эффект Мёссбауэра

Резонансное и безоткатное испускание и поглощение гамма-излучения атомными ядрами

Эффект Мёссбауэра , или ядерная резонансная флуоресценция без отдачи , — физическое явление, открытое Рудольфом Мёссбауэром в 1958 году. Оно включает в себя резонансное и безоткатное испускание и поглощение гамма-излучения атомными ядрами, связанными в твердом теле. Его основное применение — мёссбауэровская спектроскопия .

В эффекте Мёссбауэра узкий резонанс для ядерного гамма-излучения и поглощения возникает из-за того, что импульс отдачи передается окружающей кристаллической решетке, а не только испускающему или поглощающему ядру. Когда это происходит, гамма-энергия не теряется в кинетическую энергию отскакивающих ядер ни на испускающем, ни на поглощающем конце гамма-перехода: испускание и поглощение происходят с одной и той же энергией, что приводит к сильному резонансному поглощению.

История

Испускание и поглощение рентгеновских лучей газами наблюдалось ранее, и ожидалось, что подобное явление будет обнаружено для гамма-лучей , которые создаются ядерными переходами (в отличие от рентгеновских лучей, которые обычно производятся электронными переходами ). Однако попытки наблюдать ядерный резонанс, создаваемый гамма-лучами в газах, не увенчались успехом из-за потери энергии на отдачу, что предотвращало резонанс ( эффект Доплера также расширяет спектр гамма-лучей). Мёссбауэру удалось наблюдать резонанс в ядрах твердого иридия , что подняло вопрос о том, почему резонанс гамма-лучей возможен в твердых телах, но не в газах. Мёссбауэр предположил, что для случая атомов, связанных в твердое тело, при определенных обстоятельствах часть ядерных событий может происходить по существу без отдачи. Он приписал наблюдаемый резонанс этой части ядерных событий без отдачи.

Эффект Мёссбауэра был одним из последних крупных открытий в физике, о котором первоначально сообщалось на немецком языке. Первые сообщения на английском языке представляли собой пару писем, описывающих независимые повторения эксперимента. ^{[1] [2]}

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

Описание

Мессбауэровский спектр поглощения ⁵⁷ Fe

В общем случае гамма-лучи производятся ядерными переходами из нестабильного высокоэнергетического состояния в стабильное низкоэнергетическое состояние. Энергия испускаемого гамма-луча соответствует энергии ядерного перехода за вычетом количества энергии, которая теряется в виде отдачи испускающему атому. Если потерянная энергия отдачи мала по сравнению с шириной энергетической линии ядерного перехода, то энергия гамма-луча все еще соответствует энергии ядерного перехода, и гамма-луч может быть поглощен вторым атомом того же типа, что и первый. Это испускание и последующее поглощение называется резонансной флуоресценцией . Дополнительная энергия отдачи также теряется во время поглощения, поэтому для того, чтобы произошел резонанс, энергия отдачи должна быть фактически меньше половины ширины линии для соответствующего ядерного перехода.

Количество энергии в отскакивающем теле ( ER ) можно найти из закона сохранения импульса _:

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

где P _R — импульс отскакивающей материи, а P _{γ —} импульс гамма-излучения. Подстановка энергии в уравнение дает:

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

где E _R (0,002  эВ для⁵⁷
Фе
) — энергия, потерянная при отдаче, E _γ — энергия гамма-излучения (14,4  кэВ для⁵⁷
Фе
), М (56.9354  у.е. для⁵⁷
Фе
) — масса излучающего или поглощающего тела, а c — скорость света . ^[3] В случае газа излучающие и поглощающие тела являются атомами, поэтому масса относительно мала, что приводит к большой энергии отдачи, которая предотвращает резонанс. (Обратите внимание, что то же самое уравнение применимо к потерям энергии отдачи в рентгеновских лучах, но энергия фотона намного меньше, что приводит к меньшим потерям энергии, поэтому резонанс в газовой фазе можно наблюдать с помощью рентгеновских лучей.)

В твердом теле ядра связаны с решеткой и не отскакивают так же, как в газе. Решетка в целом отскакивает, но энергия отдачи пренебрежимо мала, поскольку M в приведенном выше уравнении представляет собой массу всей решетки. Однако энергия при распаде может быть принята или предоставлена ​​колебаниями решетки. Энергия этих колебаний квантуется в единицах, известных как фононы . Эффект Мёссбауэра возникает, поскольку существует конечная вероятность того, что распад произойдет без участия фононов. Таким образом, в части ядерных событий ( доля без отдачи , заданная фактором Лэмба-Мёссбауэра ) весь кристалл действует как отскакивающее тело, и эти события по существу не имеют отдачи. В этих случаях, поскольку энергия отдачи пренебрежимо мала, испускаемые гамма-лучи имеют соответствующую энергию, и может возникнуть резонанс.

В целом (в зависимости от периода полураспада) гамма-лучи имеют очень узкую ширину линии. Это означает, что они очень чувствительны к небольшим изменениям в энергиях ядерных переходов. Фактически, гамма-лучи можно использовать в качестве зонда для наблюдения за эффектами взаимодействия между ядром и его электронами, а также электронами его соседей. Это основа мёссбауэровской спектроскопии, которая объединяет эффект Мёссбауэра с эффектом Доплера для мониторинга таких взаимодействий.

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

Смотрите также

• Изомерный сдвиг
• Эксперименты с ротором Мёссбауэра
• Мёссбауэровская спектроскопия
• Ядерная спектроскопия
• Возмущенная угловая корреляция
• Эксперимент Паунда–Ребки

Ссылки

1. Крейг, П.; Дэш, Дж.; МакГвайр, А.; Нагл, Д.; Рейсвиг, Р. (1959). "Ядерное резонансное поглощение гамма-лучей в Ir ¹⁹¹ ". Physical Review Letters . 3 (5): 221. Bibcode : 1959PhRvL...3..221C. doi : 10.1103/PhysRevLett.3.221.
2. Ли-младший, Л. Л.; Мейер-Шуцмейстер, Л.; Шиффер, Дж. П.; Винсент, Д. (1959). «Ядерное резонансное поглощение гамма-лучей при низких температурах». Physical Review Letters . 3 (5): 223. Bibcode : 1959PhRvL...3..223L. doi : 10.1103/PhysRevLett.3.223.
3. Nave, CR (2005). "Эффект Мёссбауэра в железе-57". HyperPhysics . Georgia State University . Получено 7 июня 2010 г.

Дальнейшее чтение

• Мессбауэр, Р.Л. (1958). «Кернрезонансфлюоресценция гамма-излучения в Ir ¹⁹¹ ». Zeitschrift für Physik A (на немецком языке). 151 (2): 124–143. Бибкод : 1958ZPhy..151..124M. дои : 10.1007/BF01344210. S2CID  121129342.
• Фрауэнфельдер, Х. (1962). Эффект Мёссбауэра. В. А. Бенджамин . LCCN  61018181.
• Эйгес, Л. (1965). «Физика эффекта Мёссбауэра». Американский журнал физики . 33 (10): 790–802. Bibcode : 1965AmJPh..33..790E. doi : 10.1119/1.1970986.
• Гессе, Дж. (1973). «Простая установка для образовательных измерений эффекта Мёссбауэра». Американский журнал физики . 41 (1): 127–129. Bibcode : 1973AmJPh..41..127H. doi : 10.1119/1.1987142.
• Нинио, Ф. (1973). «Вынужденный гармонический осциллятор и нулевой фононный переход эффекта Мёссбауэра». American Journal of Physics . 41 (5): 648–649. Bibcode : 1973AmJPh..41..648N. doi : 10.1119/1.1987323 .
• Вандергрифт, Г.; Фульц, Б. (1998). «Объяснение эффекта Мёссбауэра». Американский журнал физики . 66 (7): 593–596. Bibcode : 1998AmJPh..66..593V. doi : 10.1119/1.18911.
• Адетунджи, Дж.; Дронсфилд, А.Т. (июль 2002 г.). «Начало мёссбауэровской спектроскопии». Образование в области химии .

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с эффектом Мёссбауэра на Wikimedia Commons