Mossbauer effect: het effect van de ontdekking en de betekenis ervan

Het artikel gaat over wat de Mossbauer effect. Ook beschreven concepten zoals quantum energie per atoom en een atoomkernen, vaste en collectieve quasiparticle daarin.

wiskundige fun

Een doorbraak in de fysica die zich in het eerste decennium van de twintigste eeuw, wetenschappers eisten ernstige kennis van wiskunde. Veel ontdekkingen zijn ingetrokken, om zo te zeggen, op het puntje van de pen: ze eerst theoretisch werden berekend en vervolgens in de praktijk.

Bijvoorbeeld, het bestaan van gravitatiegolven voorspeld door Einstein in 1910, waren in staat om experimenteel te bevestigen alleen in 2016. De fusie van twee neutronensterren heeft tremoren ruimte terrestrische natuurkunde gevangen en gefixeerd door het openen van het tijdperk van zwaartekrachtsmetingen in de wetenschap van de mensheid gecreëerd. Geen hier genoemd wonder zwaartekracht: namelijk voor dergelijke studies is de mössbauereffect waarde. Maar dit is eerder uitzondering dan regel. Meestal, theoretici en onderzoekers stap op elkaars hielen, een studie gaf aanleiding tot de noodzaak voor zijn wiskundige beschrijving, en de negatieve conclusie wordt de aanname van nieuwe, nog niet ontvangen afhankelijkheden. Mössbauereffect was één van deze verschijnselen. Dergelijke "kant" fenomeen is de aanname en Max Planck expressie eind 1900. Gezegd dat in de wereld van elektronen en atoomkernen, alle hoeveelheden slechts discrete waarden aannemen, dat gekwantiseerd. En, in zijn eigen mening, het was gewoon een wiskundige truc, waardoor de berekening eenvoudiger. Tot het einde van zijn leven geloofde hij dat de quantum of de kleinst mogelijke deel van, bijvoorbeeld, licht - alleen geschikt manier om te beschrijven, niet dragen van een ernstige lichamelijke zin.

De quantum wereld

Echter, andere wetenschappers die geïnteresseerd zijn in een adequate beschrijving van wat er gebeurt op de schaal van atomen, beschouwd als de potentie van een dergelijke conclusie, en nam het vanzelfsprekend dat alles gekwantificeerd. De elektronen rond de kern kan alleen op bepaalde banen kernen zelf kunnen alleen specifieke energie niveaus. Overslaan daartussen kernen genereren gammastraling. Mössbauereffect stelt dat het beroep een soort terugkeer moet produceren, maar dit niet gebeurt. In het algemeen, alle hoeveelheden die het gedrag van de nanowereld beschrijven geldt kwantisering - die discreet. Maar vergeet niet dat het momentum dat in de macrokosmos wordt uitgedrukt als het product van de snelheid van de massa om elementaire deeltjes is iets fundamenteel anders, wat betekent dat ook hij is gekwantiseerd. Dus dat de wetenschap rapport waarin de Maks Plank afgeleid zijn beroemde formule die de waarde van h, of minimaal effect bevat, opende een nieuw tijdperk. Dit was het tijdperk van de kwantumfysica. Mossbauer effect, interpretatie, die later werd gegeven aan dit fenomeen, zijn uitgegroeid tot een van de belangrijkste mijlpalen van de wetenschap van de twintigste eeuw.

De ontdekking van de mössbauereffect

Zoals we hierboven hebben opgemerkt, de theoretische conclusies ging hand in hand met het experiment. Enkele praktische conclusies bleek op planten letterlijk verzameld "op de knie" en uit schroot. Wetenschappers hebben kunnen niet alleen de formule te geven, maar ook sluit de kolf zaag het paneel te werken met metalen en verzamel de installatie zijn. Natuurlijk, het hoofd van de laboratoria vat alleen de resultaten van hun wijk. Echter, elke experimentator was ook een ingenieur, omdat de apparaten zijn ontworpen voor specifieke doeleinden, en direct in het onderzoeksproces. Ik was geen uitzondering en de Mossbauer effect. Openen zal niet plaatsvinden wanneer een hardnekkig doctorale Rudolf Mossbauer de meetmethode voor de koeleenheid, in plaats van verwarmen niet veranderd, zoals aangeraden door de toezichthouder studies.

solide

De theorie, die we de lezers zullen vertellen in dit gedeelte, het lijkt duidelijk op het eerste gezicht. Echter, zoals algemeen bekend is, gemakkelijk om altijd realiseert ongelooflijke inspanningen. En dus zijn we nu in staat om te vertellen in eenvoudige woorden wat de mössbauereffect voor Dummies letterlijk, werkte ooit het hele laboratorium.

Onder de vaste stof wordt meestal verstaan een stof in een kristallijne toestand. Atoomkernen in dit geval vormen een strikt periodiek rooster, terwijl de elektronen in verschillende mate samengevat. Natuurlijk metaal gevormde kristallen zeer specifieke metaalbinding waardoorheen de kern bestaan te scheiden van gegeneraliseerde elektronen. Het elektron wolk leeft door zijn onafhankelijke advocatenkantoren, geen aandacht aan het gedrag van het kristalrooster. De kristallen traditionelere ionische en covalente bindingen aanwezig, de elektronen nauwer bij "de" kernen. Er zij vrij kunnen bewegen tussen naburige knooppunten van in een gas of vloeistof.

Solide set eigenschappen niet alleen de chemische elementen die erin staan, maar ook de symmetrie van de rangschikking van atomen ten opzichte van elkaar. In het klassieke voorbeeld van een carbonstructuur genereert zachte grafiet, en de andere - het hardste natuurlijke materiaal - diamant. Dus welk type verbinding, en symmetrie van de eenheid cel betekenen veel voor een star lichaam. De eigenschappen van de vaste stof en het is de openbaarmaking van wat de Mossbauer effect. alle atomen in een vaste geassocieerd: aard wordt als volgt verklaard.

collectieve quasideeltjes

Stel je nu voor een voldoende grote driedimensionale rooster. Voor het model meest geschikt zout: Na en Cl liggen in de hoekpunten van de blokken na elkaar. Als ergens pak een atoom en trekt hij aan de gewone evenwicht te breken, door een voldoende stijve verbinding, nadat het getrokken naburige atomen. Berekeningen laten zien dat de verandering in de positie van de kern tenminste geen significante invloed op de buren van de derde orde. Dit betekent dat als het natriumzout "grijpen", gevolgd getrokken naburige chlooratomen, natriumatomen na hem een buitenste laag van chloor. De impact hiervan is waarschijnlijk uit te breiden in alle richtingen. Gewoonlijk wordt gezegd dat de vierde orde storing buren verwaarloosbaar. Ze zijn echter niet nul.

Indien derhalve andere manier "innen" sterker kristal, het kristal rooster zal "golven" (bijvoorbeeld om hem een laser- of elektronenbundel te sturen). Dergelijke collectieve verplaatsing wanneer veel naburige atomen in het kristal gelijktijdig verschuiven voelen, bijvoorbeeld boven of beneden, genaamd fononen. Beschikbaar om te beschrijven wat de mössbauereffect voor dummies, zullen we niet in detail gaan en gewoon je vertellen dat de fononen bleek als elementaire deeltjes zich gedragen. Bijvoorbeeld, hun energie gekwantiseerd, ze bezitten golflengte impuls en kunnen samenwerken met elkaar. Zo zijn de fononen genoemd collectieve quasideeltjes. Het aantal en de kwaliteit van het vaste lichaam krijgt een structuur waarin ze voorkomen. Berekenen kan worden, kennen de grootte, symmetrie en typen atomen van de eenheidscel. Bij het optreden van fonon beïnvloeden ook de lengte en de aard van bindingen tussen de ionen in het kristalrooster.

bandentheorie

Aangezien stevige vat alle elektronen, en de orbitalen (en vandaar hun energie) moet worden gegeneraliseerd. Ten eerste moeten we niet vergeten dat de elektronen behoren tot deze klasse van deeltjes genaamd fermionen. Fermi Dirac en Pauli gevonden samen dat in één toestand kan in het systeem zal slechts één deeltje. Als we terugkeren naar het voorbeeld van zouten, elk kristal, waarvan we strooi soep of vlees, omvattende een ongelooflijk veel natrium- en chloride-ionen. En elk van hen heeft evenveel elektronen, die draaien op identieke banen. Hoe kan dat? Een vast komt uit de situatie als volgt: de energie van elk elektron een baan rond de kern, iets anders dan alle andere energie-elektronen van dezelfde baan van een ander atoom. Het aldus verkregen: in het kristal bestaat zeer veel energieniveaus die verschillen van elkaar voldoende klein om een samengedrukte gebied vormen. De verstoringen die fononen voeren klein, omdat één atoom trajecten zijn niet erg sterk. Het enige dat telt is de collectieve beweging als geheel. Daarom is de fononenergie als het ware "opgelost" in het energiegebied. Op basis hiervan en de Mossbauer effect.

elektromagnetische schaal

De beweging van geladen deeltjes wordt vergezeld van een elektromagnetisch veld. Dit feit brengt, bijvoorbeeld de vraag waarom de ene planeet en satellieten ze bezitten, terwijl anderen - niet. Elektromagnetische golven kunnen worden onderverdeeld in klassen op basis van de frequentie en dus energie. Deze twee kenmerken zijn met elkaar verbonden en zijn afhankelijk van de golflengte. Wat is de Mössbauer effect kan slechts kort, mits de lezer begrijpt waarbij electromagnetische straling ligt gammastraling. Dus, het openstellen van de ether schaal. Theoretisch hun golflengtegrens - afmetingen universe. Echter de energie van dergelijke straling zo klein dat het niet mogelijk is te registreren. Iets hogere frequentie in de terahertz straling. Het is echter, de radiogolven worden waargenomen in zeer specifieke omstandigheden: remming van elektronen in een magnetisch veld, buigtrillingen van polymeren, de beweging van excitonen in de vaste stof. Duidelijker volgende deel van het elektromagnetisch spectrum - de infraroodstraling. Het draagt energie in de vorm van warmte. Nog hogere energie van zichtbaar licht. Dat deel van het spectrum dat het menselijk oog ziet is erg klein in vergelijking met de volledige schaal.

Rood licht heeft de laagste energie, en paars - het hoogste. In dit verband is het bekend paradox: hoe meer koud water wordt blauw, waarvan de energie hoger is dan die van rood licht. Na het ultraviolette gedeelte van de electromagnetische straling reeds een voldoende hoge frequentie te dringen in een vaste stof. Ondanks het feit dat mensen, net als andere levende wezens op onze planeet, geen ultraviolet licht waarnemen, het belang ervan voor de goede werking van biologische organismen is enorm. De belangrijkste bron van ultraviolet studie is de zon. Hogere energieprijzen en de mogelijkheid om veel stoffen dringen heeft X-ray. De bron van die straling is de vertraging van elektronen in de elektromagnetische velden. De elektronen kunnen zowel gebonden, d.w.z. behoren atomen en vrij. De medische hulpmiddelen zijn apparaten door vrije elektronen. Tenslotte de zwaarste en meest kortgolvige gammastraling.

X-stralen en gamma

Mössbauereffect en de toepassing ervan in natuurkunde en techniek moet onderscheiden gammastralen en röntgenstralen. Door het niveau van energie en dus de golflengte ze in zeer uiteenlopende overlap. Dat wil zeggen dat er een gamma- en X-stralen met een golflengte van 5 picometer. Verschillende methoden voor de bereiding ervan. Zoals hierboven uiteengezet, de röntgenstraling ontstaat als de vertraging van elektronen. Bovendien is in sommige werkwijzen (met inbegrip van nucleaire) verdwijnt elektron uit de binnenste schaal voldoende zwaar atoom zoals uranium. Echter, andere elektronen hebben de neiging om zijn plaats in te nemen. Dergelijke overgangen, en wordt een bron van röntgenstralen. Gammastraling zijn het resultaat van de kern overgangen vanuit een hogere aangeslagen toestand. Deze straling heeft een hoog penetrerend vermogen en ioniseert atomen waaraan samenwerkt. Waarbij wanneer de gammastraal botst met de kern van een atoom, moet er een zogenaamde terugslag zijn. In de praktijk bleek de interactie van gammastralen met de kern van een atoom die tot het rigide lichaam, het effect ontbreekt. Dit wordt verklaard door het feit dat extra energie als het ware langs elektronische banden van het kristal "uitgesmeerd", waardoor een fonon.

isotopen

Mössbauereffect en de toepassing ervan is nauw verwant aan die verrassende feit: het verschijnsel niet werken op alle chemische elementen van het periodiek systeem. Bovendien is het belangrijk slechts voor bepaalde stoffen isotopen. Als de lezer plotseling vergeten wat isotopen recall. Het is bekend dat een gegeven atoom is elektrisch neutraal. Dit betekent dat de kern van positieve protonen wel in de elektronenschil. De kern bevat ook een neutron, deeltje kosteloos. Als u het nummer te wijzigen in de kern, wordt de elektrische neutraliteit niet geschonden, maar de eigenschappen van het atoom iets veranderd. Daarnaast komt het voor dat de zwaardere isotoop is radioactief en is gevoelig voor verval, terwijl de gewone materie is vrij stabiel. Nogal een lijst van betonnen elementen en hun isotopen, die worden gekenmerkt door de mössbauereffect. Detectie van ⁵⁷ Fe bijvoorbeeld wordt gewoonlijk vertrouwd met dit fenomeen.

Het gebruik van quantum-effecten

Produce ervaring, die wordt bevestigd door de ene of de andere hypothese met betrekking tot de microscopische wereld, is het vaak niet gemakkelijk. Bovendien is het onduidelijk welke voordelen kan hetzelfde effect Mossbauer brengen? Het gebruik ervan is echter breed genoeg. Onderzoek van de eigenschappen van kristallijne materialen, amorfe vaste stoffen en fijnverdeeld poeder optreedt, ook via het kwantum fenomeen. Dergelijke gegevens zijn nodig vrij ver van de praktijk gedeelten (theoretische fysica) en in nauwe man disciplines - zoals geneeskunde. Daarom moet de Mossbauer effect en het gebruik ervan worden beschouwd als een voorbeeld van de theoretische ontdekking, die veel voordelen oplevert, zelfs in het dagelijks leven.