Эффект Мёссбауэра - Mössbauer effect

Эффект Мёссбауэра или безоткатная ядерно-резонансная флуоресценция - это физическое явление, открытое Рудольфом Мёссбауэром в 1958 году. Оно включает в себя резонансное излучение без отдачи и поглощение гамма-излучения атомными ядрами, связанными в твердом теле. Его основное применение - мессбауэровская спектроскопия .

В эффекте Мессбауэра узкий резонанс для ядерного гамма-излучения и поглощения является результатом импульса отдачи, передаваемого окружающей кристаллической решетке, а не только излучающему или поглощающему ядру. Когда это происходит, гамма-энергия не теряется в кинетической энергии отскакивающих ядер на излучающем или поглощающем конце гамма-перехода: излучение и поглощение происходят при одной и той же энергии, что приводит к сильному резонансному поглощению.

История

Эмиссия и поглощение рентгеновских лучей газами наблюдались ранее, и ожидалось, что подобное явление будет обнаружено для гамма-лучей , которые создаются ядерными переходами (в отличие от рентгеновских лучей, которые обычно производятся электронными приборами). переходы ). Однако попытки наблюдать ядерный резонанс, вызванный гамма-лучами в газах, потерпели неудачу из-за потери энергии на отдачу, предотвращающей резонанс ( эффект Доплера также расширяет спектр гамма-лучей). Мессбауэру удалось наблюдать резонанс в ядрах твердого иридия , что поставило вопрос о том, почему гамма-резонанс возможен в твердых телах, но не в газах. Мессбауэр предположил, что в случае атомов, связанных в твердое тело, при определенных обстоятельствах часть ядерных событий может происходить практически без отдачи. Он объяснил наблюдаемый резонанс этой долей ядерных событий без отдачи.

Эффект Мёссбауэра был одним из последних крупных открытий в физике, о котором первоначально сообщалось на немецком языке. Первым отчетом на английском языке было письмо с описанием повторения эксперимента.

Это открытие было награждено Нобелевской премией по физике в 1961 году вместе с исследованиями Роберта Хофштадтера по рассеянию электронов в атомных ядрах.

Описание

Спектр мессбауэровского поглощения 57 Fe

Эффект Мёссбауэра - это процесс, при котором ядро ​​испускает или поглощает гамма-лучи без потери энергии на ядерную отдачу. Он был открыт немецким физиком Рудольфом Л. Мёссбауэром в 1958 году и оказался чрезвычайно полезным для фундаментальных исследований в области физики и химии. Его использовали, например, для точного измерения небольших изменений энергии ядер, атомов и кристаллов, вызванных электрическими, магнитными или гравитационными полями. При переходе ядра из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией с сопутствующим испусканием гамма-лучей это излучение обычно вызывает отдачу ядра, и это забирает энергию из испускаемых гамма-лучей. Таким образом, у гамма-лучей недостаточно энергии для возбуждения исследуемого ядра-мишени. Однако Мессбауэр обнаружил, что возможны переходы, при которых отдача поглощается целым кристаллом, в котором излучающее ядро ​​связано. В этих условиях энергия отдачи составляет ничтожно малую часть энергии перехода. Следовательно, испускаемые гамма-лучи несут практически всю энергию, выделяемую ядерным переходом. Таким образом, гамма-лучи способны вызывать обратный переход в аналогичных условиях пренебрежимо малой отдачи в ядре-мишени из того же материала, что и эмиттер, но в более низкоэнергетическом состоянии. Как правило, гамма-лучи возникают в результате ядерных переходов из нестабильного высокоэнергетического состояния в стабильное низкоэнергетическое состояние. Энергия испускаемого гамма-луча соответствует энергии ядерного перехода за вычетом количества энергии, которое теряется в качестве отдачи для излучающего атома. Если потерянная энергия отдачи мала по сравнению с шириной энергетической линии ядерного перехода, то энергия гамма-излучения по-прежнему соответствует энергии ядерного перехода, и гамма-излучение может быть поглощено вторым атомом того же типа, что и первый. . Это излучение и последующее поглощение называется резонансной флуоресценцией . Дополнительная энергия отдачи также теряется во время поглощения, поэтому для возникновения резонанса энергия отдачи должна быть меньше половины ширины линии соответствующего ядерного перехода.

Количество энергии в отскакивающем теле ( E R ) можно найти из закона сохранения импульса:

где P R - импульс отскакивающего вещества, а P γ - импульс гамма-излучения. Подстановка энергии в уравнение дает:

где E R ( 0,002  эВ для 57
Fe
) - энергия, теряемая при отдаче, E γ - энергия гамма-излучения ( 14,4  кэВ для 57
Fe
), M ( 56.9354  u для 57
Fe
) - масса излучающего или поглощающего тела, c - скорость света . В случае газа излучающие и поглощающие тела являются атомами, поэтому масса относительно мала, что приводит к большой энергии отдачи, что предотвращает резонанс. (Обратите внимание, что то же уравнение применяется к потерям энергии отдачи в рентгеновских лучах, но энергия фотонов намного меньше, что приводит к меньшим потерям энергии, поэтому газовый резонанс можно наблюдать с помощью рентгеновских лучей.)

В твердом теле ядра связаны с решеткой и не отскакивают так же, как в газе. Решетка в целом изгибается, но энергия отдачи незначительна, потому что M в приведенном выше уравнении - это масса всей решетки. Однако энергия распада может поглощаться или передаваться колебаниями решетки. Энергия этих колебаний квантована в единицах, известных как фононы . Эффект Мёссбауэра возникает потому, что существует конечная вероятность распада без фононов. Таким образом, в части ядерных событий ( доля без отдачи , определяемая фактором Лэмба – Мёссбауэра ) весь кристалл действует как тело отдачи, и эти события практически без отдачи. В этих случаях, поскольку энергия отдачи незначительна, испускаемые гамма-лучи имеют соответствующую энергию, и может возникнуть резонанс.

В общем (в зависимости от периода полураспада) гамма-лучи имеют очень узкую ширину линии. Это означает, что они очень чувствительны к небольшим изменениям энергии ядерных переходов. Фактически, гамма-лучи можно использовать в качестве зонда для наблюдения за эффектами взаимодействий между ядром и его электронами и электронами его соседей. Это основа для мессбауэровской спектроскопии, которая сочетает эффект Мессбауэра с эффектом Доплера для отслеживания таких взаимодействий.

Бесфононные оптические переходы , процесс, очень похожий на эффект Мессбауэра, можно наблюдать в хромофорах, связанных решеткой, при низких температурах.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки