Efekt Mössbauera - Polski Serwis Naukowy

Efekt Mössbauera (zjawisko Mössbauera) to zjawisko fizyczne polegające na rezonansowej emisji promieniowania gamma przez jądra atomów ciała stałego. Emisja taka poprzedzona jest absorpcją promieniowania o takiej samej częstości i ma charakter bezodrzutowy. Bezodrzutowość emisji jest spowodowana przez związanie emitującego atomu w sieci krystalicznej. Zjawisko to zostało odkryte w roku 1957 przez Rudolfa Mößbauera.

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

Opis zjawiska

Widmo Mössbauera goethytu

Promieniowanie gamma jest wytwarzane przy przejściach jąder atomowych z niestabilnego stanu o wyższej energii, do stanu o energii niższej. Wydzielona energia, równa różnicy energii obydwu stanów, rozdziela się pomiędzy energię emitowanego kwantu gamma i energię kinetyczną odrzutu emitującego atomu (zgodnie z zasadą zachowania pędu całkowity pęd po emisji musi pozostać taki sam, jak przed emisją). Jeśli ta "energia odrzutu" jest bardzo mała w porównaniu z całkowitą wydzieloną energią, to wyemitowany foton gamma ma energię dokładnie odpowiadającą różnicy energii pomiędzy poziomami energetycznymi jądra i może być pochłonięty przez inne jądro tego samego rodzaju.

Zjawisko fizyczne – przemiana, na skutek której zmieniają się tylko właściwości fizyczne ciała lub obiektu fizycznego, natomiast właściwości chemiczne pozostają bez zmian. Definicja używana przez chemików.

Zasada nieoznaczoności (zasada nieokreśloności) mówi, że istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością. O wielkościach takich mówi się, że nie komutują. Akt pomiaru jednej wielkości wpływa na układ tak, że część informacji o drugiej wielkości jest tracona. Zasada nieoznaczoności nie wynika z niedoskonałości metod ani instrumentów pomiaru, lecz z samej natury rzeczywistości.

Dodatkowa energia odrzutu jest także tracona podczas absorpcji, ponieważ absorbujące jądro przejmuje pęd pochłanianego fotonu. Aby więc zaszedł rezonans i pochłonięcie, ta energia odrzutu musi być odpowiednio mała, mniejsza niż szerokość połówkowa energii stanu wzbudzonego.

Rudolf Ludwig Mößbauer (ur. 31 stycznia 1929 w Monachium) – niemiecki fizyk zajmujący się badaniami promieniowania gamma pochodzącego z rozpadów jąder atomowych. W roku 1957 zaobserwował efekt Mößbauera, za co w roku 1961 otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki.

Sekunda (łac. secunda – następna, najbliższa) – jednostka czasu, jednostka podstawowa większości układów jednostek miar np. SI, MKS, CGS – oznaczana s (bez kropki na końcu).

Energia kinetyczna odrzutu może być wyliczona następująco: z zachowania pędu $|p_R| = |p_\gamma| \,$

czyli $p_R^2 = p_\gamma^2 \,$

gdzie pR jest pędem odrzutu, a pγ jest pędem fotonu gamma. Jeżeli masa odrzucanego obiektu M pomnożona przez prędkość światła jest znacznie większa od jego pędu (jest to typowa sytuacja w wypadku przejść jądrowych), to możemy użyć nierelatywistycznego związku pomiędzy pędem a energia kinetyczną:

Efekt Dopplera – zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali. Dla fal rozprzestrzeniających się w ośrodku, takich jak na przykład fale dźwiękowe, efekt zależy od prędkości obserwatora oraz źródła względem ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. W przypadku fal propagujących się bez udziału ośrodka materialnego, jak na przykład światło w próżni (w ogólności fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie różnica prędkości źródła oraz obserwatora.

Jądro atomowe – centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska.

$E_R = \frac{p_R^2}{2M}$ .

Dla fotonu związek pomiędzy pędem a energią ma postać: $E_{\gamma} = p_\gamma c\,$ .

Wstawiając te związki do równania zachowania pędu możemy wyliczyć energie kinetyczną odrzutu: $2 M E_R = \frac{E_\gamma^2}{c^2}$ $E_R = \frac{E_\gamma^2}{2Mc^2} = \frac{(\hbar k)^2}{2M}$ .

Energia tracona na odrzut jest więc odwrotnie proporcjonalna do masy odrzucanego obiektu. Przykładowo dla pojedynczego jądra Fe (izotop często używany w spektroskopii Mössbauera) masa jądra M=56,9354 u, energia fotonu Eγ=14,4 keV, czyli energia odrzutu jest rzędu 0,001 eV. Szerokość linii jest związana z czasem życia stanu wzbudzonego zasadą nieoznaczoności:

Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce. Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron, który jest przyspieszany napięciem równym 1 woltowi:

FWHM - (ang. Full Width at Half Maximum) - szerokość w połowie wysokości, szerokość połówkowa. Jest to wielkość liczbowa używana do opisu szerokości "wybrzuszeń" krzywej lub funkcji. Równa się ona odległości między dwoma punktami na krzywej w których funkcja przyjmuje połowę swojej maksymalnej wartości.

$\Delta E\cdot \tau = \hbar/2$ .

Dla Fe czas życia stanu wzbudzonego wynosi około 1,4x10 s, co daje szerokość linii rzędu 2,5 neV, czyli wiele rzędów wielkości mniej, niż energia odrzutu. Absorpcja fotonu przez inne jądra tego samego izotopu nie będzie więc zachodziła.

W ciele stałym jądra atomowe są związane z siecią krystaliczna i nie są odrzucane w ten sam sposób, jak atomy wolne (na przykład w gazie). Energia odrzutu jest wydzielana jako energia drgań sieci krystalicznej, kwantowanych jako fonony. W szczególnym wypadku, jeżeli pęd odrzutu jest niewielki, energia może być przejęta przez całą sieć krystaliczną, bez wzbudzania jej drgań (bezfononowo). W tym wypadku masa M we wzorze na energię odrzutu jest równa masie całego kryształu, jest więc bardzo duża w porównaniu z energią fotonu i powstający foton ma energię dokładnie równą energii wzbudzenia jądra, może więc być bezfononowo zaabsorbowany przez inne jądro związane w sieci krystalicznej.

Rezonans – zjawisko fizyczne zachodzące dla drgań wymuszonych, objawiające się pochłanianiem energii poprzez wykonywanie drgań o dużej amplitudzie przez układ drgający dla określonych częstotliwości drgań.

Ciało stałe – rodzaj fazy skondensowanej, każda substancja, która nie jest płynna, czyli zachowuje kształt i jest nieściśliwa. Ciało stałe jest pojęciem mało precyzyjnym i mogą w nim występować w rzeczywistości różne stany skupienia materii zwane bardziej precyzyjnie fazami fizycznymi.

Ponieważ emitowane promieniowanie gamma ma bardzo wąski zakres częstotliwości, można użyć go jako precyzyjnej sondy do analizowania efektów oddziaływania jądra z polem elektromagnetycznym elektronów i innych atomów, powodujących niewielkie przesunięcia poziomów energetycznych w jądrze. Jest to podstawą spektroskopii Mössbauera. Polega ona na tym, że bada się zależność absorpcji fotonów w badanej próbce od prędkości jej ruchu względem źródła fotonów. Względny ruch zmienia, poprzez efekt Dopplera, energię fotonu w układzie absorbującego jądra, zmieniając prawdopodobieństwo jego rezonansowego pochłonięcia.

Bezfononowe przejścia optyczne zachodzą ściśle analogicznie do efektu Mössbauera, mogą być obserwowane w chromoforach związanych w sieciach krystalicznych w niskich temperaturach.

Źródła

Mössbauer Effect (ang.). University of Sydney, School of Physics. [dostęp 2010-08-23].