Mössbauer effek: die effek van die ontdekking en die betekenis daarvan

Die artikel praat oor wat die Mössbauer effek. Ook bekend gemaak konsepte soos kwantum energievlakke in 'n atoom en 'n atoomkern, soliede en kollektiewe quasiparticle daarin.

wiskundige pret

'N Deurbraak in fisika wat plaasgevind het in die eerste dekade van die twintigste eeu, het wetenskaplikes aangedring ernstige kennis in wiskunde. Baie ontdekkings is teruggetrek, so te sê, op die punt van die pen: eers hulle teoreties bereken en dan in die praktyk voorkom.

Byvoorbeeld, die bestaan van gravitasiegolwe voorspel deur Einstein in 1910, was in staat om eksperimenteel bevestig net in 2016. Die samesmelting van twee neutron sterre het bewing ruimte wat aardse fisika gevang en vaste met die opening van die era van swaartekrag metings in die wetenskap van die mensdom geskep. Geen hier genoem wonder swaartekrag, naamlik vir sulke studies is die Mössbauer effek waarde. Maar dit is die uitsondering eerder as die reël. Die meeste dikwels, teoretici en experimenters stap op mekaar se hakke, 'n studie het aanleiding gegee tot die behoefte aan sy wiskundige beskrywing, en negatiewe gevolgtrekking word die aanname van 'n nuwe, nog nie ontvang afhanklikhede. Mössbauer effek was een van sulke verskynsels. Sulke "kant" verskynsel is die aanname en die Max Planck uitgespreek teen die einde van 1900. Daar word gesê dat dit in die wêreld van elektrone en atoomkerne, alle hoeveelhede kan net diskrete waardes neem, dit is gekwantiseerde. En, in sy eie mening, dit was net 'n wiskundige truuk, wat gemaak berekening makliker. Tot aan die einde van sy lewe het hy geglo dat die kwantum, of die kleinste moontlike gedeelte van, byvoorbeeld, die lig - net geskikte manier om te beskryf, nie die uitvoering van 'n ernstige fisiese sin.

Die kwantum wêreld

Maar ander geleerdes wat belangstel in 'n voldoende beskrywing van wat gebeur op die skaal van atome, beskou as die potensiaal van so 'n gevolgtrekking, en het dit as vanselfsprekend aanvaar dat alles gekwantiseerde. Die elektrone rondom die kern kan slegs op sekere bane kerne hulself kan slegs spesifieke energievlakke. Draai therebetween, kerne genereer gammastrale. Mössbauer effek argumenteer dat die aksie 'n soort terugkeer moet produseer, maar dit nie gebeur nie. In die algemeen, al die hoeveelhede wat die gedrag van die nano wêreld beskryf is onderhewig aan kwantisering - dit is diskrete. Maar moenie vergeet dat die momentum wat in die makrokosmos word uitgedruk as die produk van die tempo van massa elementêre deeltjies is iets fundamenteel verskil, wat beteken dat hy ook gekwantiseer. Sodat wetenskap verslag waarin die Maks Plank afgelei sy beroemde formule wat die waarde van h, of 'n minimale effek bevat, het 'n nuwe era. Dit was die era van kwantumfisika. Mössbauer effek, interpretasie, wat later aan hierdie verskynsel, het een van die belangrikste mylpale van wetenskap van die twintigste eeu.

Die ontdekking van die Mössbauer effek

Soos ons hierbo opgemerk, die teoretiese gevolgtrekkings het gepaard gegaan met die eksperiment. Sommige praktiese gevolgtrekkings bewys op plante letterlik ingesamel "op die knie" en uit afvalmateriaal. Wetenskaplikes in staat was om nie net die formule vertoon, maar ook verseël die fles, sny die raad om te werk met metaal en versamel die installasie nie. Natuurlik, die hoof van die laboratoriums som net die resultate van hul wyke. Maar elke eksperimenteerder was ook 'n ingenieur, as die toestelle is ontwerp vir 'n spesifieke doel, en direk in die navorsingsproses. Ek was geen uitsondering nie en die Mössbauer effek. Dit oop te maak nie plaasvind as 'n hardkoppige doktorale Rudolf Mössbauer die metode van meting van die verkoelingseenheid, in plaas van die verhitting van dit nie verander nie, soos deur die toesighouer van studies.

soliede

Die teorie, wat ons die lesers sal vertel in hierdie artikel, blyk dit duidelik met die eerste oogopslag. Maar soos algemeen bekend is, maklik om altyd bereik ongelooflike pogings. En so is ons nou in staat om te vertel in eenvoudige woorde wat die Mössbauer effek vir Dummies letterlik, nadat hy die hele laboratorium.

Onder die soliede word gewoonlik bedoel 'n stof in 'n kristallyne toestand. Die kerne van atome in hierdie geval vorm 'n streng periodieke rooster, terwyl die elektrone in mindere of meerdere mate opgesom. Natuurlik, metaal kristalle gevorm baie spesifieke metaalbinding waardeur die kern bestaan as om te skei van algemene elektrone. Die elektronwolk woon deur sy onafhanklike wet, nie aandag te skenk aan die gedrag van die kristalrooster. Die kristalle wat meer tradisionele ioniese en kovalente bindings aan te bied, die elektrone nader wat verband hou met "hulle" kerne. Maar daar is hulle vry om te beweeg tussen naburige knope as in 'n gas of vloeistof.

Soliede stel eienskappe nie net die chemiese elemente wat in hulle is, maar ook die simmetrie van die rangskikking van atome relatief tot mekaar. In die klassieke voorbeeld van 'n koolstof struktuur genereer sagte grafiet, en die ander - die hardste natuurlike materiaal - diamant. So watter soort verband, en simmetrie van die eenheidsel baie beteken om 'n star liggaam. Die eienskappe van die soliede en dit is die bekendmaking van wat die Mössbauer effek. al die atome in 'n vaste verband hou: sy aard is as volg verduidelik.

kollektiewe quasiparticles

Stel jou nou voor 'n groot genoeg drie-dimensionele rooster. Vir die mees geskikte model sout: Na en Cl is geleë in die hoekpunte van die blokkies, een na die ander. As een of ander manier aan te gryp een atoom en trek hom na die gebruiklike plek van balans te breek, te danke aan 'n voldoende styf verband, nadat dit getrek die naburige atome. Berekeninge toon dat die verandering in die posisie van die kern het ten minste 'n beduidende impak op die bure van die derde orde. Dit beteken dat as die natrium "gryp", gevolg getrek naburige chlooratome, natriumatome agter hom een buitenste laag van chloor. Die impak hiervan is geneig om te word uitgebrei in alle rigtings. Dit word gewoonlik gesê dat die vierde-orde storing bure is weglaatbaar. Hulle is egter nie nul.

Gevolglik, as een of ander manier "klop" kristal sterker, die kristalrooster sal "golwe" (bv vir hom 'n laser of elektronstraal stuur). Sulke kollektiewe beweging wanneer baie naburige atome in die kristal gelyktydig skuif voel, bv op of af, genoem fonone. Beskikbaar om te beskryf wat die Mössbauer effek vir dummies, sal ons nie in besonderhede te gaan en net vir jou sê dat die fonone Daar is gevind dat as elementêre deeltjies op te tree. Byvoorbeeld, hul energie gekwantiseer, hulle besit golflengte momentum en is in staat om met mekaar. So, is die fonone genoem kollektiewe quasiparticles. Hulle aantal en gehalte van die soliede liggaam kry 'n struktuur waarin hulle voorkom. Bereken wat dit kan wees, wetende dat die grootte, simmetrie en tipes atome van die eenheidsel. Op die voorkoms van phonon ook invloed op die lengte en tipe verbande tussen die ione in die kristalrooster.

bandteorie

Sedert soliede som al sy elektrone, en die orbitale (en dus hul energie) moet ook veralgemeen. In die eerste plek moet ons onthou dat die elektrone behoort aan hierdie klas van deeltjies genoem fermione. Fermi, Dirac en Pauli saam bevind dat in 'n staat kan wees in die stelsel, net een so 'n deeltjie. As ons terug te keer na die voorbeeld van soute, elke kristal, wat ons sprinkel sop of vleis, wat bestaan uit 'n ongelooflike bedrag van natrium en chloriedione. En elkeen van hulle het dieselfde aantal elektrone wat draai op dieselfde bane. Hoe kan dit wees? 'N Soliede kom uit die situasie soos volg: die energie van elke elektron wentel rondom die kern, 'n bietjie anders as enige ander energie elektrone wat deel uitmaak van dieselfde wentelbaan van 'n ander atoom. So het dit verkry: in die kristal bestaan baie baie energie vlakke wat van mekaar verskil voldoende klein om 'n saamgeperste gebied te vorm. Die versteurings wat fonone stel klein, want een atoom reekse is nie baie sterk. Al wat saak maak, is die kollektiewe beweging as 'n geheel. Daarom is die phonon energie as 't ware "ontbind" in die gebied van energie. Op grond van hierdie en die Mössbauer effek.

elektromagnetiese skaal

Die beweging van gelaaide deeltjies word vergesel deur 'n elektromagnetiese veld. Hierdie feit plaas, byvoorbeeld, die vraag van hoekom 'n mens planeet en satelliete hulle besit, terwyl ander - nie. Elektromagnetiese golwe kan onderverdeel word in klasse volgens hulle frekwensie en daarom energie. Hierdie twee eienskappe is met mekaar verbind en afhanklik van die golflengte. Wat is die Mössbauer effek kan net kortliks, met dien verstande dat die leser goed verstaan waar elektromagnetiese skaal is geleë gammastraling. So, maak die luggolwe skaal. Teoreties hul golflengte te beperk - dimensies heelal. Tog sou die energie van sodanige bestraling so klein dat dit onmoontlik is om te registreer is nie. Effens hoër frekwensie in die terahertz straling. Dit is egter, en die radio golwe waargeneem in baie spesifieke omstandighede: inhibisie van elektrone in 'n magneetveld, buig vibrasies van polimere, die beweging van excitonen in die soliede. Meer duidelik volgende deel van die elektromagnetiese spektrum - die infrarooi bestraling. Dra dit energie in die vorm van hitte. Selfs hoër energie van sigbare lig. Wat deel van die spektrum wat die menslike oog sien is baie klein in vergelyking met die hele skaal.

Rooi lig het die laagste energie, en pers - die hoogste. In hierdie verband, is dit bekend paradoks: die meer koue water aangedui in blou, wie se energie is hoër as dié van rooi lig. Volgende dat die ultraviolet gedeelte van die elektromagnetiese skaal het reeds 'n voldoende hoë frekwensie deur te dring na 'n soliede. Ten spyte van die feit dat mense, soos ander lewende wesens op ons planeet, nie ultraviolet lig sien, die belangrikheid daarvan vir die behoorlike funksionering van biologiese organismes is enorm. Die hoofbron van ultraviolet studie is die son. Hoër energie en die vermoë om baie stowwe dring het X-straal. Die bron van sodanige bestraling is die verlangsaming van elektrone in die elektromagnetiese velde. Die elektrone kan wees beide gebonde, dit wil sê hoort atome en gratis. Die mediese toestelle toestelle deur vrye elektrone. Ten slotte, die moeilikste en die meeste kort golf is gammastraling.

X-strale en gammastrale

Mössbauer effek en die toepassing daarvan in fisika en ingenieurswese nodig om te onderskei tussen gammastrale en X-strale. Deur die vlak van energie en, dienooreenkomstig, die golflengte hulle in 'n baie wye verskeidenheid van oorvleueling. Dit is, is daar 'n gamma en X-strale met 'n golflengte van 5 picometres. Verskillende metodes vir hul voorbereiding. Soos hierbo verduidelik, die X-bestraling vind plaas wanneer die verlangsaming van elektrone. Verder, in sommige prosesse (insluitend kern) verdwyn elektron vanaf die binneste dop genoeg swaar atoom, soos uraan. Maar ander elektrone is geneig om sy plaas te vind. Sulke oorgange, en word 'n bron van X-strale. Gammastrale is die gevolg van die kern oorgange van 'n hoër opgewekte toestand. Dit bestraling het 'n hoë deurdringingsvermoë en Ionisators atome waaraan wisselwerking. Waarin wanneer die gammastraal bots met die kern van 'n atoom, moet daar 'n sogenaamde terugslag wees. Maar in die praktyk het dit geblyk dat die interaksie van gammastrale met die kern van 'n atoom wat aan die starre liggaam, die impak ontbreek. Dit word verklaar deur die feit dat bykomende energie as 't ware deur elektroniese bands van die kristal "besmeer", die skep van 'n phonon.

isotope

Mössbauer effek en die toepassing daarvan is nou verwant aan die een verrassende feit: die verskynsel nie reageer op al die chemiese elemente van die periodieke tabel. Verder is dit betekenisvol net vir 'n paar stowwe isotope. As die leser skielik vergeet wat isotope herroep. Dit is bekend dat 'n gegewe atoom elektries neutraal. Dit beteken dat in die kern van positiewe protone soveel as in die elektron skil. Maar die kern bevat ook 'n neutron, deeltjie sonder enige koste. As jy die aantal verander in die kern, is elektriese neutraliteit nie geskend nie, maar die eienskappe van die atoom verander effens. Verder is dit gebeur dat die swaarder isotope is radio-aktiewe en is geneig om te verval, terwyl gewone saak is redelik stabiel. Nogal 'n lys van beton elemente en hul isotope, wat gekenmerk word deur die Mössbauer effek. Opsporing van ⁵⁷ Fe, byvoorbeeld, is oor die algemeen vertrou deur hierdie verskynsel.

Die gebruik van kwantum effekte

Produseer ervaring, wat bevestig word deur die een of ander hipotese met betrekking tot die mikroskopiese wêreld, is dit dikwels nie maklik nie. Verder is dit onduidelik wat voordele kan dieselfde effek Mössbauer bring? Die gebruik daarvan is egter wyd genoeg. Ondersoek van eienskappe van kristallyne materiale, amorfe vaste stowwe en fyn verbrokkelde poeiers plaasvind, insluitende via hierdie kwantum verskynsel. Sulke data word vereis in redelik ver van die praktyk afdelings (teoretiese fisika), en in baie geheg man dissiplines - soos medisyne. So, moet die Mössbauer effek en die gebruik daarvan in ag geneem word as 'n voorbeeld van teoretiese ontdekking, wat 'n baie voordele bring, selfs in die alledaagse lewe.