Эффект Мессбауэра

Эффект Мессбауэра , или флуоресценция ядерного резонанса без отдачи , — это физическое явление, открытое Рудольфом Мессбауэром в 1958 году. Оно включает в себя резонансное и безоткатное излучение и поглощение гамма-излучения атомными ядрами, связанными в твердом теле. Его основное применение — мессбауэровская спектроскопия .

При эффекте Мессбауэра узкий резонанс ядерного гамма-излучения и поглощения возникает в результате того, что импульс отдачи передается окружающей кристаллической решетке, а не только излучающему или поглощающему ядру. Когда это происходит, гамма-энергия не теряется из-за кинетической энергии ядер отдачи ни на излучающем, ни на поглощающем конце гамма-перехода: излучение и поглощение происходят с одинаковой энергией, что приводит к сильному резонансному поглощению.

История

Испускание и поглощение рентгеновских лучей газами наблюдалось ранее, и ожидалось, что аналогичное явление будет обнаружено для гамма-лучей , которые создаются ядерными переходами (в отличие от рентгеновских лучей, которые обычно производятся электронными переходы ). Однако попытки наблюдать ядерный резонанс, создаваемый гамма-лучами в газах, не увенчались успехом из-за потери энергии на отдачу, предотвращающую резонанс ( эффект Доплера также расширяет спектр гамма-лучей). Мессбауэру удалось наблюдать резонанс в ядрах твердого иридия , что поставило вопрос, 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 по существу без отдачи. Он объяснил наблюдаемый резонанс именно этой частью ядерных событий без отдачи.

Эффект Мёссбауэра был одним из последних крупных открытий в физике, о которых первоначально сообщалось на немецком языке. Первые отчеты на английском языке представляли собой пару писем с описанием независимых повторений эксперимента. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Это открытие было отмечено Нобелевской премией по физике в 1961 году вместе с Роберта Хофштадтера исследованием рассеяния электронов в атомных ядрах.

Описание

В общем, гамма-лучи возникают в результате ядерных переходов из нестабильного состояния с высокой энергией в стабильное состояние с низкой энергией. Энергия испускаемого гамма-излучения соответствует энергии ядерного перехода за вычетом количества энергии, которое теряется в результате отдачи излучающего атома. Если потерянная энергия отдачи мала по сравнению с шириной энергетической линии ядерного перехода, то энергия гамма-лучей все равно соответствует энергии ядерного перехода, и гамма-луч может быть поглощен 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 на самом деле должна быть меньше половины ширины линии соответствующего ядерного перехода.

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

|P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {\gamma } }|\,

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

E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma } }^{2}}{2Mc^{2}}}

где $E R$ ( 0,002 эВ для ⁵⁷
Фе
) — энергия, теряемая при отдаче, $E γ$ — энергия гамма-лучей ( 14,4 кэВ для ⁵⁷
Фе
), $М$ ( 56,9354 ед. для ⁵⁷
Фе
) — масса излучающего или поглощающего тела, а c — скорость света . ^{[ 3 ]} В случае газа излучающими и поглощающими телами являются атомы, поэтому масса относительно мала, что приводит к большой энергии отдачи, предотвращающей резонанс. (Обратите внимание, что то же уравнение применимо для потерь энергии отдачи в рентгеновских лучах, но энергия фотонов намного меньше, что приводит к меньшим потерям энергии, поэтому газофазный резонанс можно наблюдать с помощью рентгеновских лучей.)

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

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

Бесфононные оптические переходы , процесс, очень аналогичный эффекту Мёссбауэра, можно наблюдать в хромофорах, связанных с решеткой , при низких температурах.

См. также

Ссылки

^ Крейг, П.; Дэш, Дж.; Макгуайр, А.; Нэгл, Д.; Райсвиг, Р. (1959). «Ядерно-резонансное поглощение гамма-лучей в ИК-диапазоне». ¹⁹¹". Письма о физическом обзоре . 3 (5): 221. Бибкод : 1959PhRvL...3..221C . doi : 10.1103/PhysRevLett.3.221 .
^ Ли младший, LL; Мейер-Шуцмайстер, Л.; Шиффер, JP; Винсент, Д. (1959). «Ядерно-резонансное поглощение гамма-лучей при низких температурах». Письма о физических отзывах . 3 (5): 223. Бибкод : 1959PhRvL...3..223L . дои : 10.1103/PhysRevLett.3.223 .
^ Нейв, Чехия (2005). «Эффект Мёссбауэра в железе-57» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии . Проверено 7 июня 2010 г.

Дальнейшее чтение

Мессбауэр, Р.Л. (1958). «Ядерно-магнитно-резонансная флуоресценция гамма-излучения в Ir ¹⁹¹". Journal of Physics A (на немецком языке). 151 (2): 124–143. Бибкод : 1958ZPhy..151..124M . doi : 10.1007/BF01344210 . S2CID 121129342 .
Фрауэнфельдер, Х. (1962). Эффект Мёссбауэра . В. А. Бенджамин . LCCN61018181 .
Эйгес, Л. (1965). «Физика эффекта Мессбауэра». Американский журнал физики . 33 (10): 790–802. Бибкод : 1965AmJPh..33..790E . дои : 10.1119/1.1970986 .
Гессен, Дж. (1973). «Простая схема образовательных измерений мессбауэровского эффекта». Американский журнал физики . 41 (1): 127–129. Бибкод : 1973AmJPh..41..127H . дои : 10.1119/1.1987142 .
Нинио, Ф. (1973). «Вынужденный гармонический осциллятор и бесфононный переход эффекта Мессбауэра» . Американский журнал физики . 41 (5): 648–649. Бибкод : 1973AmJPh..41..648N . дои : 10.1119/1.1987323 .
Вандергрифт, Г.; Фульц, Б. (1998). «Объяснение эффекта Мессбауэра». Американский журнал физики . 66 (7): 593–596. Бибкод : 1998AmJPh..66..593V . дои : 10.1119/1.18911 .
Адетунджи, Дж.; Дронсфилд, Австралия (июль 2002 г.). «Начала мессбауэровской спектроскопии» . Химическое образование .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с эффектом Мёссбауэра, на Викискладе?

[1] Крейг, П.; Дэш, Дж.; Макгуайр, А.; Нэгл, Д.; Райсвиг, Р. (1959). «Ядерно-резонансное поглощение гамма-лучей в ИК-диапазоне». ¹⁹¹". Письма о физическом обзоре . 3 (5): 221. Бибкод : 1959PhRvL...3..221C . doi : 10.1103/PhysRevLett.3.221 .

[2] Ли младший, LL; Мейер-Шуцмайстер, Л.; Шиффер, JP; Винсент, Д. (1959). «Ядерно-резонансное поглощение гамма-лучей при низких температурах». Письма о физических отзывах . 3 (5): 223. Бибкод : 1959PhRvL...3..223L . дои : 10.1103/PhysRevLett.3.223 .

[3] Нейв, Чехия (2005). «Эффект Мёссбауэра в железе-57» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии . Проверено 7 июня 2010 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]