Mossbauerův efekt: objev tohoto efektu a jeho významu

Článek popisuje, jaký je účinek Mossbauer. A také se objevují takové pojmy jako kvantum, úroveň energie v atomu a atomovém jádru, pevné tělo a kolektivní kvaziparticles v něm.

Matematická zábava

Průlom ve fyzice, k němuž došlo v prvnídesetiletí dvacátého století, požadovalo od vědců vážné znalosti z matematiky. Mnoho objevů bylo učiněno na špičce pera: byly teoreticky poprvé počítány a později se v praxi objevily.

Například přítomnost gravitačních vln,předpověděl Einstein v roce 1910, dokázali experimentálně potvrdit až v roce 2016. Spojení dvou neutronových hvězd vyvolalo třesení vesmíru, které pozemní fyzici chytili a zaznamenali, a otevíral dobu měření gravitace ve vědě lidstva. Neexistuje zde nic o gravitaci, je zde uvedeno: pro takové studie je významný efekt Mössbauer. Ale to je spíše výjimka než pravidlo. Nejčastěji teoretici a experimentátoři postupují na paty druhé: jedna studie vygenerovala potřebu matematického popisu a boční závěry byly předpokladem nových, dosud získaných závislostí. Mossbauerův efekt se ukázal jako jeden z takových jevů. Takový "náhodný" fenomén byl předpokladem Maxa Plancka, vyjádřeného koncem roku 1900. Říká se, že ve světě elektronů a jaderných jader mohou všechna množství mít pouze diskrétní hodnoty, tedy kvantizaci. Navíc, podle jeho vlastního přesvědčení, to byl jen matematický trik, který učinil výpočty pohodlnějšími. Až do konce svého života věřil, že kvantová nebo nejmenší možná část, jako je světlo, je jen vhodným způsobem popisu, který nenese vážný fyzický význam.

Kvantový svět

Nicméně, jiní vědci se zajímajípřiměřený popis toho, co se děje na stupnici atomu, zvažoval potenciál takového závěru a vzal na sebe axiom, že všechno je kvantizováno. Elektrony kolem jader mohou být pouze v určitých oběžných dráhách, atomová jádra samy o sobě mohou mít pouze specifické energetické úrovně. Při skoku mezi nimi tvoří jádra gama kvanta. Účinky společnosti Mössbauer tvrdí, že tato akce by měla přinést určitý druh návratnosti, ale nestane se tak. Obecně platí, že všechna množství, která popisují chování nanoworld, podléhají kvantizaci - tedy diskrétní. Neměli bychom však zapomínat na to, že impuls, který je v makrokosmu vyjádřen jako produkt hmotnosti na rychlost, pro elementární částice je něco zásadně odlišného, ​​a proto je také kvantován. Takže ve vědě zpráva, na níž Max Planck odvozoval svůj slavný vzorec obsahující hodnotu h nebo minimální akci, otevřela novou éru. Byla to doba kvantové fyziky. Mossbauerův efekt, interpretace, která byla následně tomuto fenoménu dána, se stala jedním z nejdůležitějších milníků vědy dvacátého století.

Objev Mossbauerova efektu

Jak jsme poznamenali výše, teoretické závěryšel ruku v ruce s experimentem. Některé praktické závěry byly dokázány na instalacích shromážděných doslovně "na koleno" a z improvizovaných materiálů. Vědci museli nejen odvodit vzorce, ale také svařit žárovky, pilové desky, práce s kovy a montáže rostlin. Samozřejmě, že vedoucí laboratoří pouze generalizovali výsledky svých oddělení. Každý experimentátor byl však i inženýr, protože zařízení byla navržena pro specifické účely a přímo v procesu výzkumu. Mössbauerův efekt nebyl výjimkou. Otevření by se nestalo, kdyby tvrdohlavý doktor Rudolf Messbauer nezměnil způsob měření, chlazení instalace namísto topení, jak doporučil školitel.

Pevné tělo

Teorie, o čem to řekneme čtenářůmse na první pohled zdá být pochopitelné. Nicméně, jak víte, lehkost je vždy dosaženo neuvěřitelným úsilím. A teď můžeme jednoduše říci, jaký vliv má Mössbauer na kotle doslova, že celé laboratoře kdysi pracovaly.

Pevná látka se obvykle chápe jako látkav krystalickém stavu. Jádra atomů v tomto případě tvoří přísnou periodickou mřížku, zatímco elektrony jsou víceméně generalizované. Samozřejmě se v kovových krystalech vytváří velmi specifická kovová vazba, díky níž jádra existují jako odděleně od generalizovaných elektronů. Elektronický mrak žije podle jeho nezávislých zákonů, nevěnoval pozornost chování krystalové mříže. V krystalech, kde jsou přítomny tradiční iontové a kovalentní vazby, jsou elektrony blíže spjaty s "jejich" jádry. Nicméně i tam se pohybují volněji mezi sousedními uzly než v plynu nebo kapalině.

Vlastnosti pevné látky jsou specifikovány nejenchemické prvky, které obsahují, ale také symetrii uspořádání atomů relativně vůči sobě. V klasickém příkladu uhlíku vzniká jedna struktura měkkým grafitem a druhá nejtěžší přírodní materiál, diamant. Takže typ spojení a symetrie elementární buňky znamenají spoustu pevnosti. Ve vlastnostech pevného těla je popsáno, jaké je Mossbauerův efekt. Jeho povaha je vysvětlena následujícím: všechny atomy v pevné látce jsou spojeny.

Kolektivní kvazipartikuly

Nyní si představte poměrně velkýtrojrozměrná mřížka. Pro model je nejvhodnější sůl: Na a Cl se nacházejí na vrcholcích kostek a nahrazují se navzájem. Pokud se nějakým způsobem zachytit jeden atom a vytáhnout ho, přejít z obvyklého místa vyvážení, díky dostatečně tuhému spojení budou po něm následovat sousední atomy. Výpočty ukazují, že změna pozice jednoho jádra má přinejmenším významný vliv na sousedy třetího řádu. To znamená, že pokud "uchopíte" sodík, potom budou sousední atomy chloru, následované atomy sodíku a další nejvzdálenější vrstvy chlóru. Dopad se samozřejmě rozšíří ve všech směrech. Obvykle se říká, že poruchy sousedů čtvrtého řádu jsou zanedbatelné. Nejsou však rovny nule.

Proto, pokud nějak "knock"křišťál je silnější (například k odeslání laseru nebo elektronového paprsku), křišťálová mřížka se "vlní". Taková kolektivní pohyby, jestliže mnoho sousedních atomů krystalu současně prožívá posun, například nahoru nebo dolů, se nazývají fonony. Abychom mohli popsat, jaký je účinek Mossbauer pro figuríny, nebudeme jít do detailů a jednoduše vám řekneme, že phonony, jak se ukázalo, se chovají jako elementární částice. Například jejich energie je kvantizovaná, mají vlnovou délku, hybnost a jsou schopni vzájemně komunikovat. Takže phonony se nazývají kolektivní kvazipartikuly. Jejich množství a kvalita je dána strukturou pevného těla, ve kterém vznikají. Můžete to vypočítat tím, že znáte velikost, symetrii a typy atomů v jednotkové buňce. Vzhled fononů je také ovlivněn délkami a typy vazeb mezi ionty v krystalové mřížce.

Teorie zón

Protože tuhé tělo zobecňuje všechny své elektrony,pak by měly být orbitaly (a tudíž i jejich energie) také zobecněny. Za prvé, musíme si uvědomit, že elektrony patří do této třídy částic, které se nazývají fermiony. Fermi, Dirac a Pauli společně zjistili, že v jednom státě může v daném systému existovat pouze jedna částicka tohoto druhu. Pokud se vrátíme k příkladu soli, pak každý křišťál, s nímž posypeme polévku nebo maso, obsahuje neuvěřitelné množství iontů sodíku a chloru. A každý z nich má stejný počet elektronů, které se otáčejí v identických oběžných dráhách. Jak to být? Tuhá látka opouští polohu takto: energie každého elektronu obíhajícího jádro se trochu liší od energie kteréhokoli jiného elektronu, který patří k téže oběžné dráze druhého atomu. Ukázalo se tedy, že v krystalu je neuvěřitelně mnoho úrovní energie, které se od sebe liší tak málo, že tvoří stlačenou zónu. Rozdíly, které vytvářejí phonony, jsou malé, protože jeden atom neosiluje velmi silně. Hodnota je pouze kolektivní hnutí jako celek. Proto se fononová energie "rozpouští" jako v energii kapely. To je základ pro efekt Mossbauer.

Elektromagnetické měřítko

Pohyb nabitých částic je doprovázenvzhled elektromagnetického pole. Tato skutečnost například vyvolává otázku, proč má jedna planeta a její družice, a jiní ne. Elektromagnetické vlny jsou obvykle rozděleny do tříd podle jejich frekvence a podle toho i energie. Tyto dvě charakteristiky jsou vzájemně propojeny a také závisí na vlnové délce. Jaký je efekt Mossbauer, lze krátce říct pouze tehdy, když čtenář pochopí, kde je záření gama umístěno na elektromagnetické škále. Otevřete stupnici rádiových vln. Teoreticky je limit jejich vlnové délky velikost vesmíru. Energie z těchto emisí by byla však tak nízká, že nemohla být registrována. Mírně vyšší frekvence v terahertzovém záření. Nicméně, to i rádiové vlny jsou pozorovány za velmi specifických podmínek: elektronové zpomalení v magnetickém poli, ohybové vibrace polymerů, pohyb excitonů v pevné fázi. Následující část elektromagnetického spektra je pochopitelnější: infračervené záření. Přenáší energii ve formě tepla. Energie viditelného záření je ještě vyšší. Část spektra vnímána lidským okem je ve srovnání s celou měrou velmi malá.

Červené světlo nese nejmenší energii afialová - největší. V souvislosti s tím je známý paradox: chladnější voda je označena modrou barvou, jejíž energie je vyšší než energie červeného záření. Další ultrafialová část elektromagnetické škály již má dostatečně vysokou frekvenci k proniknutí do pevného tělesa. Přes skutečnost, že lidé, stejně jako jiné živé bytosti naší planety, nevnímají ultrafialový paprsek, jeho význam pro normální fungování biologických organismů je obrovský. Hlavním zdrojem ultrafialového výzkumu je Slunce. Vyšší energie a schopnost proniknout do mnoha látek má rentgen. Zdrojem takového záření je zpomalení elektronů v elektromagnetických polích. V tomto případě mohou být elektrony připojeny, tj. Patří k atomům a jsou volné. Ve zdravotnických prostředcích jsou zařízení na volných elektroních. Nakonec je záření gama nejtěžší a nejkratší vlnová délka.

Rentgen a gama

Mossbauerův efekt a jeho aplikace ve fyzice atechnologie vyžaduje rozlišování mezi rentgenovými paprsky a rentgenovými paprsky. Na úrovni energie a v důsledku toho na vlnové délce se překrývají ve velmi širokém spektru. To znamená, že existuje jak gama, tak rentgenové záření s vlnovou délkou 5 pikometrů. Existují různé způsoby, jak je získat. Jak již bylo vysvětleno výše, vysílání rentgenových paprsků nastává, když jsou elektrony zpomalovány. Navíc v některých procesech (včetně jaderných procesů) elektron zmizí z vnitřního pláště dostatečně těžkého atomu, například uranu. V tomto případě mají jiné elektrony tendenci nahradit své místo. Takové přechody se stávají zdrojem rentgenového záření. Gama kvant jsou výsledkem přechodů samotného jádra z více vzrušeného stavu. Toto záření má velkou pronikavou schopnost a ionizuje atomy, se kterými interaguje. V tomto případě, když kvantum gama koliduje s jádrem atomu, musí existovat tzv. Zpětný odraz. Nicméně v praxi bylo zjištěno, že interakce gama-kvantum s jádrem atomu patřícího k pevnému tělu neexistuje zpětný odraz. To se vysvětluje skutečností, že dodatečná energie je "rozmazána" nad elektronickými zónami krystalu, čímž vzniká fonon.

Izotopy

Mossbauerův efekt a jeho aplikace jsou úzce spjatys jedním překvapivým faktem: fenomén neovlivňuje všechny chemické prvky periodické tabulky. Kromě toho je nezbytné pouze pro určité izotopy látek. Pokud čtenář náhle zapomene, jaké izotopy jsou, připomeňme si. Je známo, že každý atom je elektricky neutrální. To znamená, že jádro pozitivních protonů je stejné jako v elektronovém skořápce. Jádro však obsahuje také neutrony, částice bez náboje. Změníme-li jejich počet v jádru, není narušena elektroneutrality, ale vlastnosti takového atomu se mírně změní. Kromě toho se stává, že těžší izotop je radioaktivní a má tendenci k rozkladu, zatímco obyčejná látka je zcela stabilní. Seznam elementů a jejich izotopů, pro něž je charakter Mossbauerů charakteristický, je naprosto konkrétní. Detekce ⁵⁷Fe, například, je obvykle důvěryhodný právě v tomto jevu.

Použití kvantových efektů

Proveďte experiment, ve kterém seDalší hypotéza týkající se mikrosvěta je často obtížná. Navíc není jasné, jaké výhody mohou přinést stejný účinek společnosti Mossbauer? Aplikace je však poměrně široká. Vyšetřování vlastností krystalických látek, amorfních pevných látek a jemně rozdrcených prášků se objevuje také pomocí tohoto kvantového jevu. Takové údaje jsou nutné jak v sekcích, které jsou dost daleko od praxe (teoretická fyzika), tak ve velmi blízkých disciplínách - například v medicíně. Mössbauerův efekt a jeho aplikace by měly být považovány za příklad teoretického objevu, který přináší mnoho výhod i v každodenním životě.

</ p>>