Kesan Mossbauer: penemuan kesan dan maknanya

Artikel itu menunjukkan kesan Mossbauer itu. Dan juga konsep-konsep seperti kuantum, tahap tenaga dalam atom dan nukleus atom, badan padat dan quasipartikel kolektif di dalamnya dinyatakan.

Keseronokan matematik

Satu kejayaan dalam fizik yang berlaku pada dekad pertama abad kedua puluh, menuntut ilmu saintifik yang serius dalam matematik. Banyak penemuan dibuat, pada ujung pena, pada mulanya: mereka mula-mula dikira secara teoritis dan hanya kemudiannya didapati dalam amalan.

Sebagai contoh, kehadiran gelombang graviti, yang diramalkan oleh Einstein pada tahun 1910, boleh disahkan eksperimen hanya pada tahun 2016. Gabungan dua bintang neutron menimbulkan kegemparan ruang yang fizik darat terperangkap dan direkodkan, membuka era pengukuran graviti dalam sains manusia. Ia bukan untuk apa-apa graviti yang disebutkan di sini: ia adalah untuk kajian sedemikian bahawa kesan Mössbauer adalah penting. Tetapi ini lebih terkecuali daripada peraturan. Selalunya, ahli teori dan eksperimen memajukan tumit antara satu sama lain: satu kajian menimbulkan keperluan untuk penerangan matematiknya, dan kesimpulan sampingan adalah andaian kebergantungan yang baru, tetapi tidak tersedia. Kesan Mossbauer ternyata menjadi salah satu fenomena sedemikian. Fenomena "sampingan" ini adalah andaian Max Planck, yang disuarakan pada akhir tahun 1900. Ia mengatakan bahawa dalam dunia elektron dan nukleus atom semua kuantiti dapat mengambil nilai-nilai diskrit, iaitu, mengkuantisasi. Lebih-lebih lagi, berdasarkan keyakinannya sendiri, ini hanyalah trik matematik, yang membuat pengiraan lebih mudah. Sehingga akhir hayatnya, beliau percaya bahawa kuantum, atau bahagian terkecil yang mungkin, seperti cahaya, hanya cara yang sesuai untuk menerangkan yang tidak membawa makna fizikal yang serius.

Dunia kuantum

Walau bagaimanapun, para saintis lain yang berminat dengan penerangan yang mencukupi mengenai apa yang sedang berlaku pada skala atom, menganggap potensi kesimpulan sedemikian dan mengambil aksiom yang semuanya dikuantisasi. Elektron di sekeliling nukleus hanya boleh di orbit tertentu, nukleus atom sendiri boleh mempunyai hanya tahap tenaga tertentu. Melompat di antara mereka, nukleus menghasilkan quanta gamma. Kesan Mossbauer berhujah bahawa tindakan ini harus menghasilkan sejenis pulangan, tetapi ini tidak berlaku. Secara umum, semua kuantiti yang menggambarkan perilaku nanoworld adalah tertakluk kepada kuantisasi - iaitu, diskret. Walau bagaimanapun, jangan lupa bahawa dorongan, yang dalam makrokosma dinyatakan sebagai hasil daripada jisim halaju, untuk zarah asas adalah sesuatu yang sangat berbeza, dan oleh itu ia juga dikalkimumkan. Jadi dalam sains laporan, di mana Max Planck memperoleh formula terkenal yang mengandungi nilai h, atau tindakan minimum, membuka era baru. Ia adalah era fizik kuantum. Kesan Mössbauer, tafsiran yang kemudiannya diberikan kepada fenomena ini, menjadi salah satu pencapaian paling penting dalam sains abad kedua puluh.

Penemuan kesan Mossbauer

Seperti yang telah kami nyatakan di atas, kesimpulan teoritis telah menyatu dengan eksperimen. Beberapa kesimpulan praktikal telah dibuktikan pada pemasangan dipasang secara literal "pada lutut" dan dari bahan yang diperbaiki. Para saintis terpaksa bukan sahaja untuk mendapatkan formula, tetapi juga untuk menutup meterai, melihat papan, bekerja dengan logam dan mengumpul tumbuh-tumbuhan. Sudah tentu, ketua-ketua makmal hanya menyebarkan keputusan wad mereka. Bagaimanapun, setiap pengeksport juga seorang jurutera, kerana instrumen itu direka untuk tujuan khusus dan secara langsung dalam proses penyiasatan. Kesan Mössbauer tidak terkecuali. Pembukaan itu tidak akan berlaku jika pelajar doktoral yang degil Rudolf Messbauer tidak mengubah cara pengukuran, menyejukkan unit itu, dan bukan pemanasannya, seperti yang disarankan oleh penyelia.

Badan pepejal

Teori yang akan kita ceritakan kepada para pembaca dalam bahagian ini, pada mulanya kelihatan nampak mudah difahami. Bagaimanapun, seperti yang anda tahu, ringan selalu dicapai dengan usaha yang luar biasa. Dan supaya kita boleh memberitahu dalam kata-kata ringkas apa kesan Mössbauer adalah untuk cerek secara harfiah, apabila seluruh makmal bekerja.

Suatu pepejal biasanya difahami sebagai bahan dalam keadaan kristal. Nukleus atom dalam kes ini membentuk kisi berkala yang ketat, manakala elektron lebih kurang umum. Sudah tentu, ikatan logam yang sangat spesifik terbentuk di dalam kristal logam, berkat yang nukleus wujud seperti itu, secara berasingan daripada elektron yang umum. Cloud elektronik hidup oleh undang-undang bebas, tidak memberi perhatian kepada kelakuan kisi kristal. Di dalam kristal, di mana lebih banyak ion ionik dan ikatan kovalen hadir, elektron lebih dekat dengan nukleus "mereka". Walau bagaimanapun, walaupun di sana mereka bergerak dengan lebih bebas antara nod jiran berbanding dengan gas atau cecair.

Sifat-sifat pepejal ditentukan bukan sahaja oleh unsur-unsur kimia yang terkandung dalamnya, tetapi juga oleh simetri susunan atom yang relatif terhadap satu sama lain. Dalam contoh klasik karbon, satu struktur menimbulkan grafit lembut, dan yang lain adalah bahan semula jadi yang paling sukar, berlian. Jadi jenis sambungan dan simetri sel unit banyak perkara untuk pepejal. Dalam sifat-sifat badan pepejal, pendedahan apa kesan Mossbauer itu. Sifatnya dijelaskan oleh yang berikut: semua atom dalam pepejal disambungkan.

Quasipartikel kolektif

Sekarang bayangkan kisi tiga dimensi yang agak besar. Untuk model, garam adalah yang paling sesuai: Na dan Cl terletak di bahagian atas kiub, menggantikan satu sama lain. Jika entah bagaimana untuk menangkap satu atom dan tariknya, untuk bergerak dari tempat keseimbangan yang biasa, terima kasih kepada sambungan yang cukup tegar, atom jiran akan mengikuti selepas itu. Pengiraan menunjukkan bahawa perubahan dalam kedudukan satu teras mempunyai sekurang-kurangnya beberapa kesan penting kepada jiran-jiran dari urutan ketiga. Ini bermakna bahawa jika anda "ambil" natrium, atom klorin jiran, diikuti oleh atom natrium dan satu lagi lapisan klorin yang paling jauh, akan diikuti. Kesan ini, jelas, akan tersebar ke semua arah. Ia biasanya dikatakan bahawa perturbasi jiran order keempat boleh diabaikan. Walau bagaimanapun, mereka tidak sama dengan sifar.

Oleh itu, jika entah bagaimana "mengetuk" kristal lebih keras (sebagai contoh, menghantar laser atau rasuk elektron kepadanya), kekisi kristal akan "gelombang". Gerakan kolektif sedemikian, apabila banyak atom jiran kristal pada masa yang sama mengalami anjakan, sebagai contoh, naik atau turun, dipanggil fonon. Untuk dapat menjelaskan apa kesan Mossbauer untuk dummy, kita tidak akan masuk ke butiran dan hanya memberitahu anda bahawa fonon, seperti yang ternyata, berkelakuan seperti zarah asas. Sebagai contoh, tenaga mereka diukur, mereka mempunyai panjang gelombang, gerak hati, dan mereka dapat berinteraksi antara satu sama lain. Oleh itu, fonon dipanggil quasipartikel kolektif. Kuantiti dan kualiti mereka diberikan oleh struktur badan pepejal di mana ia timbul. Anda boleh mengira ini dengan mengetahui saiz, simetri, dan jenis atom dalam sel unit. Penampilan fonon juga dipengaruhi oleh panjang dan jenis ikatan antara ion dalam kisi kristal.

Teori zon

Oleh kerana sebuah badan yang tegar menyamaratakan semua elektronnya, maka orbital (dan dengan itu tenaga mereka) juga harus digeneralisasikan. Untuk memulakan, kita harus ingat bahawa elektron tergolong dalam kelas zarah ini, yang dipanggil fermions. Fermi, Dirac dan Pauli bersama-sama mendapati bahawa dalam satu negeri hanya satu zarah jenis ini boleh dalam sistem yang diberikan. Jika kita kembali ke contoh garam, maka setiap kristal yang kita taburkan sup atau daging mengandungi jumlah natrium dan klorin yang luar biasa. Dan masing-masing mempunyai bilangan elektron yang sama yang berputar di orbit sama. Bagaimana hendak menjadi? Solid meninggalkan kedudukan seperti berikut: tenaga setiap elektron yang mengorbit nukleus sedikit berbeza dari tenaga mana-mana elektron lain yang sama dengan orbit yang sama atom lain. Oleh itu, ternyata: di dalam kristal terdapat banyak tenaga yang berbeza antara satu sama lain sehingga sedikit yang membentuk zon termampat. Perturbasi yang diperkenalkan oleh fonon adalah kecil, kerana satu atom tidak berayun sangat kuat. Nilai hanya mempunyai pergerakan kolektif secara keseluruhan. Oleh itu, tenaga phonon "larut" dalam tenaga band. Ini adalah asas untuk kesan Mossbauer.

Skala elektromagnetik

Gerakan zarah yang dikenakan disertai dengan rupa medan elektromagnetik. Sebagai contoh, fakta ini menimbulkan persoalan mengapa satu planet dan satelitnya memilikinya, dan yang lain tidak. Gelombang elektromagnet biasanya dibahagikan kepada kelas mengikut frekuensi mereka dan, dengan itu, tenaga. Kedua-dua ciri ini saling berkaitan, dan juga bergantung kepada panjang gelombang. Apakah kesan Mossbauer boleh diberitahu secara ringkas sekiranya pembaca memahami di mana radiasi gamma terletak pada skala elektromagnetik. Jadi, buka skala gelombang radio. Secara teorinya, had panjang gelombang mereka adalah saiz alam semesta. Walau bagaimanapun, tenaga pelepasan sedemikian akan sangat kecil sehingga tidak dapat didaftarkan. Frekuensi yang sedikit lebih tinggi dalam radiasi terahertz. Walau bagaimanapun, kedua-duanya dan gelombang radio diperhatikan di bawah syarat-syarat yang sangat spesifik: pengurangan elektron dalam medan magnet, getaran lenturan polimer, gerak excitons dalam pepejal. Bahagian berikut spektrum elektromagnetik lebih mudah difahami: radiasi inframerah. Ia memindahkan tenaga dalam bentuk haba. Tenaga radiasi kelihatan lebih tinggi. Bahagian spektrum yang dilihat oleh mata manusia adalah sangat kecil berbanding dengan skala keseluruhan.

Lampu merah membawa tenaga yang paling rendah, dan ungu - yang terbesar. Sehubungan dengan ini, paradoks diketahui: air sejuk dilambangkan oleh warna biru, yang tenaganya lebih tinggi daripada radiasi merah. Bahagian ultraviolet seterusnya bagi skala elektromagnet sudah mempunyai frekuensi yang cukup tinggi untuk menembusi ke dalam badan yang padat. Walaupun manusia, seperti makhluk hidup lain di planet kita, tidak menganggap ultraviolet, maknanya untuk fungsi normal organisma biologi adalah sangat besar. Sumber utama penyelidikan ultraviolet ialah Matahari. Tenaga yang lebih tinggi dan keupayaan untuk menembusi banyak bahan mempunyai x-ray. Sumber sinaran sedemikian adalah penurunan elektron dalam medan elektromagnetik. Dalam kes ini, elektron boleh bersambung, iaitu, mereka adalah atom, atau yang bebas. Dalam peranti perubatan adalah peranti pada elektron bebas. Akhirnya, radiasi gamma adalah panjang gelombang yang paling sukar dan paling pendek.

X-ray dan gamma

Kesan Mössbauer dan aplikasinya dalam fizik dan teknologi memerlukan radiasi gamma quanta dan sinar-X. Pada tahap tenaga dan, dengan itu, panjang gelombang, mereka bertindih dalam spektrum yang sangat luas. Iaitu, terdapat sinaran sinar gamma dan X-ray dengan panjang gelombang 5 picometer. Terdapat pelbagai cara untuk mendapatkannya. Seperti yang telah dijelaskan di atas, pelepasan x-ray berlaku apabila elektron berkurangan. Di samping itu, dalam beberapa proses (termasuk nuklear), elektron menghilang dari shell dalam atom yang cukup berat, sebagai contoh, uranium. Dalam kes ini, elektron lain cenderung untuk mengambil tempatnya. Peralihan tersebut menjadi sumber radiasi sinar-X. Gamma quanta adalah hasil peralihan nukleus itu sendiri dari keadaan yang lebih teruja. Sinaran ini mempunyai kuasa menembusi yang hebat dan mengionkan atom-atom yang berinteraksi. Dalam kes ini, apabila kuantum gamma bertembung dengan nukleus atom, mesti ada yang disebut recoil. Walau bagaimanapun, dalam praktiknya didapati bahawa interaksi kuantum gamma dengan nukleus atom yang tergolong dalam badan yang padat, tidak ada keraguan. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa tenaga tambahan adalah "merebak" di atas zon elektronik kristal, dengan itu menjana phonon.

Isotop

Kesan Mossbauer dan aplikasinya berkait rapat dengan satu fakta yang mengejutkan: fenomena ini tidak menjejaskan semua elemen kimia jadual berkala. Selain itu, ia adalah penting hanya untuk isotop tertentu bahan. Sekiranya pembaca tiba-tiba terlupa apa isotop, mari kita ingat. Adalah diketahui bahawa mana-mana atom tunggal adalah neutral elektrik. Ini bermakna bahawa dalam nukleus proton positif adalah sama seperti dalam cangkang elektron. Walau bagaimanapun, nukleus juga mengandungi neutron, zarah tanpa caj. Sekiranya kita menukar bilangan mereka dalam nukleus, elektron ini tidak dilanggar, tetapi sifat atom sedemikian akan berubah sedikit. Di samping itu, ia berlaku bahawa isotop yang lebih berat adalah radioaktif dan cenderung mereput, manakala bahan biasa adalah sepenuhnya stabil. Senarai unsur dan isotop mereka, yang mana kesan Mossbauer adalah ciri, adalah benar-benar konkrit. Pengesanan ⁵⁷ Fe, misalnya, biasanya dipercayai tepat dalam fenomena ini.

Penggunaan kesan kuantum

Untuk membuat eksperimen di mana satu atau satu lagi hipotesis yang berkaitan dengan microworld disahkan sering sukar. Di samping itu, tidak jelas apakah faedah yang boleh membawa kesan yang sama terhadap Mossbauer? Walau bagaimanapun, permohonan itu cukup luas. Penyiasatan sifat-sifat bahan-bahan kristal , badan-badan amorf dan serbuk halus dihancurkan, termasuk dengan bantuan fenomena kuantum ini. Data seperti ini diperlukan dalam bahagian yang jauh dari amalan (fizik teori) dan dalam bidang yang sangat dekat - misalnya, ubat. Oleh itu, kesan Mössbauer dan aplikasinya harus dipertimbangkan sebagai contoh penemuan teori, yang membawa banyak kegunaan bahkan dalam kehidupan seharian.