise az ya da çok genelleşmişlerdir. Tabii ki, metal kristallerde çok özel bir metalik bağ oluşur, bu sayede çekirdekler, genelleştirilmiş elektronlardan ayrı olarak var olurlar. Elektronik bulut, kristal yasaların davranışına dikkat etmeden, bağımsız yasalarıyla yaşar. Daha geleneksel iyonik ve kovalent bağların bulunduğu kristallerde, elektronlar "kendi" çekirdekleriyle daha yakından ilişkilidir. Bununla birlikte, orada bile komşu düğümler arasında gaz veya sıvıdan daha serbest hareket ederler.

Bir katı özellikleri sadece belirtilirKimyasal tanesi olan elementler, aynı zamanda birbirine göre atomlarının düzenlenmesi simetri. bir karbon yapısı, klasik örnekte yumuşak grafit ve diğer üretir - sert doğal materyal ve - elmas. Yani sert vücuda çok birim hücrenin bağlantısı ve simetri ne tür anlamına gelir. Katı özellikleri ve hangi Mossbauer etkisinin açıklanmasıdır. katı atomların tüm ilişkili aşağıdaki gibidir: Doğasında açıklanmaktadır.

Toplu quasiparticles

Şimdi oldukça büyük bir hayal edinüç boyutlu kafes. Model için tuz en uygun olanıdır: Na ve Cl birbirinin yerine küplerin üst kısımlarında bulunur. Bir şekilde bir atomu yakalayıp çekip, her zamanki denge yerinden hareket ederse, yeterince sağlam bir bağlantı sayesinde komşu atomlar bundan sonra gelecek. Hesaplamalar, bir çekirdeğin pozisyonundaki bir değişikliğin, üçüncü düzenin komşuları üzerinde en azından bazı önemli etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Bu demektir ki, eğer "sodyum" alırsanız, komşu klorin atomları, bunu sodyum atomları ve bir başka en uzak klor tabakası takip edecektir. Etki açıkça her yöne yayılacak. Genellikle dördüncü mertebeden komşuların tedirginliklerinin ihmal edilebilir olduğu söylenir. Ancak, sıfıra eşit değildir.

Bu nedenle, bir şekilde "knock"Kristal daha güçlüdür (örneğin, bir lazer veya elektron ışını göndermek için), kristal kafes "dalgalar" a gider. Kristalin birçok komşu atomunun eşzamanlı olarak bir yer değiştirme yaşadığı zaman, örneğin yukarı ya da aşağı, bu kolektif hareketler, fononlar olarak adlandırılır. Mossbauer etkisinin aptallar için ne olduğunu tanımlayabilmek için, ayrıntılara girmeyeceğiz ve basitçe, konuştukları gibi, temel parçacıklar gibi davranacağımızı söyleyeceğiz. Örneğin, enerjileri kuantize edilir, dalga boyu, momentumları vardır ve birbirleriyle etkileşim kurabilirler. Böylece, foniklere kollektif kuasipartiküller denir. Miktarları ve nitelikleri, ortaya çıktıkları katı cismin yapısı tarafından verilir. Bir birim hücrede boyut, simetri ve atom türlerini bilerek bunu hesaplayabilirsiniz. Fononların görünümü de kristal kafesindeki iyonlar arasındaki bağların uzunlukları ve bağ tipleri tarafından etkilenir.

Bölge teorisi

Katı bir cisim tüm elektronlarını genelleştirdiği içino zaman orbitaller (ve dolayısıyla enerjileri) de genelleştirilmelidir. Başlangıç ​​olarak, elektronların fermiyonlar olarak adlandırılan bu parçacık sınıfına ait olduğunu hatırlamalıyız. Fermi, Dirac ve Pauli ortaklaşa bir durumda, belirli bir sistemde bu türden tek bir parçacığın var olabileceğini keşfettiler. Tuz örneğine dönersek, çorba veya et serpiştirdiğimiz her kristal inanılmaz miktarda sodyum ve klor iyonları içerir. Ve her biri aynı yörüngede dönen aynı sayıda elektrona sahiptir. Nasıl Olmalı? Katı, pozisyonu şu şekilde bırakır: çekirdeğin etrafında dönen her bir elektronun enerjisi, diğer atomun aynı yörüngesine ait diğer elektronların enerjisinden biraz farklıdır. Böylece, ortaya çıkıyor: kristalde, birbirinden çok az farklı olan, çok fazla enerji seviyesi var, bu yüzden bir sıkıştırılmış bölge oluşturuyorlar. Bir atomun çok güçlü bir şekilde salınmaması nedeniyle, fononların yaptığı tedirginlikler küçüktür. Değer, yalnızca bir bütün olarak kolektif bir harekettir. Bu nedenle, fonon enerjisi bandın enerjisinde olduğu gibi "çözülür". Bu, Mossbauer etkisinin temeli.

Elektromanyetik ölçek

Yüklü parçacıkların hareketine eşlik eder.elektromanyetik alanın görünümü. Bu gerçek, örneğin, bir gezegenin ve uydularının niçin var olduğu sorusunu gündeme getiriyor, ve diğerleri bunu yapmıyor. Elektromanyetik dalgalar genellikle frekanslarına ve buna göre enerjiye göre sınıflara ayrılır. Bu iki özellik birbiriyle ilişkilidir ve dalga boyuna da bağlıdır. Mossbauer etkisi, sadece okuyucu, gama radyasyonunun elektromanyetik bir ölçekte nerede bulunduğunu anlaması durumunda kısaca söylenebilir. Yani radyo dalgası ölçeğini aç. Teorik olarak, dalga boyunun sınırı evrenin büyüklüğüdür. Ancak, bu tür emisyonların enerjisi, kaydedilemeyecek kadar küçük olacaktır. Terahertz radyasyonunda biraz daha yüksek frekans. Bununla birlikte, hem bu hem de radyo dalgaları çok spesifik koşullar altında gözlemlenir: manyetik alanda elektron yavaşlaması, polimerlerin bükülme titreşimleri, eksitonların bir katı içindeki hareketi. Elektromanyetik spektrumun aşağıdaki kısmı daha anlaşılabilir: kızılötesi radyasyon. Enerjiyi ısı biçiminde aktarır. Görünür radyasyonun enerjisi daha da yüksektir. İnsan gözü tarafından algılanan spektrumun kısmı, tüm ölçekle karşılaştırıldığında çok küçüktür.

Kırmızı ışık en az enerjiyi taşır vemenekşe - en büyüğü. Bununla bağlantılı olarak, bir paradoksu bilinir: daha soğuk su, rengi kırmızı radyasyondan daha yüksek olan mavi bir renkle gösterilir. Elektromanyetik ölçeğin bir sonraki ultraviyole bölümü, katı gövdeye nüfuz etmek için yeterince yüksek bir frekansa sahiptir. Gezegenimizin diğer canlıları gibi insanların da ultraviyole algılamamasına rağmen, biyolojik organizmaların normal işleyişindeki önemi muazzamdır. Ultraviyole araştırmanın ana kaynağı Güneş'dir. Daha yüksek enerji ve birçok maddeye nüfuz etme yeteneği bir x-ışını vardır. Bu radyasyonun kaynağı elektromanyetik alanlardaki elektronların yavaşlamasıdır. Bu durumda, elektronlar her ikisi de bağlanabilir, yani, atomlara aittir ve ücretsizdir. Tıbbi cihazlarda serbest elektronlar bulunmaktadır. Son olarak, gama radyasyonu en zor ve en kısa dalga boyudur.

Röntgen ve gama

Mossbauer etkisi ve fizikteki uygulamasıteknoloji gama ışınları ve X-ışınları arasında ayrım yapmak gerektirir. Enerji seviyesinde ve buna göre dalga boyu, çok geniş bir spektrumda örtüşürler. Yani, 5 picometers dalga boyuna sahip gama ve X-ışını radyasyonu vardır. Bunları elde etmenin farklı yolları vardır. Yukarıda açıklandığı gibi, elektronlar yavaşladıklarında x-ışını emisyonu meydana gelir. Ek olarak, bazı süreçlerde (nükleer süreçler dahil), elektron, örneğin, uranyum gibi yeterince ağır bir atomun iç kabuğundan kaybolur. Bu durumda, diğer elektronlar yerini alma eğilimindedir. Bu geçişler, X-ışını radyasyonunun kaynağı haline gelir. Gamma quanta, çekirdeğin kendisinin daha heyecanlı bir durumdan geçişinin sonucudur. Bu radyasyon büyük bir nüfuz etme kabiliyetine sahiptir ve etkileştiği atomları iyonize eder. Bu durumda, gama kuantum atomun çekirdeği ile çarpıştığında, sözde bir geri tepme olmalıdır. Bununla birlikte, pratikte, gama-kuantumun, bir katı cisme ait bir atomun çekirdeği ile etkileşmesinin, herhangi bir geri tepme olmadığı bulunmuştur. Bu, ek enerjinin, kristalin elektronik bölgeleri üzerinde "dağılmış" olması ve böylece bir fonon üretmesiyle açıklanabilir.

izotoplar

Mössbauer etkisi ve uygulaması yakından ilişkilidir.Şaşırtıcı bir gerçek var: fenomen periyodik tablonun tüm kimyasal elementlerini etkilemez. Ayrıca, sadece bazı maddelerin izotopları için gereklidir. Okuyucu aniden izotopların ne olduğunu unuttuysa, hatırlıyoruz. Herhangi bir tek atomun elektriksel olarak nötr olduğu bilinmektedir. Bu, çekirdekte, kabuğunda elektronların olduğu kadar pozitif proton olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, çekirdek ayrıca nötronlar, ücretsiz parçacıklar içerir. Çekirdeğindeki sayılarını değiştirirseniz, elektronoternite bozulmaz, ancak böyle bir atomun özellikleri hafifçe değişir. Ek olarak, ağır izotop radyoaktif ve çürümeye meyillidir, normal madde oldukça stabildir. Mössbauer etkisinin karakteristik olduğu elementlerin listesi ve izotopları tamamen somuttur. bulma ⁵⁷Örneğin Fe, genellikle bu olguya tamamen güvenir.

Kuantum etkisinin faydaları

Bunu onaylayan bir deneme yapın veyaMikro dünyayla ilgili başka bir hipotez çoğu zaman zordur. Ayrıca, aynı Mössbauer etkisinin ne faydası olacağı açık değildir? Bununla birlikte, kullanımı oldukça geniştir. Kristalin maddelerin, amorf gövdelerin ve ince toz halindeki tozların özelliklerinin incelenmesi, bu kuantum fenomeni de dahil olmak üzere gerçekleştirilir. Bu veriler hem uygulamadan oldukça uzak olan bölümlerde (teorik fizik) hem de insana çok yakın disiplinlerde, örneğin tıpta gereklidir. Bu nedenle, Mössbauer etkisi ve uygulaması günlük yaşamda bile birçok fayda sağlayan teorik bir keşif örneği olarak düşünülmelidir.

</ p>>