Učinek Mossbauerja: odkritje učinka in njenega pomena

Članek pove, kaj je učinek Mossbauerja. Razkrijejo se tudi takšni koncepti, kot so kvantni, raven energije v atomu in atomskem jedru, trdno telo in kolektivni kvazipotenti v njem.

Matematična zabava

Preboj v fiziki, ki se je zgodil v prvem desetletju dvajsetega stoletja, je od znanstvenikov zahtevalo resno znanje iz matematike. Številna odkritja so bila na vrhu peresa: prvič so bili izračunani teoretično in šele pozneje v praksi.

Na primer, gravitacijski valovi, ki ga je leta 1910 napovedal Einstein, so lahko eksperimentalno potrdili šele leta 2016. Fuzija dveh nevtronskih zvezd je povzročila tresenje prostora, ki so ga zemeljski fiziki ujeli in zabeležili, s čimer so se v znanosti človeštva odprle meritve gravitacije. Za to ni ničesar, kar se tukaj omenja gravitacija: za takšne študije je učinek Mössbauerja pomemben. Ampak to je bolj izjema kot pravilo. Najpogosteje teoretiki in preizkuševalci napredujejo na pete drugega: ena študija je ustvarila potrebo po svojem matematičnem opisu, stranski sklepi pa so bili domnevi novih, še ne pridobljenih odvisnosti. Učinek Mossbauerja se je izkazal za enega takih pojavov. Takšen "naključni" pojav je bila predpostavka Max Plancka, ki je bila izražena konec leta 1900. Rekel je, da v svetu elektronov in atomskih jeder lahko vse količine sprejmejo le diskretne vrednosti, to je, kvantizirajo. Poleg tega je bil po svoji prepričanju to le matematični trik, zaradi česar so bili izračuni primernejši. Do konca svojega življenja je verjel, da je kvantni ali najmanjši možni del, kot je svetloba, le primeren način opisovanja, ki nima resnega fizičnega pomena.

Kvantni svet

Vendar pa drugi strokovnjaki, ki se zanimajo za ustrezen opis tega, kar se dogaja na ravni atomov, šteje potencial takšnega sklepa, in ga vzel za samoumevno, da je vse kvantizirane. Elektroni okoli jeder lahko le v določenih orbitih, samo atomska jedra imajo lahko samo specifične ravni energije. Jumping med njimi jedra ustvarjajo gama kvanto. Učinek Mössbauerja trdi, da bi to dejstvo moralo ustvariti nekakšno vrnitev, vendar se to ne zgodi. Na splošno so vse količine, ki opisujejo obnašanje nanodelcev, predmet kvantizacije - to je diskretno. Vendar pa ne smemo pozabiti, da je impulz, ki je v makrokozmom izražen kot produkt mase na hitrost, za osnovni delec nekaj bistveno drugačen in zato tudi kvantiziran. Torej v znanosti je poročilo, o katerem je Max Planck izpeljal svojo slavno formulo, ki vsebuje vrednost h ali minimalno dejanje, odprla novo obdobje. To je bila doba kvantna fizika. Učinek Mossbauerja, razlaga, ki je bila posledica tega pojava, je postala eden najpomembnejših mejnikov znanosti 20. stoletja.

Odkritje učinka Mossbauerja

Kot smo že omenili, so teoretični zaključki potekali z roko v roki z eksperimentom. Nekatere praktične ugotovitve so bile dokazane na napravah, zbranih dobesedno "na kolenu" in iz improviziranih materialov. Znanstveniki so morali imeti možnost ne le iz formul, temveč tudi za varjenje žarnic, žagalnih desk, delo s kovino in montažnimi rastlinami. Seveda so vodje laboratorijev le generalizirali rezultate svojih oddelkov. Vendar pa je bil vsak eksperimentant tudi inženir, saj so bile naprave oblikovane za posebne namene in neposredno v procesu raziskovanja. Učinek Mössbauerja ni bil izjema. odpiranjem ne bi bilo, če trmasto doktorski Rudolf Mössbauerjeva ni spremenila način merjenja hladilne enote, namesto da bi segrevanje, kot je svetoval nadzornik študij.

Trdno telo

Teorija, ki jo bralcem v tem poglavju povemo na prvi pogled, se zdi razumljiva. Vendar, kot veste, je lahkotnost vedno dosežena z neverjetnimi napori. In tako bomo lahko v preprostih besedah ​​povedali, kakšen učinek Mössbauerja je za čajnike dobesedno, celotni laboratoriji so nekoč delali.

Trdno snov običajno razumemo kot snov v kristalnem stanju. V tem primeru jedra atomov tvorijo strogo periodično mrežo, medtem ko so elektroni bolj ali manj posplošeni. Seveda se v kovinskih kristalih tvori zelo specifična kovinska vez, zahvaljujoč kateri jedro obstajajo, kot da bi bilo ločeno od posplošenih elektronov. Elektronski oblak živi s svojimi neodvisnimi zakoni, ne posveča pozornosti obnašanju kristalne rešetke. V kristalih, kjer so prisotne bolj tradicionalne ionske in kovalentne vezi, so elektroni tesneje povezani z "njihovimi" jedri. Vendar se tudi tam gibljejo bolj prosto med sosednjimi vozlišči kot v plinu ali tekočini.

Lastnosti trdne snovi ne določajo samo kemični elementi, ki jih vsebujejo, temveč tudi simetrija razporeditve atomov med seboj. V klasičnem primeru ogljika ena struktura povzroči mehak grafit, druga pa najtrši naravni material, diamant. Torej vrsta povezave in simetrija elementarne celice pomeni veliko za trdno snov. V lastnostih togega telesa je razkritje tega, kaj je učinek Mossbauerja. Njeno naravo je razloženo z naslednjim: povezani so vsi atomi v trdni snovi.

Kolektivni kvazipoduli

Predstavljajte si precej veliko tridimenzionalno rešetko. Za model je najbolj primerna sol: Na in Cl se nahajajo v zgornjih delih kock, ki se nadomeščajo. Če nekako zajezite en atom in ga potegnete, da se premaknete iz običajnega ravnovesja, je zaradi zadostne toge povezave po njem sledijo sosednji atomi. Izračuni kažejo, da ima sprememba položaja enega jedra vsaj nekaj pomembnega vpliva na sosedje tretjega reda. To pomeni, da če boste "zgrabili" natrij, potem bodo narisani sosednji atomi klora, ki ji sledijo atomi natrija in še ena najbolj oddaljena plast klora. Učinek se bo očitno širil v vse smeri. Običajno rečemo, da so motnje sosedov četrtega reda zanemarljive. Vendar pa niso enaki nič.

Zato, če nekako "knock" kristalov težje (na primer, pošljite laserski ali elektronski žarek k njej), kristalna mreža bo šla "valovi". Takšni kolektivni gibi, ko številni sosednji atomi kristala hkrati doživijo premikanje, npr. Navzgor ali navzdol, imenujemo fononi. Da bi lahko opisali, kaj je učinek Mossbauerja za lutke, ne bomo šli v podrobnosti in vam preprosto povedali, da se fononi, kot se je izkazalo, obnašajo kot osnovni delci. Na primer, njihova energija je kvantizirana, imata valovno dolžino, zagon in lahko medsebojno komunicirajo. Tako so fononi imenovani kolektivni kvazipartikli. Njihovo količino in kakovost daje struktura trdnega telesa, v katerem nastanejo. To lahko izračunate tako, da poznate velikost, simetrijo in vrste atomov v enoti celice. Na videz fononov vplivajo tudi dolžine in vrste vezi med ioni v kristalni rešetki.

Teorija con

Ker togo telo generalizira vse svoje elektrone, je treba tudi generalizirati orbitalne (in s tem tudi svoje energije). Najprej se moramo zavedati, da spadajo v ta razred delcev, ki se imenujejo fermions. Fermi, Dirac in Pauli so skupaj ugotovili, da v določeni državi obstaja samo en del te vrste v določenem sistemu. Če se vrnemo na primer soli, potem vsak kristal, s katerim speremo juho ali meso, vsebuje neverjetno količino natrijevih in klorinskih ionov. Vsak od njih ima enako število elektronov, ki se vrtijo v enakih orbitih. Kako biti? Trdota zapusti položaj na naslednji način: energija vsakega elektrona, ki kroži v jedru, se nekoliko razlikuje od energije katerega koli drugega elektrona, ki pripada isti orbiti drugega atoma. Tako se izkaže: v kristalu je neverjetno veliko energetskih ravni, ki se med seboj zelo razlikujejo, da tvorijo stisnjeno cono. Motnje, ki jih povzročajo fononi, so majhne, ​​saj en atom ne močno niha. Vrednost je samo kolektivno gibanje kot celota. Zato se fononska energija "raztaplja" tako kot v energiji pasu. To je osnova za učinek Mossbauerja.

Elektromagnetna skala

Premikanje nabitih delcev spremlja videz elektromagnetnega polja. To dejstvo, na primer, postavlja vprašanje, zakaj ima en planet in njegovi sateliti, drugi pa ne. Elektromagnetni valovi so običajno razdeljeni v razrede glede na njihovo frekvenco in s tem energijo. Ti dve značilnosti sta med seboj povezani in sta odvisna tudi od valovne dolžine. Kakšen je učinek Mossbauerja, je mogoče na kratko povedati le, če bralec razume, kje je gama sevanje v elektromagnetni lestvici. Torej, odprite lestvico radijskih valov. Teoretično je meja njihove valovne dolžine velikost vesolja. Vendar pa bi bila energija takih emisij tako majhna, da je ni mogoče registrirati. Nekoliko višja frekvenca pri terahertznem sevanju. Vendar pa se oba in radijski valovi opazita v zelo specifičnih pogojih: elektronski pojemek v magnetnem polju, upogibanje vibracij polimerov, gibanje eksitonov v trdni snovi. Naslednji del elektromagnetnega spektra je bolj razumljiv: infrardeče sevanje. Prenese energijo v obliki toplote. Energija vidnega sevanja je še višja. Del spektra, ki ga zaznava človeško oko, je zelo majhen v primerjavi s celotno lestvico.

Rdeča luč nosi najnižjo energijo in vijolična - največja. V zvezi s tem je znan paradoks: hladnejša voda je označena z modro barvo, katere energija je višja od rdečega sevanja. Naslednji ultravijolični del elektromagnetne skale že ima dovolj visoko frekvenco, da prodre v trdno telo. Kljub dejstvu, da ljudje, tako kot druga živa bitja našega planeta, ne zaznavajo ultravijoličnega, je njegov pomen za normalno delovanje bioloških organizmov ogromen. Glavni vir ultravijoličnih raziskav je Sonce. Višja energija in sposobnost prodiranja v veliko snovi imajo rentgenski žarki. Vir takega sevanja je pojemek elektrona v elektromagnetnih poljih. V tem primeru so lahko elektroni povezani, torej pripadajo atomom in prosti. V medicinskih pripomočkih so naprave na brezplačnih elektronih. Nazadnje je gama sevanje najtežja in najkrajša valovna dolžina.

Rentgen in gama

Učinek Mössbauerja in njegova uporaba v fiziki in tehnologiji zahtevata razliko med gama kvanto in rentgenskim sevanjem. Na ravni energije in s tem valovne dolžine se prekrivajo v zelo širokem spektru. To pomeni, da sta gama in rentgensko sevanje z valovno dolžino 5 pikometrov. Obstajajo različni načini za njihovo pridobitev. Kot je bilo že pojasnjeno zgoraj, Rentgensko sevanje se pojavi, ko se elektroni upočasnjujejo. Poleg tega v nekaterih procesih (vključno z jedrskimi procesi) elektron izgine iz notranje lupine dovolj težkega atoma, na primer urana. V tem primeru ostanejo drugi elektrini prisotni. Takšni prehodi postanejo vir rentgenskega sevanja. Gamma kvanti so rezultat prehodov jedra samega iz bolj vznemirjenega stanja. To sevanje ima veliko prodorno sposobnost in ionizira atome, s katerimi interakcijo. V tem primeru, ko se gama kvant trči z jedrom atoma, mora obstajati tako imenovani odklon. Vendar pa je bilo v praksi ugotovljeno, da interakcija gama-kvanta z jedrom atoma, ki pripada trdnemu telesu, ni odmika. To se razlaga z dejstvom, da je dodatna energija "zamazana" preko elektronskih območij kristala in s tem generira fonon.

Izotopi

Učinek Mossbauerja in njegova uporaba sta tesno povezana z eno presenetljivo dejstvo: pojav ne vpliva na vse kemične elemente periodične tabele. Poleg tega je bistvenega pomena le za nekatere izotope snovi. Če je bralec nenadoma pozabil, kaj so izotopi, se spomnimo. Znano je, da je vsak posamezen atom električno nevtralen. To pomeni, da je v jedru pozitivnih protonov enako kot v lupini elektronov. Vendar jedro vsebuje tudi nevtronov, delce brez polnjenja. Če spremenimo njihovo število v jedru, elektroneutralnost ni kršena, vendar se bodo lastnosti takšnega atoma nekoliko spremenile. Poleg tega se zgodi, da je težji izotop radioaktiven in se nagiba k razpadu, medtem ko je navadna snov popolnoma stabilna. Seznam elementov in njihovih izotopov, za katere je značilen učinek Mossbauerja, je popolnoma konkreten. Odkrivanje ⁵⁷Fe, na primer, se običajno zaupa ravno v tem pojavu.

Uporaba kvantnih učinkov

Za poskus, v katerem je potrjena ena ali druga hipoteza, povezana s mikroorganizmom, je pogosto težko. Poleg tega ni jasno, kakšne koristi lahko prinese enak učinek Mossbauerja? Vendar pa je uporaba zelo široka. Preiskava lastnosti kristalina snovi, amorfne telesa in fino zdrobljeni praški, vključno s pomočjo tega kvantnega pojava. Takšni podatki so potrebni tako v oddelkih, ki so dovolj oddaljeni od prakse (teoretične fizike) in v zelo blizu disciplinah - na primer v medicini. Zato je treba učinek Mössbauerja in njeno uporabo obravnavati kot primer teoretičnega odkritja, kar prinaša veliko koristi tudi v vsakdanjem življenju.