Effett Mossbauer: l-effett tal-iskoperta u s-sinifikat tagħha

It-taħditiet artikolu dwar dak l-effett Mossbauer. żvelata wkoll kunċetti bħal livelli quantum ta 'enerġija fi atomu u nukleu atomiku, solidu u quasiparticle kollettiva hemmhekk.

gost matematika

A avvanz fil-fiżika li seħħew fl-ewwel għaxar snin tas-seklu għoxrin, xjentisti mitluba għarfien serju fil-matematika. Bosta skoperti ġew irtirati, biex ngħidu hekk, fuq il-ponta tal-pinna: fl-ewwel kienu kkalkulati teoretikament u mbagħad sabet fil-prattika.

Per eżempju, l-eżistenza ta ' mewġ gravitazzjonali previst mill Einstein fl-1910, kien kapaċi jikkonferma sperimentali biss fl-2016. L-amalgamazzjoni ta 'żewġ stilel newtroni ħoloq rogħda ispazju li l-fiżika terrestri maqbuda u fiss billi jiftaħ il-era ta' kejl gravitazzjonali fil-xjenza ta 'l-umanità. Nru gravità wonder msemmija hawn: jiġifieri għal dawn l-istudji huwa l-valur effett Mossbauer. Iżda din hija l-eċċezzjoni aktar milli r-regola. Ħafna drabi, Teoristi u sperimentaturi pass fuq takkuna xulxin, studju wieħed taw lok għall-ħtieġa ta deskrizzjoni matematika tagħha, u l-konklużjoni negattiva isir l-assunzjoni ta 'ġodda, mhux għadhom waslu dipendenzi. effett Mössbauer kienet waħda ta 'dawk il-fenomeni. Tali "in-naħa" fenomenu hija l-assunzjoni u l-Max Planck espressa fl-aħħar tal 1900. Hija qalet li fid-dinja ta 'elettroni u nuklei atomiċi, kwantitajiet kollha tista' biss jieħdu valuri diskreti, jiġifieri quantized. U, fl-opinjoni tiegħu, kien biss trick matematika, li għamlet kalkolu aktar faċli. Sa l-aħħar ta 'ħajtu hu jemmen li l-kwantum, jew l-iżgħar parti possibbli ta', per eżempju, dawl - uniku mod xieraq biex jiddeskrivu, ma jġorru sens fiżiku serju.

Id-dinja kwantum

Madankollu, l-istudjużi oħra interessati deskrizzjoni adegwata ta 'dak li qed jiġri fuq l-iskala ta' atomi, meqjus il-potenzjal ta 'tali konklużjoni, u ħa għall mogħtija li kollox huwa quantized. L-elettroni madwar l-nukleu jista 'jkun biss fuq ċerti orbiti nuklei infushom jista' jkollu biss livelli speċifiċi ta 'enerġija. Taqbeż therebetween, nuklei jiġġeneraw raġġi gamma. effett Mossbauer targumenta li l-azzjoni għandha tipproduċi tip ta 'ritorn, iżda dan ma jseħħx. B'mod ġenerali, l-kwantitajiet li jiddeskrivu l-imġiba tal-nanoworld huma suġġetti għal quantization - jiġifieri diskreta. Imma ma ninsewx li l-momentum li fil-macrocosm huwa espress bħala l-prodott tar-rata ta 'massa għall-partiċelli elementari hija xi ħaġa fundamentalment differenti, li jfisser li huwa, ukoll, hija quantized. Allura dak ir-rapport xjenza li fiha l-Plank Maks derivati formula famuża tiegħu li fiha l-valur tal-siegħa, jew effett minimu, bdiet era ġdida. Dan kien l-era tal-fiżika quantum. Mossbauer effett, l-interpretazzjoni, li kien tard jingħata lil dan il-fenomenu, saru waħda mill-miri l-aktar importanti ta 'xjenza tas-seklu għoxrin.

L-iskoperta tal-effett Mössbauer

Kif għandna innutat hawn fuq, il-konklużjonijiet teoretiċi mexa id f'id ma 'l-esperiment. Xi konklużjonijiet prattiċi ppruvati fuq il-pjanti miġbura litteralment "fuq l-irkoppa" u minn materjali ruttam. Ix-xjentisti kienu kapaċi mhux biss juru l-formola, iżda wkoll tissiġilla l-flixkun, jinqatgħu l-bord biex jaħdmu bil-metall u jiġbru l-installazzjoni. Naturalment, il-kap tal-laboratorji fil-qosor biss ir-riżultati tal swali tagħhom. Madankollu, kull esperiment kien ukoll inġinier, bħala l-mezzi huma ddisinjati għal skopijiet speċifiċi, u direttament fil-proċess ta 'riċerka. I kien hemm ebda eċċezzjoni u l-effett Mossbauer. Jinfetaħ ma jsirx jekk dottorat stubborn Rudolf Mossbauer ma biddel il-metodu ta 'kejl tal-unità tat-tkessiħ, minflok li tissaħħan, kif rakkomandat mis-superviżur ta' studji.

solidu

It-teorija, li aħna ser jgħidlek il-qarrejja f'din it-taqsima, jidher ċar mad-daqqa t'għajn. Madankollu, kif inhu magħruf sew, faċli biex dejjem tikseb l-isforzi inkredibbli. U hekk aħna issa huma kapaċi li tgħid fi kliem sempliċi dak l-effett Mossbauer għall-manikini litteralment, darba ħadem il-laboratorju kollu.

Taħt il-solidu huwa normalment maħsub sustanza fi stat kristallin. -Nuklei ta 'atomi f'dan il-każ jiffurmaw kannizzata perjodika stretta, filwaqt li l-elettroni fi gradi differenti mqassra. Naturalment, kristalli tal-metall ffurmati bond metalliku speċifiċi ħafna li permezz tiegħu l-nukleu jeżistu bħala li separati minn elettroni ġeneralizzati. -Sħaba elettroni jgħix bil-liġi indipendenti tagħha, ma tingħata attenzjoni għall-imġiba tal-kannizzata kristall. Il-kristalli li jippreżentaw rabtiet joniċi u kovalenti aktar tradizzjonali, l-elettroni assoċjati aktar mill-qrib mal nuklei "tagħhom". Iżda hemm huma liberi li jiċċaqilqu bejn lymph ġirien milli fil-gass jew likwidu.

proprjetajiet stabbiliti solidi mhux biss l-elementi kimiċi li huma fihom, iżda wkoll l-simetrija tal-arranġament ta 'atomi relattivi għal xulxin. Fl-eżempju klassiku ta 'struttura karbonju jiġġenera grafita artab, u l-oħra - il-materjal naturali agħar - djamant. Allura liema tip ta 'konnessjoni, u simetrija tal-ċellula unità tfisser ħafna lil korp riġidu. -Proprjetajiet tal-solidu u huwa l-iżvelar ta 'dak l-effett Mossbauer. natura tiegħu huwa spjegat kif ġej: kollha tal-atomi solidu huma assoċjati.

quasiparticles kollettivi

Issa immaġina kbir biżżejjed kannizzata tridimensjonali. Għall-mudell melħ aktar xierqa: Na u Cl jinsabu fil-punti tal-kubi, wieħed wara l-oħra. Jekk b'xi grab atomu wieħed u iġbed lilu li jiksru l-post normali ta 'bilanċ, grazzi għal konnessjoni riġida biżżejjed, wara li jinġibed l-atomi ġirien. Kalkoli juru li l-bidla fil-pożizzjoni tal-qalba jkollha talanqas kwalunkwe impatt sinifikanti fuq il-ġirien tat-tielet ordni. Dan ifisser li jekk il- "grab" sodju, segwit jinġibed atomi tal-klorin ġirien, atomi tas-sodju warajh saff wieħed aktar imbiegħda ta 'klorin. L-impatt ta 'din x'aktarx li tiġi estiża fid-direzzjonijiet kollha. Huwa normalment qal li l-ġirien perturbazzjoni raba 'ordni huma negliġibbli. Madankollu, dawn mhumiex żero.

Konsegwentement, jekk b'xi mod "knock" kristall aktar b'saħħitha (eż, li tibgħatlu laser jew elettroni raġġ), il-kannizzata kristall se "mewġ". Tali moviment kollettiv meta atomi ġirien ħafna fil-kristall simultanjament bidla tħoss, pereżempju, jew 'l isfel, imsejħa phonons. Disponibbli sabiex jiġu deskritti liema l-effett Mossbauer għall-manikini, aħna mhux se tidħol fis-dettalji u biss jgħidlek li l-phonons nstab li jaġixxu bħala partikuli elementari. Per eżempju, l-enerġija tagħhom hija quantized, dawn ikollhom momentum wavelength u huma kapaċi jinteraġixxu ma 'xulxin. Għalhekk, il-phonons huma msejħa quasiparticles kollettivi. In-numru tagħhom u l-kwalità tal-korp solidu ġie mogħti struttura li fiha jseħħu. Ikkalkula jista 'jkun, li jafu id-daqs, simetrija u t-tipi ta' atomi tal-ċellula unità. Dwar l-okkorrenza ta 'phonon jaffettwaw ukoll it-tul u t-tip ta' rabtiet bejn l-jonji fil-kannizzata kristall.

teorija medda

Peress solidu tiġbor fil-qosor elettroni kollha tagħha, u l-orbitals (u għalhekk l-enerġija tagħhom) għandha tkun ġeneralizzata wkoll. L-ewwel, irridu niftakru li l-elettroni jappartjenu għal din il-klassi ta 'partiċelli imsejħa fermions. Fermi, Dirac u Pauli flimkien sabet li fi stat wieħed jista 'jkun fis-sistema, partiċelli bħal wieħed biss. Jekk nerġgħu lura għall-eżempju ta 'melħ, kull kristall, li aħna sprinkle soppa jew laħam, li jinkludi ammont inkredibbli ta' sodju u klorur joni. U kull wieħed minnhom għandu l-istess numru ta 'elettroni, li jduru fuq orbiti identiċi. Kif jista 'dan jiġi? Solidu toħroġ mill-sitwazzjoni kif ġej: l-enerġija ta 'kull elettron orbiting madwar l-nukleu, ftit differenti minn kwalunkwe elettroni oħra ta' enerġija li jappartjenu għall-istess orbita ta 'atomu ieħor. Għalhekk hija kisbet: fil jeżisti il-kristall livelli ta 'enerġija estremament ħafna li huma differenti minn xulxin żgħar biżżejjed biex jiffurmaw żona kompressata. Il perturbazzjonijiet li jintroduċu phonons żgħir għaliex wieħed firxiet atomu mhumiex b'saħħithom ħafna. Dak kollu li huwa importanti huwa l-mozzjoni kollettiv b'mod ġenerali. Għalhekk, l-enerġija phonon, kif kienu "maħlul" fil-qasam tal-enerġija. Ibbażat fuq dan u l-effett Mossbauer.

iskala elettromanjetika

Il-moviment ta 'partiċelli ċċarġjati hija akkumpanjata minn kamp elettromanjetiku. Dan il-fatt iqiegħed, per eżempju, il-kwistjoni ta 'għala pjaneta waħda u satelliti jippossjedu minnhom, filwaqt li oħrajn - mhux. mewġ elettromanjetiku tista 'tiġi suddiviża fi klassijiet skond il-frekwenza tagħhom u għalhekk l-enerġija. Dawn iż-żewġ karatteristiċi huma interkonnessi u jiddependu mill-wavelength. X'inhu l-effett Mossbauer jista 'biss fil-qosor, sakemm l-qarrej jifhem fejn iskala elettromanjetika tinsab radjazzjoni gamma. Allura, jiftħu l-iskala frekwenzi radjuteleviżivi. Teoretikament jillimitaw wavelength tagħhom - dimensjonijiet univers. Madankollu, l-enerġija ta 'tali radjazzjoni se tkun tant żgħira li huwa impossibbli li tirreġistra. frekwenza kemm xejn akbar fil-radjazzjoni terahertz. Madankollu, huwa, u l-mewġ tar-radju huma osservati fil-kondizzjonijiet speċifiċi ħafna: inibizzjoni ta 'elettroni fil-kamp manjetiku, vibrazzjonijiet flexural ta' polimeri, il-moviment tal excitons fil-solidu. parti li jmiss Aktar ċara tal-ispettru elettromanjetiku - il-radjazzjoni infra-ħamra. Huwa jittrasferixxi enerġija fil-forma ta 'sħana. enerġija saħansitra ogħla ta 'dawl viżibbli. Dik il-parti tal-ispettru li l-għajn tal-bniedem jara huwa żgħir ħafna meta mqabbel mal-iskala sħiħa.

Dawl aħmar għandu l-aktar baxx ta 'enerġija, u vjola - l-ogħla. F'dan ir-rigward, huwa magħruf paradoss: l-ilma aktar kiesaħ huwa indikat fil-blu, li l-enerġija hija ogħla minn dik ta 'dawl aħmar. Wara li l-parti ultravjola ta 'l-iskala elettromanjetika diġà għandu frekwenza għolja biżżejjed biex jippenetraw fis-sod. Minkejja l-fatt li n-nies, bħal kreaturi ħajjin oħra fuq il-pjaneta tagħna, ma jipperċepixxu dawl ultravjola, l-importanza tagħha għall-funzjonament tajjeb ta 'organiżmi bijoloġiċi huwa enormi. Is-sors prinċipali ta 'studju ultravjola hija l-xemx. enerġija ogħla u l-abbiltà li jippenetraw ħafna sustanzi għandha x-ray. Is-sors ta 'tali radjazzjoni hija d-deċellerazzjoni ta' elettroni fl-oqsma elettromanjetiċi. L-elettroni tista 'tkun kemm marbuta, jiġifieri jappartjenu atomi u ħielsa. Il-mezzi mediċi huma strumenti mill elettroni ħielsa. Fl-aħħarnett, l-aktar ħorox u l-mewġa qasira aktar hija radjazzjoni gamma.

X-rays u gamma

effett Mossbauer u l-applikazzjoni tagħha fil-fiżika u l-inġinerija jeħtieġ li ssir distinzjoni bejn raġġi gamma u X-rays. Mil-livell ta 'enerġija u, għaldaqstant, il-frekwenza huma fil-firxa wiesgħa ħafna ta' sovrapożizzjoni. Dan huwa, hemm gamma u raġġi-X bil-wavelength ta '5 picometres. metodi differenti għall-preparazzjoni tagħhom. Kif spjegat hawn fuq, il -radjazzjoni X iseħħ meta d-deċellerazzjoni ta 'elettroni. Barra minn hekk, xi proċessi (inkluż nukleari) tisparixxi elettroni mill-qoxra ta 'ġewwa atomu tqil biżżejjed, bħal uranju. Madankollu, elettroni oħra għandhom tendenza li jieħu postu. Tali tranżizzjonijiet, u jsiru sors ta 'X-rays. raġġi gamma huma r-riżultat tal-nukleu tranżizzjonijiet minn stat ogħla eċċitati. Din ir-radjazzjoni għandha kapaċità penetranti għolja u ionizes atomi li jinteraġixxi. Fejn meta l-raġġi gamma collides mal-nukleu ta 'atomu, għandu jkun hemm l-hekk imsejħa kickback. Madankollu, fil-prattika rriżulta li l-interazzjoni ta 'raġġi gamma mal-nukleu ta' atomu li jappartjenu għall-korp riġidu, l-impatt hija nieqsa. Dan huwa spjegat mill-fatt li l-enerġija addizzjonali, peress li kienu "smeared" minn strixxi elettroniċi tal-kristall, ħolqien ta 'phonon.

iżotopi

effett Mossbauer u l-applikazzjoni tagħha hija strettament marbuta mal-fatt wieħed sorprendenti: l-fenomenu ma jkunx qed jaġixxi fuq l-elementi kimiċi tal-mejda perjodika. Barra minn hekk, huwa sinjifikattiv biss għal xi sustanzi isotopi. Jekk il-qarrej huwa f'daqqa waħda minsija dak isotopi recall. Huwa magħruf li kull atomu partikolari hija newtrali elettrikament. Dan ifisser li fil-nukleu ta 'protoni pożittivi kemm fil-qoxra elettron. Madankollu, il-qalba fiha wkoll newtroni, partiċelli mingħajr ħlas. Jekk inti jibdlu l-għadd fil-nukleu, in-newtralità elettriku mhix miksura, iżda l-proprjetajiet ta 'l-atomu mibdula ftit. Barra minn hekk, dan jiġri li l-isotopi itqal huwa radjuattiv u hija suxxettibbli għat-tħassir, filwaqt kwistjoni ordinarju huwa pjuttost stabbli. Pjuttost lista ta 'elementi konkreti u isotopi tagħhom, li huma kkaratterizzati mill-effett Mossbauer. Sejbien ta ^'57 Fe, per eżempju, huwa ġeneralment fdata mill dan il-fenomenu.

L-użu ta 'effetti quantum

esperjenza prodott, li huwa kkonfermat minn wieħed jew l-ipoteżi oħra relatata mal-dinja mikroskopika, huwa spiss mhux faċli. Barra minn hekk, mhuwiex ċar liema benefiċċji tista 'ġġib l-istess effett Mossbauer? L-użu ta 'dan, madankollu, hija wiesgħa biżżejjed. Investigazzjoni ta 'proprjetajiet ta' kristallin materjali, amorfu solidi u trabijiet fin maqsuma fi bċejjeċ żgħar iseħħ, inkluż permezz ta 'dan il-fenomenu quantum. Tali data huma meħtieġa pjuttost bogħod mill-sezzjonijiet prattika (-Fiżika teoretika), u f'dixxiplini bniedem qrib ħafna - bħal mediċina. Għalhekk, l-effett Mossbauer u l-użu tagħha għandu jitqies bħala eżempju ta 'skoperta teoretika, li ġġib ħafna benefiċċji, anki fil-ħajja ta' kuljum.