/ / Mossbauer efekts: efekta atklāšana un tās nozīme

Mossbauer efekts: efekta atklāšana un tās nozīme

Rakstā tiek paskaidrots Mossbauer efekts. Tika atklāti arī tādi jēdzieni kā kvantu, enerģētiskā līmeņa atoms un atomu kodols, cietais ķermenis un kolektīvās kvazistēmas.

Matemātiskā izklaide

Mössbauer efekts

Izrāviens fizikā, kas notika pirmajādivdesmitā gadsimta desmitgade, pieprasīja no zinātniekiem nopietnas zināšanas matemātikā. Pieaugušā galā tika veikti daudzi atklājumi: tos vispirms aprēķināja teorētiski un vēlāk tos atrada praksē.

Piemēram, gravitācijas viļņu klātbūtne,1910. gadā paredzētā Einšteina prognoze spēja eksperimentāli apstiprināt tikai 2016. gadā. Divu neitronu staru saplūšana izraisīja telpu drebēšanu, ko nozvejojuši un ierakstījuši zemes fiziķi, atklājot smaguma mērīšanas laikmetu cilvēces zinātnē. Šeit nav minēts, ka gravitācija ir šeit: tieši šādiem pētījumiem Mössbauer efekts ir nozīmīgs. Bet tas ir vairāk izņēmums nekā noteikums. Visbiežāk teorētiķi un eksperimentētāji pāriet uz otra papēžiem: viens pētījums radīja vajadzību pēc tā matemātiskā apraksta, un sānu secinājumi bija pieņēmums par jaunu, bet ne iegūtās atkarības. Mossbauer efekts izrādījās viens no šādiem fenomeniem. Šāda "nejauša" parādība bija pieņēmums Max Planck, izteica 1900. gada beigās. Tas teica, ka elektronu un atomu kodolu pasaulē visi daudzumi var ņemt tikai diskrētas vērtības, tas ir, kvantificēt. Turklāt, pēc viņa pārliecības, tas bija tikai matemātiskais triks, kas padarīja aprēķinus ērtākus. Līdz viņa dzīves beigām viņš uzskatīja, ka kvantu vai mazāko iespējamo daļu, piemēram, gaismu, ir tikai piemērots apraksta veids, kam nav nopietnas fiziskas nozīmes.

Kvantu pasaule

Mossbauer efekts un tā pielietojums

Tomēr citi zinātnieki ir ieinteresētiatbilstošu aprakstu par to, kas notiek atomu mērogā, uzskatīja šāda secinājuma potenciālu un ņēma vērā aksiomu, ka viss ir kvantizēts. Elektronu ap kodiem var būt tikai noteiktas orbītas, jo atomu kodoliem pašiem var būt tikai konkrēti enerģijas līmeņi. Pārlēkot starp tām, kodoli ģenerē gamma kvantu. Mössbauer ietekme apliecina, ka šai rīcībai vajadzētu radīt zināmu atdevi, bet tas nenotiek. Kopumā visi daudzumi, kas apraksta nanodaļiņu uzvedību, tiek pakļauti kvantificēšanai - tas ir, diskrēta. Tomēr mums nevajadzētu aizmirst, ka impulss, kas makrokosmā izpaužas kā masas produkts uz ātrumu, elementārajai daļiņai ir kaut kas fundamentāli atšķirīgs, un tāpēc tas ir arī kvantizēts. Tātad zinātnē ziņojums, par kuru Max Planck atguva savu slaveno formulu, kurā bija vērtība h, vai minimālā darbība, pavēra jaunu ēru. Tas bija kvantu fizikas laikmets. Mossbauer efekts, interpretācija, kas vēlāk tika dota šai parādībai, kļuva par vienu no svarīgākajiem 20.gadsimta zinātnes atskaites.

Mossbauer efekta atklāšana

Mössbauer efekts manekeniem

Kā minēts iepriekš, teorētiskie secinājumigāja roku rokā ar eksperimentu. Daži praktiski secinājumi tika pierādīti iekārtās, kas sapulcinātas burtiski "uz ceļa" un no improvizētiem materiāliem. Zinātniekiem vajadzēja spēt ne tikai izgudrot formulas, bet arī sūknēt sīpolus, zāģēt dēlus, strādāt ar metāla un montāžas iekārtām. Protams, laboratoriju vadītāji tikai vispārināja viņu nodaļu rezultātus. Tomēr katrs eksperiments bija arī inženieris, jo ierīces bija paredzētas konkrētiem mērķiem un tieši pētniecības procesā. Mössbauer efekts nebija izņēmums. Atklāšana nebūtu noticis, ja stūrgalvīgais doktorants Rudolfs Messbauers nebūtu mainījis mērīšanas metodi, dzesējot iekārtu, nevis sildot to, kā to ieteica vadītājs.

Cieta ķermeņa

Mossbauer efekta vērtība

Teorija, par kuru mēs to pateiksim lasītājiemsadaļa, šķiet, šķiet acīmredzama. Tomēr, kā jūs zināt, vieglumu vienmēr nodrošina neticami centieni. Un tā, ka mēs tagad varam vienkārši pateikt, kāda ir Mössbauer ietekme uz tējkannas burtiski, veselas laboratorijas, kad tas jau ir strādājis.

Cieto vielu parasti saprot kā vielukristāliskā stāvoklī. Šajā gadījumā atomu kodi veido stingru periodisku režģi, savukārt elektroni ir vairāk vai mazāk vispārināti. Protams, metālu kristālos veidojas ļoti specifiska metāla saite, pateicoties kurai kodoli pastāv kā atsevišķi no vispārinātajiem elektroniem. Elektroniskais mākonis dzīvo pēc neatkarīgiem likumiem, nevēršot uzmanību uz kristāla režģa uzvedību. Kristālos, kur ir tradicionālās jonu un kovalento saites, elektroni ir ciešāk saistīti ar "saviem" kodoliem. Tomēr pat tur viņi pārvietojas brīvāk starp kaimiņu mezgliem nekā gāzē vai šķidrumā.

Cietās vielas īpašības ir norādītas ne tikaito saturošie ķīmiskie elementi, bet arī simetrija no atomu izvietojuma attiecībā pret otru. Klasiskajā oglekļa piemērā viena struktūra rada mīkstu grafītu, bet otrs ir vissmagāk dabiskais materiāls - dimants. Tātad savienojuma veids un elementārās šūnas simetrija ir daudz par cietu. Cietā ķermeņa īpašībās tiek atklāta Mossbauer efekta izpausme. Tās daba ir izskaidrojama ar to, ka visi atomi cietā stāvoklī ir savienoti.

Kolektīvās kvazistēmas

Mössbauer efekts

Tagad iedomājieties diezgan lielutrīsdimensiju režģis. Modelis ir vispiemērotākais sāls: Na un Cl atrodas kubu virsotnēs, aizstājot viena otru. Ja kaut kādā veidā uztvertu vienu atomu un velk to, pārejot no parastās līdzsvara pozīcijas, pateicoties pietiekami stingrai savienojumam, kaimiņu atomi seko pēc tā. Aprēķini liecina, ka viena kodola stāvokļa maiņai ir vismaz kāda būtiska ietekme uz trešā pasūtījuma kaimiņiem. Tas nozīmē, ka, ja jūs "satverat" nātriju, tad tiks uzzīmēti kaimiņu hlora atomi, kam seko nātrija atoms un vēl viens tālu hlora slānis. Ietekme acīmredzami izplatīsies visos virzienos. Parasti tiek teikts, ka ceturtās pakāpes kaimiņu satricinājumi ir niecīgi. Tomēr tie nav vienādi ar nulli.

Tāpēc, ja kaut kā "klauvē"kristāls ir spēcīgāks (piemēram, lai nosūtītu tam lāzeru vai elektronu staru), kristāla režģi iet uz "viļņiem". Šādi kolektīvie kustības, kad daudzi kaimiņu kristāla atomi vienlaikus piedzīvo pārvietošanos, piemēram, uz augšu vai uz leju, sauc par fononiem. Lai varētu aprakstīt to, kā Mossbauer efekts ir manekeniem, mēs neieviesīsim detaļas un vienkārši pateiksim, ka fononi, kā izrādījās, rīkojas kā elementārās daļiņas. Piemēram, viņu enerģija tiek kvantizēta, viņiem ir viļņa garums, impulss un viņi spēj savstarpēji sadarboties. Tādējādi fononus sauc par kopīgām kvazistēmām. To daudzumu un kvalitāti nosaka cietā ķermeņa struktūra, kurā tie rodas. To var aprēķināt, zinot izmēru, simetriju un atomu veidus vienības šūnā. Fononu izskatu ietekmē arī saišu garumi un veidi starp kristāla režģa joniem.

Zonas teorija

Mossbauer efekta interpretācija

Tā kā stingrs ķermenis vispārina visus tā elektronus,tad ir jāapkopo orbītas (un līdz ar to arī viņu enerģija). Vispirms mums jāatceras, ka elektroni pieder pie šīs daļiņu klases, ko sauc par fermioniem. Fermi, Dirac un Pauli kopīgi atklāja, ka vienā stāvoklī konkrētā sistēmā var pastāvēt tikai viena šāda veida daļiņa. Ja mēs atgriežamies pie sāls parauga, tad katrs kristāls, ar kuru mēs apkaisa zupu vai gaļu, satur neticami daudz nātrija un hlora jonu. Un katram no tiem ir tāds pats elektronu skaits, kas rotē vienādos orbītos. Kā būt? Cietais atstāj pozīciju šādi: katra elektrona orbītā kodola enerģijas enerģija nedaudz atšķiras no citu elektronu enerģijas, kas pieder vienai orbītā citam atomelektronim. Tādējādi izrādās: kristālos ir neticami daudz enerģijas līmeņu, kas atšķiras viens no otra tik maz, ka tie veido saspiestu zonu. Fononu radītās perturbācijas ir mazas, jo viens atoms ļoti nepastāv. Vērtība ir tikai kolektīvā kustība kopumā. Tāpēc fonona enerģija "izšķīst", kā tas bija joslas enerģijā. Tas ir Mossbauer efekta pamats.

Elektromagnētiskais mērogs

Uzlādēto daļiņu kustība ir pievienotaelektromagnētiskā lauka izskats. Šis fakts, piemēram, rada jautājumu, kāpēc vienai planētai un tā satelītiem tas ir, un citi to nedara. Elektromagnētiskie viļņi parasti tiek iedalīti klasēs atkarībā no to biežuma un attiecīgi enerģijas. Šīs divas īpašības ir savstarpēji saistītas un arī atkarīgas no viļņu garuma. Kādu Mossbauer efektu var īsumā pateikt tikai tad, ja lasītājs saprot, kur atrodas elektromagnētiskā mērogā gamma starojums. Tātad, atveriet radioviļņu skalu. Teorētiski to viļņu garums ir Visuma lielums. Tomēr šādu emisiju enerģija būtu tik maza, ka to nevar reģistrēt. Terahercas starojuma biežums ir nedaudz augstāks. Tomēr gan tā, gan radioviļņi tiek novēroti ļoti specifiskos apstākļos: elektronu palēninājums magnētiskajā laukā, polimēru liekšanas vibrācijas, eksikciju kustība cietā stāvoklī. Tālāk redzamā elektromagnētiskā spektra daļa ir saprotama: infrasarkanais starojums. Tas nodod enerģiju siltuma formā. Redzamā starojuma enerģija ir vēl lielāka. Cilvēka acs uztvertā spektra daļa ir ļoti maza salīdzinājumā ar visu mērogu.

Mössbauer efekts

Sarkanā gaisma aizņem vismaz enerģiju, unvioleta - lielākā. Saistībā ar to ir zināms paradokss: vēsāks ūdens ir apzīmēts ar zilu krāsu, kuras enerģija ir augstāka nekā sarkanā starojuma enerģija. Nākamajā elektromagnētiskā mēra ultravioletā daļā jau ir pietiekami augsta frekvence, kas var iekļūt cietā ķermenī. Neskatoties uz to, ka cilvēki, tāpat kā citas mūsu planētas dzīvās būtnes, neuztver ultravioleto starojumu, tā nozīme bioloģisko organismu normālai darbībai ir milzīga. Galvenais ultravioletā starojuma avots ir saule. Lielāka enerģija un spēja iekļūt daudzās vielās ir rentgena starojums. Šāda starojuma avots ir elektronu palēninājums elektromagnētiskajos laukos. Šajā gadījumā elektroni var būt gan savienoti, tas ir, tie pieder pie atomiem, un ir brīvi. Medicīnas ierīcēs ir ierīces brīviem elektroniem. Visbeidzot, gama starojums ir vissmagāk un īsākais viļņa garums.

Rentgena un gamma

Mossbauer efekts un tā pielietojums fizikā untehnoloģija nosaka atšķirību starp gamma stariem un rentgena stariem. Enerģijas līmenī un attiecīgi viļņu garumā tie pārklājas ļoti plašā spektrā. Tas nozīmē, ka ir gan gamma, gan rentgena starojums, kura viļņa garums ir 5 pikometri. Ir dažādi veidi, kā tos iegūt. Kā jau tika paskaidrots iepriekš, rentgenstaru emisija notiek tad, kad elektroni tiek palēnināti. Turklāt dažos procesos (tostarp kodolenerģijas procesos) no pietiekami smaga atoma, piemēram, urāna iekšējās čaulas, pazūd elektrons. Šajā gadījumā parasti citi elementi ir vietā. Šādi pārejas kļūst par rentgenstaru avotu. Gamma kvanti ir pašu kodola pāreju no vairāk satraukta stāvokļa rezultāts. Šim starojumam ir liela iespiešanās spēja un jonizē atomi, ar kuriem tā mijiedarbojas. Šajā gadījumā, kad gamma kvants saduras ar atomu kodolu, ir jābūt tā sauktajai atsitiena daļai. Tomēr praksē tika konstatēts, ka gamma-kvantu mijiedarbība ar atomelementa kodolu, kas pieder cietam ķermenim, nav atgrūšanas. Tas izskaidrojams ar faktu, ka papildu enerģija tiek izšļakstīta kristāla elektroniskajās zonās, tādējādi radot fononu.

Izotopi

Mossbauer efekts un tā pielietojums ir cieši saistītiar vienu pārsteidzošu faktu: šī parādība neietekmē visus periodiskās tabulas ķīmiskos elementus. Turklāt tas ir svarīgi tikai dažiem vielu izotopiem. Ja lasītājs pēkšņi aizmirst, kas ir izotopi, atcerēsimies. Ir zināms, ka jebkurš viens atoms ir elektriski neitrāls. Tas nozīmē, ka pozitīvo protonu kodolā ir tāds pats kā elektronu čaulā. Tomēr kodols satur arī neitronus, daļiņas bez maksas. Ja mainīsim to skaitu kodolā, elektonitāralitāte netiek pārkāpta, bet šādas atoma īpašības nedaudz mainīsies. Bez tam, notiek tas, ka smagāks izotops ir radioaktīvs un ir tendence samazināties, bet parastā viela ir pilnīgi stabila. To elementu un to izotopu saraksts, kuriem raksturīgs Mossbauer efekts, ir absolūti konkrēts. Atklāšana 57Piemēram, Fe parasti uzticas tieši šai parādībai.

Kvantu efektu izmantošana

Veiciet eksperimentu, kurā to vaicita hipotēze ir saistīts ar mikroskopisku pasaulē, bieži vien nav viegli. Turklāt nav skaidrs, kādi ieguvumi var dot tādu pašu efektu Mossbauer? Par to izmantošanu, tomēr ir pietiekami plaša. Izmeklēšana īpašībām kristālisko materiālu, amorfs materiālu un smalki sasmalcinātu pulveri notiek, arī izmantojot šo kvantu parādības. Šādi dati ir nepieciešami diezgan tālu no prakses sekcijām (teorētiskā fizika), un ļoti tuvu cilvēku disciplīnām - piemēram, medicīnā. Tādējādi Mossbauer efekts, un tās izmantošana ir jāuzskata par piemēru teorētiskās atklājumu, kas apvieno daudz labumu, pat ikdienas dzīvē.

</ p>>
Lasīt vairāk: