Efectul lui Mossbauer: descoperirea efectului și a semnificației acestuia

Articolul descrie efectul Mossbauer. Și, de asemenea, se dezvăluie astfel de concepte precum cuantele, nivelul de energie în nucleul atomic și atomic, corpul solid și cvasi-particulele colective din el.

Distracție matematică

Un progres în fizică care a avut loc în primul deceniu al secolului al XX-lea, a cerut oamenilor de știință o cunoaștere serioasă în matematică. Au fost făcute multe descoperiri, la vârful stiloului: acestea au fost calculate inițial teoretic și abia apoi au fost găsite în practică.

De exemplu, undele gravitaționale, prezise de Einstein în 1910, au putut confirma experimental numai în 2016. Fuziunea celor două stele neutronice a creat spațiu tremuraturi care fizica terestră prins și fixat prin deschiderea epoca de măsurători gravitaționale în știința omenirii. Nu este vorba aici despre gravitatea menționată aici: pentru astfel de studii, efectul Mössbauer este semnificativ. Dar aceasta este mai mult o excepție decât regula. Cel mai adesea, teoreticieni și experimentatori pas pe urmele reciproc, un studiu a dat naștere la necesitatea descrierii ei matematice, și concluzie nefavorabilă devine ipoteza nu dependențe noi, încă primite. Efectul Mossbauer sa dovedit a fi unul din fenomenele de acest gen. Un astfel de fenomen "incidental" a fost presupunerea lui Max Planck, exprimată la sfârșitul anului 1900. Ea a spus că în lumea electronilor și nucleelor ​​atomice toate cantitățile pot lua doar valori discrete, adică, cuantifică. În plus, conform convingerii sale, acesta a fost doar un truc matematic, care a făcut ca calculele să fie mai convenabile. Până la sfârșitul vieții sale, el a crezut că cuantumul, sau cea mai mică porțiune posibilă, de exemplu, lumina - numai mod adecvat pentru a descrie, nu transportă un sens fizic serios.

Lumea quantum

Cu toate acestea, alți cercetători interesați de o descriere adecvată a ceea ce se întâmplă pe scara de atomi, considerat potențialul unei astfel de concluzie, și a luat-o de la sine înțeles că totul este cuantificată. Electronii din jurul nucleelor ​​nu pot fi decât în ​​anumite orbite, nucleele atomice în sine pot avea numai nivele energetice specifice. Jumping între ele, nucleele generează quanta gamma. Efectul lui Mössbauer afirmă că această acțiune ar trebui să genereze un fel de revenire, dar acest lucru nu se întâmplă. În general, toate cantitățile care descriu comportamentul nanoworld sunt supuse unei cuantizări - adică discrete. Dar nu uitați că impulsul care în macrocosmos este exprimată ca produs al ratei de masă particulelor elementare este ceva fundamental diferit, ceea ce înseamnă că el, de asemenea, este cuantificată. Deci, în știință, raportul pe care Max Planck a derivat faimosul lui formula care conținea valoarea h sau acțiunea minimă a deschis o nouă eră. A fost o eră fizica cuantică. Efectul lui Mossbauer, interpretarea ulterioară dată acestui fenomen, a devenit unul dintre cele mai importante etape ale științei secolului al XX-lea.

Descoperirea efectului Mossbauer

După cum am arătat mai sus, concluziile teoretice au mers în mână cu experimentul. Au fost demonstrate câteva concluzii practice privind instalațiile asamblate literal "pe genunchi" și din materiale improvizate. Oamenii de știință au fost capabili să afișeze, nu numai cu formula, dar, de asemenea, sigiliu balonul, se taie placa de a lucra cu metal și a aduna instalarea. Desigur, șefii laboratoarelor au generalizat doar rezultatele secțiilor lor. Cu toate acestea, fiecare experimentator a fost, de asemenea, un inginer, deoarece dispozitivele au fost concepute pentru scopuri specifice și direct în procesul de cercetare. Efectul Mössbauer nu a fost o excepție. Deschiderea nu ar avea loc dacă un doctorat incapatanat Rudolf Mossbauer nu sa schimbat metoda de măsurare a unității de răcire, în loc încălzirea acestuia, conform instrucțiunilor de supraveghetor al studiilor.

Corp solid

Teoria, pe care o vom spune cititorilor din această secțiune, la prima vedere pare înțeleasă. Cu toate acestea, după cum știți, ușurința este întotdeauna realizată prin eforturi incredibile. Și pentru ca acum să putem spune, cu cuvinte simple, care este efectul lui Mössbauer pentru boilerele literalmente, laboratoarele întregi au lucrat odată.

Un solid este de obicei înțeles ca o substanță în stare cristalină. Nucleul atomilor formează în acest caz o latură periodică strictă, în timp ce electronii sunt mai mult sau mai puțin generalizați. Desigur, în cristalele metalice se formează o legătură metalică foarte specifică, datorită căreia nucleele există ca și cum ar fi separat de electronii generalizați. Norul electronic trăiește prin legile sale independente, fără a acorda atenție comportamentului rețelei cristaline. În cristale, unde sunt prezente legături ionice și covalente mai tradiționale, electronii sunt mai apropiați de nucleele "lor". Cu toate acestea, chiar și acolo se mișcă mai liber între nodurile vecine decât în ​​gaz sau lichid.

Proprietățile solide set nu numai elementele chimice care sunt în ele, dar și simetria dispunerea atomilor în raport cu celălalt. În exemplul clasic de carbon, o structură dă naștere grafitului moale, iar cealaltă este cel mai greu material natural, diamant. Deci, tipul de conexiune și simetria unei celule elementare înseamnă mult pentru un solid. În proprietățile corpului rigid, este descoperirea a ceea ce este efectul Mossbauer. Natura sa este explicată prin următoarele: toți atomii dintr-un solid sunt conectați.

Cvasiparticule colective

Acum imaginați-vă o latură tridimensională destul de mare. Pentru model, sarea este cea mai potrivită: Na și Cl sunt situate în partea superioară a cuburilor, înlocuindu-se reciproc. Dacă cumva capturați un atom și trageți-l, pentru a vă deplasa de la locul obișnuit de echilibru, datorită unei conexiuni suficient de rigide, atomii vecini vor urma după ea. Calculele arată că o schimbare a poziției unui singur nucleu are cel puțin un efect semnificativ asupra vecinilor din ordinul trei. Acest lucru înseamnă că, dacă "apucați" sodiul, vor fi atrași atomi de clor învecinați, urmat de atomi de sodiu și un alt strat de clor cel mai îndepărtat. Impactul se va răspândi în mod evident în toate direcțiile. Se spune de obicei că perturbațiile vecinilor din ordinul patru sunt neglijabile. Cu toate acestea, ele nu sunt egale cu zero.

Prin urmare, în cazul în care într-un fel „knock“ cristal mai puternic (de exemplu, să-i trimită un fascicul laser sau de electroni), rețeaua cristalină va „valuri“. Astfel de mișcări colective, când mulți atomi vecini ai cristalului simt simultan o deplasare, de exemplu în sus sau în jos, se numesc fononi. Disponibile pentru a descrie ceea ce efectul Mossbauer pentru manechine, nu vom intra în detalii și să-ți spun că a fost găsit fononii să se comporte ca particule elementare. De exemplu, energia lor este cuantizată, are o lungime de undă, impuls și este capabilă să interacționeze una cu cealaltă. Astfel, fononii sunt numiți quasiparticule colective. Cantitatea și calitatea lor sunt date de structura corpului solid în care acestea apar. Puteți calcula acest lucru prin cunoașterea dimensiunii, a simetriei și a tipurilor de atomi dintr-o celulă unitate. Apariția fononilor este de asemenea afectată de lungimile și tipurile de legături dintre ioni din rețeaua cristalină.

Teoria zonelor

Deoarece un corp rigid își generalizează toți electronii, atunci orbitele (și deci și energiile lor) trebuie generalizate. În primul rând, trebuie să ne amintim că electronii aparțin acestei clase de particule, numite fermioane. Fermi, Dirac și Pauli au aflat în comun că într-o singură stare, o singură particulă de acest fel poate exista într-un anumit sistem. Dacă ne întoarcem la exemplul de sare, atunci fiecare cristal cu care stropim supa sau carnea conține o cantitate incredibilă de ioni de sodiu și clor. Și fiecare dintre ele are același număr de electroni care se rotesc în orbite identice. Cum sa fii? Solidul părăsește poziția după cum urmează: energia fiecărui electron care orbitează nucleul este ușor diferită de energia oricărui alt electron care aparține aceleiași orbite ale celuilalt atom. Astfel, se pare că în cristal există nenumărate niveluri de energie care diferă una de alta atât de puțin încât ele formează o zonă comprimată. Perturbările pe care fononii le produc sunt mici, deoarece un atom nu oscilează foarte puternic. Valoarea este doar o mișcare colectivă în ansamblu. Prin urmare, energia fononică "se dizolvă" ca și în energia trupei. Aceasta este baza efectului Mossbauer.

Scala electromagnetică

Mișcarea particulelor încărcate este însoțită de apariția unui câmp electromagnetic. Acest fapt, de exemplu, ridică întrebarea de ce o are o planetă și sateliții ei, iar alții nu. Undele electromagnetice sunt de obicei împărțite în clase în funcție de frecvența lor și, în consecință, de energia. Aceste două caracteristici sunt interdependente și, de asemenea, depind de lungimea de undă. Care este efectul Mossbauer poate fi spus pe scurt numai dacă cititorul înțelege unde este localizată radiația gamma pe o scară electromagnetică. Deci, deschideți scara undei radio. Teoretic, limita lungimii lor de undă este dimensiunea universului. Cu toate acestea, energia acestor emisii ar fi atât de mică încât nu poate fi înregistrată. Frecventa putin mai mare in radiatia terahertz. Cu toate acestea, este, iar undele radio sunt observate în condiții foarte specifice: inhibarea electronilor într-un câmp magnetic, vibrații incovoiere de polimeri, mișcarea excitoni în solid. Următoarea parte a spectrului electromagnetic este mai ușor de înțeles: radiația infraroșie. Transferă energia sub formă de căldură. Energia radiațiilor vizibile este chiar mai mare. Partea spectrului percepută de ochiul uman este foarte mică în comparație cu întreaga scală.

Lumina roșie poartă cea mai mică energie, iar purpuriu - cea mai mare. În legătură cu acest lucru se știe un paradox: apa rece este marcată de o culoare albastră, a cărei energie este mai mare decât cea a radiației roșii. Următoarea porțiune ultravioletă a scalei electromagnetice are deja o frecvență suficient de mare pentru a pătrunde în corpul solid. În ciuda faptului că oamenii, ca și alte ființe vii ale planetei noastre, nu percep ultravioletele, semnificația lor pentru funcționarea normală a organismelor biologice este enormă. Principala sursă de cercetare în domeniul ultravioletelor este Soarele. Energia mai mare și capacitatea de penetrare a multor substanțe are o radiografie. Sursa unei astfel de radiații este decelerarea electronilor în câmpurile electromagnetice. În acest caz, electronii pot fi atât conectați, adică aparținând atomilor, cât și liberi. În dispozitivele medicale apar dispozitive pe electroni liberi. În cele din urmă, radiația gamma este cea mai grea și cea mai scurtă lungime de undă.

Raze X și gamma

Efectul Mössbauer și aplicarea acestuia în fizică și tehnologie necesită o distincție între quanta gamma și radiația cu raze X. La nivelul energiei și, prin urmare, la lungimea de undă, se suprapun într-un spectru foarte larg. Adică, există atât radiații gamma cât și radiații X cu o lungime de undă de 5 picometre. Există modalități diferite de a le obține. După cum sa explicat mai sus, Radiații cu raze X apare atunci când electronii sunt decelerați. În plus, în unele procese (inclusiv procesele nucleare), electronul dispare din carcasa interioară a unui atom suficient de greu, de exemplu uraniu. În acest caz, alți electroni tind să-i ia locul. Astfel de tranziții devin sursă de radiații cu raze X. Gama quanta este rezultatul tranzițiilor nucleului însuși dintr-o stare mai excitată. Această radiație are o capacitate mare de penetrare și ionizează atomii cu care interacționează. În acest caz, atunci când quantumul gamma se ciocneste cu nucleul unui atom, trebuie să existe un așa-zis recul. Cu toate acestea, în practică sa constatat că interacțiunea gama-cuant cu nucleul unui atom aparținând unui corp solid, nu există recul. Acest lucru se explică prin faptul că energia suplimentară este "pătată" peste zonele electronice ale cristalului, generând astfel un fonon.

izotopi

Efectul Mossbauer și aplicarea lui sunt strâns legate de un fapt surprinzător: fenomenul nu afectează toate elementele chimice ale tabelului periodic. În plus, este esențial numai pentru anumite izotopi de substanțe. Dacă cititorul a uitat brusc ce izotopi sunt, să ne amintim. Se știe că un singur atom este neutru din punct de vedere electric. Aceasta înseamnă că în nucleul protonilor pozitivi este același lucru ca în carcasa electronilor. Cu toate acestea, nucleul conține și neutroni, particule fără încărcătură. Dacă le schimbăm numărul în nucleu, electroneutralitatea nu este încălcată, dar proprietățile unui astfel de atom se vor schimba ușor. În plus, se întâmplă ca izotopul mai greu să fie radioactiv și tinde să se degradeze, în timp ce substanța obișnuită este complet stabilă. Lista elementelor și izotopii lor, pentru care efectul Mossbauer este caracteristică, este absolut concret. detectare ⁵⁷Fe, de exemplu, este, de obicei, de încredere exact în acest fenomen.

Utilizarea efectelor cuantice

Este dificil să faci un experiment în care se confirmă una sau alta ipoteză legată de microworld. În plus, nu este clar ce beneficii pot aduce același efect al lui Mossbauer? Aplicația însă este destul de largă. Investigarea proprietăților cristaline substanțe, amorfe corpuri și pulberi fin zdrobite, inclusiv cu ajutorul acestui fenomen cuantic. Aceste date sunt necesare atât în ​​secțiuni destul de îndepărtate de practică (fizică teoretică) și în discipline foarte apropiate - de exemplu, medicina. Astfel, efectul lui Mössbauer și aplicarea acestuia ar trebui considerate un exemplu de descoperire teoretică, care aduce multe beneficii chiar și în viața de zi cu zi.