Mossbauer effekt: effekten av upptäckten och dess betydelse

Artikeln talar om vad Mossbauer effekt. Beskrivs också begrepp som kvantenerginivåer i en atom och en atomkärna, sågade och kollektiv quasiparticle däri.

matematisk kul

Ett genombrott inom fysiken som inträffade under det första decenniet av det tjugonde århundradet, forskare krävde allvarliga kunskaper i matematik. Många upptäckter har dragits tillbaka, så att säga, på spetsen av pennan: först de beräknades teoretiskt och sedan fann i praktiken.

Till exempel förekomsten av gravitationsvågor förutspåtts av Einstein 1910, kunde experimentellt bekräfta endast 2016. Sammanslagningen av två neutronstjärnor har skapat skakningar utrymme som markfysik fångas och fixeras genom att öppna en tid präglad av gravitations mätningar i vetenskapen om mänskligheten. Inte undra på allvar nämns här, nämligen för sådana studier är Mossbauer effekten värdet. Men detta är snarare undantag än regel. Oftast teoretiker och praktiker trampa på varandras hälar, gav en studie upphov till behovet av sin matematiska beskrivning och negativ slutsats blir antagandet av nya, ännu inte fått beroenden. Mössbauer effekten var en av sådana fenomen. Såsom "sida" fenomen är antagandet och Max Planck uttryckt i slutet av 1900. Det sägs att i en värld av elektroner och atomkärnor kan alla mängder bara ta diskreta värden, som är kvantiserade. Och i sin egen åsikt, det var bara en matematisk trick, vilket gjorde att beräkna enklare. Fram till slutet av sitt liv han trodde att kvant, eller den minsta möjliga delen av, till exempel, ljus - endast lämpligt sätt att beskriva, inte bär en allvarlig fysisk bemärkelse.

Kvantvärlden

Men andra forskare som är intresserade av en adekvat beskrivning av vad som händer på omfattningen av atomer ansåg potentialen för en sådan slutsats, och tog för givet att allt är kvantiserade. Elektronerna runt kärnan kan bara vara på vissa banor kärnor själva kan bara ha specifika energinivåer. Hoppa däremellan, kärnor genererar gammastrålar. Mossbauer effekt hävdar att åtgärden ska ge en typ av avkastning, men det händer inte. I allmänhet, alla de kvantiteter som beskriver beteendet hos nanovärlden är föremål för kvantisering - det är diskret. Men glöm inte att momentum som i makrokosmos uttrycks som produkten av graden av massa elementarpartiklar är något fundamentalt annorlunda, vilket innebär att han är också kvantiseras. Så att vetenskapen rapport där Maks Plank härrör hans berömda formel som innehåller värdet av H, eller minimal effekt, öppnade en ny era. Detta var en tid präglad av kvantfysik. Mossbauer effekt, tolkning, som senare gavs till detta fenomen, har blivit en av de viktigaste milstolparna vetenskapens av det tjugonde århundradet.

Upptäckten av Mössbauer effekt

Som vi har noterat ovan, gick de teoretiska slutsatser hand i hand med experimentet. Några praktiska slutsatser visat på växter samlas bokstavligen "på knä" och ut ur skrot. Forskare har kunnat inte bara visa formeln, men också täta flaskan, skär styrelsen att arbeta med metall och samla installationen. Naturligtvis chefen för laboratorierna endast sammanfattar resultaten av sina avdelningar. Men varje försöksledaren var också ingenjör, eftersom enheterna är utformade för särskilda ändamål, och direkt i forskningsprocessen. Jag var inget undantag och Mossbauer effekt. Öppna det skulle inte ske om en envis doktorsavhandling Rudolf Mossbauer inte förändrat metoden för mätning kylaggregatet, i stället för att värma den, som designad av handledaren av studier.

fast

Teorin, som vi kommer att tala om för läsarna i detta avsnitt, verkar det klart vid första anblicken. Men som bekant lätt att alltid uppnår otro insatser. Och så kan vi nu berätta i enkla ord vad Mossbauer effekt för Dummies bokstavligen, en gång arbetade hela laboratoriet.

Under fasta avses vanligen en substans i ett kristallint tillstånd. Kärnorna hos atomerna i detta fall bildar en strikt periodiskt gitter, medan elektronerna i varierande grad sammanfattas. Naturligtvis, metallkristaller bildade mycket specifik metallisk bindning genom vilken kärnan existerar som att separera från gener elektroner. Elektronmoln lever av sin självständiga lag, inte uppmärksamma beteendet hos kristallgittret. Kristallerna som utgör mer traditionella joniska och kovalenta bindningar, elektronerna närmare samband med "sina" kärnor. Men det är de fria att röra sig mellan angränsande noder än i en gas eller vätska.

Fasta Ange egenskaper inte bara de kemiska element som är i dem, men också symmetri hos arrangemanget av atomer i förhållande till varandra. I det klassiska exemplet på en kolstruktur genererar mjuk grafit, och den andra - det hårdaste naturliga material - diamant. Så vilken typ av anslutning och symmetrin hos enhetscellen betyder mycket för en stel kropp. Egenskaperna hos det fasta och det är avslöjandet av vad Mossbauer effekt. Dess natur förklaras enligt följande: alla av atomerna i en solid är associerade.

kollektiva kvasipartiklar

Nu föreställa sig en tillräckligt stor tredimensionellt gitter. För modellen mest lämpligt salt: Na och Cl är belägna i hörnen av kuberna, en efter en. Om något sätt greppa en atom och dra honom att bryta den stadigvarande balans, tack vare en tillräckligt styv förbindning, efter att den drog de närliggande atomer. Beräkningar visar att förändringen i positionen för kärnan har åtminstone någon väsentlig påverkan på grannarna i den tredje ordningen. Detta innebär att om den "ta tag" natrium, följt drog angränsande kloratomer, natriumatomer efter honom en yttersta skikt av klor. Effekterna av detta kommer sannolikt att utvidgas i alla riktningar. Man brukar säga att det fjärde ordningens störnings grannar är försumbara. Men de är inte noll.

Följaktligen, om något sätt "knock" kristall starkare (t ex att skicka honom en laser eller elektronstråle), kristallgittret kommer att "vågor". Sådan kollektiv rörelse när många närliggande atomer i kristallen samtidigt skifta känsla, t ex, upp eller ner, kallas fononer. Finns att beskriva vad Mossbauer effekt för dummies, kommer vi inte gå in på detaljer och bara berätta att fononer befanns uppföra sig som elementarpartiklar. Till exempel är kvantiserade sin energi, de har våglängds fart och kan interagera med varandra. Således är fononer kallas kollektiva kvasipartiklar. Deras antal och kvalitet på den fasta kroppen ges en struktur i vilken de förekommer. Beräkna det kan vara, att veta storleken, symmetri och typer av atomer i enhetscellen. På förekomsten av phonon också påverka längden och typen av bindningar mellan jonerna i kristallgittret.

bandteori

Eftersom fast sammanfattar alla dess elektroner, och orbitaler (och därmed deras energi) bör också generaliseras. Först måste vi komma ihåg att elektronerna tillhör denna klass av partiklar som kallas fermioner. Fermi, Dirac och Pauli tillsammans funnit att i en stat kan vara i systemet, endast en sådan partikel. Om vi återvänder till exemplet med salter, varje kristall, som vi strö soppa eller kött, innefattande en otrolig mängd natrium- och kloridjoner. Och var och en av dem har samma antal elektroner, som roterar på identiska banor. Hur kan det vara? Ett fast ämne kommer ut ur situationen som följer: energin för varje elektronkretsande runt kärnan, lite annorlunda från alla andra energielektroner som tillhör samma omloppet av en annan atom. Sålunda erhållas: i kristallen existerar extremt mycket energinivåer som skiljer sig från varandra tillräckligt liten för att bilda ett komprimerat område. De störningar som inför fononer små eftersom en atom intervall är inte särskilt stark. Allt som betyder något är den kollektiva rörelsen som helhet. Därför fononenergin, så att säga "löst" i området för energi. Baserat på detta och Mossbauer effekt.

elektromagnetisk skala

Rörelsen av laddade partiklar åtföljs av ett elektromagnetiskt fält. Detta faktum ställer till exempel frågan om varför en planet och satelliter har dem, medan andra - inte. Elektromagnetiska vågor kan indelas i klasser enligt deras frekvens och därmed energi. Dessa två egenskaper är sammankopplade och beroende av våglängden. Vad är Mossbauer effekten kan endast kortfattat, under förutsättning att läsaren förstår där elektromagnetiska skalan ligger gammastrålning. Så öppnar etern skalan. Teoretiskt begränsa deras våglängd - dimensioner universum. Emellertid skulle energi sådan strålning vara så liten att det är omöjligt att registrera. Något högre frekvens i terahertz-strålning. Emellertid är det, och radiovågorna observeras i mycket specifika förhållanden: inhibering av elektroner i ett magnetfält, böjningssvängningar av polymerer, förflyttning av excitoner i det fasta ämnet. Tydligare nästa del av det elektromagnetiska spektrumet - den infraröda strålningen. Det överför energi i form av värme. Ännu högre energi av synligt ljus. Den del av spektrum som det mänskliga ögat ser är mycket liten jämfört med hela skalan.

Rött ljus har den lägsta energin, och lila - den högsta. I detta sammanhang är det känt paradox: ju mer kallt vatten indikeras i blått, vars energi är högre än den för rött ljus. Efter det att den ultravioletta delen av det elektromagnetiska vågen har redan en tillräckligt hög frekvens för att tränga in i en fast substans. Trots det faktum att människor, liksom andra levande varelser på vår planet, inte uppfattar ultraviolett ljus, är dess betydelse för en väl fungerande biologiska organismer enorm. Den främsta källan till ultraviolett studie är solen. Högre energi och förmåga att penetrera många ämnen har X-ray. Källan för sådan strålning är retardationen av elektroner i de elektromagnetiska fälten. Elektronerna kan vara både bundet, dvs tillhör atomer och fri. De medicintekniska produkter är enheter av fria elektroner. Slutligen är den tuffaste och mest kortvågiga gammastrålning.

Röntgen och gamma

Mossbauer-effekt och dess tillämpning i fysik och teknik behöver skilja mellan gammastrålar och röntgenstrålar. Av nivån på energi och därmed våglängden de befinner sig i ett mycket brett spektrum av överlappning. Det vill säga, det finns en gamma och röntgenstrålar med en våglängd av 5 pikometer. Olika metoder för deras framställning. Såsom förklarats ovan, den röntgenstrålning uppstår när retardation av elektroner. Dessutom försvinner i vissa processer (inklusive nukleär) elektron från det inre skalet tillräckligt tungt atom, såsom uran. Men andra elektroner tenderar att ta hans plats. Sådana övergångar, och bli en källa av röntgenstrålar. Gammastrålar är resultatet av kärnan övergångar från ett högre exciterat tillstånd. Denna strålning har en hög penetreringsförmåga och joniserar atomer till vilka interagerar. Varvid när gammastråle kolliderar med en atomkärna, måste det finnas en så kallad kickback. Men i praktiken visade det sig att samverkan mellan gammastrålar med en atomkärna som tillhör den stela kroppen, effekterna saknas. Detta förklaras av det faktum att ytterligare energi, eftersom det var "utsmetad" på elektronisk band av kristallen, vilket skapar en fonon.

isotoper

Mossbauer effekt och dess tillämpning är nära relaterad till en överraskande faktum: fenomenet inte agerar för alla kemiska element i det periodiska systemet. Dessutom är det betydelsefullt endast för vissa ämnen isotoper. Om läsaren plötsligt glömt vad isotoper återkallelse. Det är känt att varje given atomen är elektriskt neutral. Detta innebär att i kärnan av positiva protoner så mycket som i elektronskalet. Men kärnan innehåller också en neutron, partikel utan kostnad. Om du ändrar numret i kärnan, är elektrisk neutralitet inte kränks, men egenskaperna hos atomen förändrats något. Dessutom händer det att den tyngre isotopen är radioaktiv och är benägen att sönderfalla, medan vanlig materia är ganska stabil. Ganska en lista över betongelement och deras isotoper, som kännetecknas av Mossbauer effekt. Detektering av ⁵⁷ Fe, till exempel, är allmänt betrodd av detta fenomen.

Användningen av kvanteffekter

Producera erfarenhet, vilket bekräftas av den ena eller andra hypotesen relaterad till den mikroskopiska världen är det ofta inte lätt. Dessutom är det oklart vilka fördelar kan ge samma effekt Mossbauer? Användningen av det, men är tillräckligt bred. Undersökning av egenskaper hos kristallina material, amorfa fasta ämnen och finfördelade pulver inträffar, bland annat via denna kvant fenomen. Sådana uppgifter krävs i ganska långt från de övningssektionerna (teoretisk fysik), och i mycket nära man discipliner - som medicin. Således bör Mossbauer effekt och dess användning anses som ett exempel på teoretisk upptäckt, vilket ger en hel del fördelar, även i vardagen.