Mossbauer effekt: it effekt fan 'e fynst en syn betsjutting

It artikel hat it oer wat de Mossbauer effekt. Ek bekend makke begripen lykas kwantum enerzjy nivo 's yn in atoom en in atoomkearn, bêst en kollektive quasiparticle dêryn.

wiskundige fun

In trochbraak yn de natuerkunde dat barde yn 'e earste desennium fan' e tweintichste ieu, wittenskippers easken serieuze kennis yn de wiskunde. In protte ûntdekkings binne ynlutsen, sa to sizzen, op 'e útein fan' e pinne: at earst se waarden berekkene teoretysk en dan fûn yn de praktyk.

Bygelyks, it bestean fan gravitasjonele weagen foarsein troch Einstein yn 1910, wienen by steat om te befêstigjen bearjendewei allinnich yn 2016. De fúzje fan de twa neutron stjerren hat makke Tremors romte dat ierdske fysika fongen en reparearre troch iepenjen it tiidrek fan gravitasjonele mjittings yn 'e wittenskip fan it minskdom. Gjin wûnder gravity neamd hjir: nammentlik foar sokke stúdzjes is de Mossbauer effekt wearde. Mar dit is de útsûndering ynstee fan 'e regel. Meast faak, teoretisy en it eksperimint stap op elkoars hakken, ien stúdzje joech oanlieding ta de needsaak fan syn wiskundich beskriuwing, en neidielige konklúzje wurdt de ferûnderstelling fan nije, noch net ûntfongen Ofhinklikens. Mössbauer effekt wie ien fan sokke ferskynsels. Sokke "side" fenomeen is de ferûnderstelling en it Max Planck útsprutsen oan de ein fan 1900. It sein dat yn 'e wrâld fan elektroanen en atomic kearnen, alle hoemannichten kin allinne nimme diskrete wearden, dat is quantized. En, yn syn eigen miening, it wie mar in wiskundige trúk, dy't makke berekkenjen makliker. Oant de ein fan syn libben er leaude dat it kwantum, of de lytste mooglike diel fen, bygelyks, licht - allinnich geskikt manier te beskriuwen, gjin útfieren fan in serieus fysike sin.

De kwantum world

Lykwols, oare gelearden belangstelling foar in adekwate beskriuwing fan wat der op 'e skaal fan atomen, sjoen as de mooglikheden fan sa'n konklúzje, en naem it fanselssprekkend dat alles is quantized. De elektroanen om de kearn meie allinnich wêze op bepaalde banen kearnen harsels kin allinnich hawwe spesifike enerzjy nivo. Skipping therebetween, kearnen generearje gamma strielje. Mossbauer effekt stelt dat de aksje moat produsearje in soarte fan werom, mar dat bart net. Yn it algemien, al de hoemannichte dy't beskriuwe it gedrach fan de nanoworld binne ûnder foarbehâld fan quantization - dat is diskrete. Mar ferjit net dat de feart dy't yn de macrocosm wurdt útdrukt as it produkt fan it taryf fan de massa oant elementêre dieltsjes is wat wêzentlik oars, wat betsjut dat er, ek, is quantized. Sadat wittenskip rapport dêr't de Maks Plank ûntlienden syn ferneamde formule dy't befettet de wearde fan 'e h, of sa min mooglik effekt, iepene in nij tiidrek. Dat wie it tiidrek fan de kwantumfysika. Mossbauer effekt, ynterpretaasje, dat waard letter jûn oan dit fenomeen, hawwe wurden ien fan de meast wichtige mylpeallen fan 'wittenskip fan' e tweintichste ieu.

De ûntdekking fan 'e Mössbauer effekt

As wy hawwe opmurken boppe, de teoretyske konklúzjes gie hân yn hân mei it eksperimint. Guon praktyske konklúzjes bewiisd op planten sammele letterlik "op 'e knibbel" en út scrap materialen. Wittenskippers hawwe by steat om net allinne werjaan de formule, mar ek slút De flesse, snij it bestjoer om te wurkjen mei metaal en siikje de ynstallaasje. Fansels, it haad fan 'e laboratoariums allinnich fettet de resultaten fan harren wards. Mar, eltse experimenter wie ek in yngenieur, as de apparaten binne ûntwurpen foar spesifike doelen, en direkt yn it ûndersyk proses. Ik wie gjin útsûndering en it Mossbauer effekt. It iepenjen fan it soe net plakfine as in koppige doctoral Rudolf Mossbauer net feroare de metoade fan mjitten de koeling ienheid, ynstee fan ferwaarming is, sa't advisearre troch de begelieder fan stúdzjes.

bêst

De teory, dat wy sille fertelle de lêzers yn dizze paragraaf, it liket dúdlik op it earste eachopslach. Lykwols, lykas bekend, maklik te altyd hellet geweldige ynspannings. En sa binne wy no by steat om te fertellen yn ienfâldige wurden wat de Mossbauer effekt foar Dummies letterlik, ea wurke it hiele laboratoarium.

Under de bêst wurdt meastal bedoeld in stof yn in kristallijn steat. De kearnen fan atomen yn dit gefal foarmje in strange periodike lattice, wylst de elektroanen yn wikseljend gearfette. Fansels, metalen kristallen foarme hiel spesifike metallysk bond troch dêr't de kearn bestean as om los fan generalisearre elektroanen. It elektron wolke wennet by syn ûnôfhinklike wet, gjin oandacht foar it gedrach fan de kristal lattice. De kristallen dy't presintearje mear tradisjoneel ioanyske en covalent biningen, de elektroanen mear nau ferbûn mei "harren" kearnen. Mar dêr binne se frij te bewegen tusken oanbuorjende knopen dan yn in gas of floeiber.

Solid set eigenskippen net allinne de gemyske eleminten dy't binne yn har, mar ek de symmetry fan de opstelling fan de atomen opsichte fan elkoar. Yn it klassike foarbyld fan in koalstof bouwurk generearret sêft grafyt, en de oare - de hurdste natuerlike materiaal - diamant. Sa hokker type ferbining, en symmetry fan de ienheid sel betsjutte in soad foar in strakke lichem. De eigenskippen fan it bêst en it is de ûntsluting fan wat de Mossbauer effekt. Syn natuer wurdt ferklearre as folget: al fan de atomen yn in bêst wurde assosjearre.

kollektyf quasiparticles

No yntinke in foldwaande grut trijediminsjonale lattice. Foar it model meast geskikte sâlt: Na and Cl lizze yn de hoekpunten fan de blokjes, de iene nei de oare. As ien of oare manier oernimme iene atoom en lûke him te brekken de habitual plak fan lykwicht, tank oan in foldwaande strakke ferbining, neidat it luts de oanswettende atomen. Berekkeningen litte sjen dat de feroaring yn 'e posysje fan' e kearn hat yn elts gefal gjin grutte ynfloed hân op 'e buorlju fan de tredde oarder. Dit betsjut dat as de "grab" natrium, folge lutsen oanswettende gloar atomen, natrium atomen folgjende him ien ultraperifeare laach fan gloar. De ympakt fan dit nei alle gedachten útwreide wurde yn alle rjochtingen. It wurdt meastentiids sein dat de fjirde-oarder perturbation buorlju gjin ferskil dat útmakket. Lykwols, se binne net nul.

Dus, as ien of oare wize "knock" crystal sterker (bygelyks, te stjoeren him in laser of elektron beam), it kristal lattice wil "weagen". Sa'n kollektive beweging doe't in protte oanswettende atomen yn de crystal tagelyk ferskowe fiele, bygelyks, omheech of omleech, neamd phonons. Beskikber om te beskriuwen wat de Mossbauer effekt foar dummies, wy sille net gean yn details en gewoan sizze jimme dat de phonons waard fûn ta droegen as elemintêre dieltsjes. Bygelyks, harren enerzjy is quantized, se besitte golflingte momentum en binne by steat om ynteraksje mei elkoar. Sa, de phonons wurde neamd kollektive quasiparticles. Harren oantal en kwaliteit fan de fêste lichem wurdt jûn in konstruksje dêr't sy foarkomme. Berekkenje it kin wêze, kennen de grutte, symmetry en soarten atomen fan de ienheid sel. Op de optreden fan Phonon ek ynfloed op de lingte en de soarte fan obligaasjes tusken de ioanen yn de Crystal lattice.

band teory

Sûnt bêst fettet al syn elektroanen, en de orbitals (en dus ek harren enerzjy) moat ek wurde generalisearre. Earst moatte wy betinke dat de elektroanen hearre ta dizze klasse fan dieltsjes neamd fermioanen. Fermi, Dirac en Pauli tegearre fûn dat yn ien steat wêze mei yn it systeem, mar ien sa'n dieltsje. As wy werom nei it foarbyld fan 'e sâlten, eltse kristal, dat wy sprinkelje sop of fleis, besteande út in ongelooflijke bedrach fan natrium en chloride ioanen. En elk fan harren hat itselde oantal elektroanen, dy't draaie op identike banen. Hoe kin dat wêze? In solide komt út de situaasje as folget: de enerzjy fan eltse elektron Orbit om de kearn, in bytsje oars út in oare enerzjy elektroanen dy't ta deselde baan fan in oare atoom. Sa is it ferkrigen: yn de Crystal bestiet ekstreem folle enerzjy nivo dy't ferskille fan elkoar genôch lyts om te foarmjen fan in komprimearre gebiet. De perturbations dy't yntrodusearje phonons lyts omdat ien Atom ranges binne net hiel sterk. Alles dat der ta docht is de sammelnamme beweging as gehiel. Dêrom, de Phonon enerzjy, it sa te sizzen "oplost" yn it gebiet fan enerzjy. Op basis fan dit en de Mossbauer effekt.

De elektromagnetyske skaal

De beweging fan laden dieltsjes wurdt beselskippe troch in elektromagnetyske fjild. Dit feit set, bygelyks, de fraach wêrom ien planeet en Satelliten ervje dyjingen, wylst oaren - net. Elektromagnetyske weagen kinne wurde ûnderferdield yn klassen neffens harren frekwinsje en dêrom enerzjy. Dy twa skaaimerken oare ferbynt en binne ôfhinklik fan de golflingte. Wat is de Mossbauer wurking kin mar koart, op betingst dat de lêzer begrypt wêr't elektromagnetyske skaal leit gamma strieling. Dus, iepenje de Airwaves skaal. Teoretysk limitearje harren golflingte - Ofmjittings hielal. Lykwols, de enerzjy fan sokke strieling soe wêze sa lyts, dat it is ûnmooglik om te registrearjen. Wat heger frekwinsje yn 'e terahertz strieling. It is lykwols, en de radio weagen wurde observearre yn hiel spesifike betingsten: remming fan elektroanen yn in magnetysk fjild, flexural trillings fan polymearen, de beweging fan excitons yn de bêst. Mear dúdlik folgjende part fan de elektromagnetyske spektrum - it ynfraread strieling. It transfers enerzjy yn foarm fan waarmte. Noch heger enerzjy fan sichtber ljocht. Dat part fan it spektrum dat it minsklik each sjocht is hiel lyts yn ferliking mei de hiele skaal.

Read ljocht hat de leechste enerzjy, en pears - de heechste. Yn dizze ferbining, it is bekend paradoks: de mear kâld wetter wurdt oanjûn yn it blau, waans enerzjy is heger as dy fan read ljocht. Nei oanlieding fan dat de Ultraviolet diel fan de elektromagnetyske skaal al hat in genôch hege frekwinsje te kringen yn in bêst. Nettsjinsteande it feit dat minsken, lykas oare libbene wêzens op ús planeet, net waarnimme Ultraviolet ljocht, syn belang foar de goede wurking fan biologyske organismen is ynoarm. De wichtichste boarne fan Ultraviolet stúdzje is de sinne. Heger enerzjy en de mooglikheid te kringen protte stoffen hat X-ray. De boarne fan sokke strieling is de deceleration fan elektroanen yn de elektromagnetyske fjilden. De elektroanen kin wêze sawol bûn, i.e. hearre atomen en frij. De medyske apparaten binne apparaten troch frije elektroanen. Ta beslút, it swierste en it meast koarte-golf is gamma strieling.

X-rays en gamma

Mossbauer effekt en de tapassing yn de natuerkunde en yngenieursburo moat om ûnderskied te meitsjen tusken gamma strielen en X-rays. Troch it nivo fan enerzjy en, neffens, de golflingte binne se yn in hiel breed skala oan oerlaap. Dat wol sizze, der is in gamma en X-rays mei in golflingte fan 5 picometres. Ferskillende metoaden foar harren tarieding. Lykas hjirboppen útlein, de X-strieling optreedt as de deceleration fan elektroanen. Boppedat, yn guon prosessen (ynklusyf nukleêre) ferdwynt elektron út it binnenste shell foldwaande swier atoom, lykas uranium. Lykwols, oare elektroanen oanstriid te nimmen syn plak. Sokke transysjes, en wurden in boarne fan X-rays. Gamma rays binne it resultaat fan de kearn transysjes út in heger oansleine tastân. Dizze strieling hat in hege ynkringende fermogen en ionizes atomen om hokker interacts. Wêrby't doe't it gamma ray collides mei de kearn fan in atoom, moat der in saneamde kickback. Lykwols, yn de praktyk is it die bliken dat de ynteraksje fan gamma strielje mei de kearn fan in atoom dy't ta de stive lea, it effekt mist. Dat is ferklearre troch it feit dat ekstra enerzjy, om sa te sizzen "besmeurd" troch elektroanyske bands fan it kristal, it meitsjen fan in Phonon.

Isotopes

Mossbauer effekt en har tapassing is nau besibbe oan 'e iene ferrassende feit: it ferskynsel net hannelje op alle gemyske eleminten fan it periodyk systeem. Boppedat is it fan betsjutting foar guon stoffen isotopen. As de lêzer wurdt ynienen ferjitten wat Isotopes recall. It is bekend dat eltse jûn atoom is elektrysk neutraal. Dat betsjut dat yn 'e kearn fan' e positive protoanen safolle as yn it elektron dop. Lykwols, de kearn ek befettet in neutron, dieltsje sûnder lading. At jo it getal yn de kearn, elektryske neutraal is net skeind, mar de eigenskippen fan it atoom feroare bytsje. Boppedat, bart it dat de swierdere isotoop is radioaktyf en is gefoelich foar ferfal, wylst gewoane saak is frij stabyl. Vrij in list fan konkrete eleminten en harren isotopen, dy't wurde karakterisearre troch de Mossbauer effekt. Opspoaren fan ⁵⁷ Fe, bygelyks, wurdt oer it algemien fertroud troch dit ferskynsel.

It brûken fan Quantum effekten

Produce ûnderfining, dy't befêstige wurdt troch ien of de oare hypoteze ferbân mei it mikroskopyske wrâld, it is faak net maklik. Dêrneist is it net dúdlik wat foardielen kinne bringe itselde effekt Mossbauer? It brûken fan it, lykwols, is breed genôch. Investigation fan eigenskippen fan kristallijn materialen, amorphous fêste stoffen en fyn comminuted poeders komt, ûnder oaren fia dizze quantum ferskynsel. Sokke data binne ferplichte yn aardich fier fan de praktyk cluben (teoretyske natuerkunde), en yn hiel tichtby man dissiplines - lykas medisinen. Sa, de Mossbauer effekt en syn brûken moat beskôge wurde as in foarbyld fan 'e teoretyske ûntdekking, dat bringt in soad foardielen, ek yn it deistich libben.