Mossbauer áhrif: uppgötvun áhrifa og merkingu þess

Greinin segir frá því hvaða áhrif Mossbauer er. Og einnig er sýnt fram á slíkar hugmyndir sem skammtafræði, orkugildi í atóm og atómkjarna, fasta líkama og kúlulaga.

Stærðfræði gaman

Brotthvarf í eðlisfræði sem átti sér stað á fyrsta áratug 20. aldar, krafðist vísindamanna alvarlegrar þekkingar í stærðfræði. Margir uppgötvanir voru gerðar á pennapunktinum í fyrstu: þau voru fyrst reiknuð fræðilega og aðeins síðar fundust í reynd.

Til dæmis gæti tilvist gravitationsbylgjanna, sem spáð var af Einstein árið 1910, aðeins staðfest fyrir tilraunastarfsemi í 2016. Samruni tveggja stjörnusjónaukanna leiddi til skjálfandi pláss sem jarðneskir eðlisfræðingar lentu á og tóku þátt í því að opna tímamörk gravitational mælinga í vísindum mannkyns. Það er ekki fyrir neitt að þyngdarafl sé getið hér: það er fyrir slíkar rannsóknir að Mössbauer-áhrifin er mikilvæg. En þetta er meira en undantekning en reglan. Oftast ræddu fræðimenn og sérfræðingar á hælunum: Ein rannsókn skapaði þörfina fyrir stærðfræðilega lýsingu sína og hliðarályktanir voru forsendur nýrra, ekki ennþá fengnar ósjálfstæði. Mossbauer áhrifin virtist vera einn af slíkum fyrirbæri. Þetta "hlið" fyrirbæri var forsenda Max Planck, lýstu í lok 1900. Það sagði að í heimi rafeinda og atómkjarna gæti allt magn tekið aðeins stakur gildi, það er að mæla. Þar að auki, samkvæmt eigin sannfæringu, var þetta bara stærðfræðileg bragð, sem gerði útreikninga þægilegra. Fram til loka lífs síns trúði hann að skammtafræði eða minnsti mögulegur hluti, eins og ljós, er aðeins hentugur leið til að lýsa því sem hefur ekki alvarlega líkamlega merkingu.

Quantum heimurinn

Hins vegar hafa aðrir vísindamenn áhuga á fullnægjandi lýsingu á því sem er að gerast á umfangi atómsins, talið möguleika slíkrar ályktunar og tekið á axiom að allt sé magnað. Rafeindir í kringum kjarna geta aðeins verið í ákveðnum sporbrautum, kjarnorkukjarnar sjálfir geta aðeins haft ákveðna orkugildi. Stökk á milli þeirra mynda kjarnann gamma kvanta. Áhrif Mossbauer halda því fram að þessi aðgerð ætti að koma til góða aftur, en þetta gerist ekki. Almennt er allt magn sem lýsir hegðun nanóheimsins háð quantization - það er einfalt. Hins vegar má ekki gleyma því að hvatinn, sem í þjóðhimninum er tjáð sem afurðin af hraðahraða, fyrir grunnkorn er eitthvað í grundvallaratriðum öðruvísi og því er það einnig magnað. Svo í vísindum skýrði skýrslan, þar sem Max Planck náði frægu formúlunni sem innihélt gildi h, eða lágmarks aðgerð, opnaði nýtt tímabil. Það var tímabundið eðlisfræði skammtafræði. Mössbauer-áhrifin, túlkunin sem síðan var gefin út fyrir þetta fyrirbæri, varð eitt mikilvægasta áfanga tuttugustu aldar vísinda.

Uppgötvun Mossbauer áhrif

Eins og fram kemur hér að framan fór fræðileg ályktun saman við tilraun. Nokkrar hagnýtar ályktanir voru sönnuð á búnaði sem sett var saman bókstaflega "á hnénum" og frá óprófuðu efni. Vísindamenn þurftu að geta ekki aðeins fengið formúlur, heldur einnig til lóðréttar flöskur, sáningarborð, vinnur með málmi og safnar plöntum. Að sjálfsögðu almennt höfðingjar rannsóknarstofanna aðeins almennar niðurstöður deilda þeirra. Hins vegar var hver tilraunari einnig verkfræðingur, þar sem tækin voru hönnuð til sérstakra nota og beint í rannsóknarferli. Mössbauer áhrifin voru engin undantekning. Opnun það hefði ekki átt sér stað ef þrjóskur doktorsneminn Rudolf Messbauer hafði ekki breytt mælingaraðferðinni, kæla eininguna, í stað þess að hita það, eins og ráðgjafi leiðbeinir.

Solid líkami

Kenningin, sem við munum segja lesendum í þessum kafla, virðist við fyrstu sýn skiljanlegt. En eins og þú veist, er léttleiki alltaf náð með ótrúlegum viðleitni. Og svo að við getum nú sagt í einföldum orðum hvað áhrif Mössbauer er fyrir ketilana bókstaflega, þegar öll rannsóknarstofurnar voru að vinna.

Föst efni er venjulega skilið sem efni í kristallað ástandi. Kjarna atómanna í þessu tilfelli mynda strangar reglubundnar grindur, en rafeindirnir eru meira eða minna almennar. Auðvitað er mjög sérstakt málmbindi myndað í málmkristöllunum, þökk sé kjarnanum eins og það væri, sérstaklega frá almennum rafeindum. Rauða skýið býr eftir sjálfstæðum lögum, ekki að borga eftirtekt til hegðun kristalgáttarinnar. Í kristöllum, þar sem hefðbundnar jónískar og samgildar tenglar eru til staðar, eru rafeindir nátengdir "kjarna" þeirra. Samt sem áður flytja þau meira frjálslega milli nálægra hnúta en í gasi eða vökva.

Eiginleikar fastra efna eru ekki aðeins ákvarðaðar af efnafræðilegum þáttum sem þeir innihalda heldur einnig af samhverfu fyrirkomulagi atómanna miðað við hvert annað. Í klassískum dæmi um kolefni, einni uppbygging gefur til kynna mjúk grafít, en hitt er erfiðasta náttúrulegt efni, demantur. Þannig er tengingin og samhverf einingarsímans margt fyrir sterka. Í eiginleikum föstu líkamans er birting á því hvað Mossbauer áhrifin er. Eðli hennar er skýrist af eftirfarandi: öll atóm í föstu formi eru tengdir.

Kúlulaga kúlur

Nú ímyndaðu þér nokkuð stór þrívítt grind. Fyrir líkanið er salt hentugur: Na og Cl eru staðsettir efst á teninga, í stað hvers annars. Ef einhvern veginn að fanga eitt atóm og draga það, að flytja frá venjulegum stað jafnvægis, þökk sé nægilega stíf tengingu, nærliggjandi atóm munu fylgja eftir það. Útreikningar sýna að breyting á stöðu einum kjarna hefur að minnsta kosti nokkur marktæk áhrif á nágranna þriðja röð. Þetta þýðir að ef þú "grípur" natríum, nærliggjandi klór atóm, fylgt eftir með natríum atómum og öðru fjarlægu lagi af klór, mun fylgja. Áhrif þessa, augljóslega, mun breiða út í allar áttir. Það er venjulega sagt að truflun fjórða röð nágrannanna eru hverfandi. Hins vegar eru þau ekki jafnir núll.

Þess vegna, ef einhvern veginn "knýja" kristall erfiðara (til dæmis sendu leysir eða rafeind geisla til þess), mun kristal grindurinn fara "öldur". Slíkar sameiginlegar hreyfingar, þegar mörg nærliggjandi atóm kristalsins koma samtímis í tilfærslu, til dæmis upp eða niður, kallast hljóðmerki. Til þess að geta lýst því hvað Mossbauer áhrifin er fyrir imba, munum við ekki fara í smáatriði og einfaldlega segja þér að hljóðritar, eins og það kom í ljós, haga sér eins og grunn agnir. Til dæmis er orka þeirra magnað, þeir eru með bylgjulengd, hvatningu og geta haft samskipti við hvert annað. Þannig eru hljóðmerki kallaðir kúlulaga. Magn þeirra og gæði eru gefin af uppbyggingu solids líkamans sem þau koma upp í. Þú getur reiknað þetta með því að vita stærð, samhverfu og gerðir atóm í einingasafni. Útliti hljóðrita er einnig fyrir áhrifum af lengd og gerðum skuldabréfa milli jóna í kristal grindurnar.

Zone kenning

Þar sem stífur líkami almennar allar rafeindir sínar, þá verður einnig að útskýra orbitals (og þess vegna orku) þeirra. Til að byrja með verðum við að muna að rafeindir tilheyra þessum flokki agna, sem kallast fermions. Fermi, Dirac og Pauli komust að því að í einu ástandi getur aðeins einn agna af þessu tagi verið í tilteknu kerfi. Ef við komum aftur að dæmi um salt, þá mun hver kristal sem við stökkva í súpa eða kjöt innihalda ótrúlega mikið af natríum og klórjónum. Og hver þeirra hefur sama fjölda rafeinda sem snúa í sömu sporbrautum. Hvernig á að vera? Fasta efnið skilur stöðuina sem hér segir: orkan hverrar rafeindar sem umlykur kjarnann er aðeins frábrugðin orku hvers annars rafeinda sem tilheyrir sömu sporbraut hins hinu atóminu. Þannig kemur í ljós: í kristalinu eru ótrúlega margir orkugildir sem eru frábrugðnar hver öðrum svo lítið að þau mynda þjappað svæði. Óstöðugleikarnir sem kynntar eru með hljóðritum eru litlar þar sem eitt atóm sveiflast ekki mjög mikið. Gildi hefur aðeins sameiginlega hreyfingu í heild. Þess vegna leysir orkumálið "orku" í orku hljómsveitarinnar. Þetta er grundvöllur fyrir Mossbauer áhrif.

Rafsegulsvið

Hreyfing hlaðinna agna fylgir útliti rafsegulsviðsins. Þessi staðreynd vekur til dæmis spurninguna af hverju ein plánetan og gervihnöttin hennar hafa það, og aðrir gera það ekki. Rafsegulbylgjur eru venjulega skipt í flokka eftir tíðni þeirra og þar af leiðandi orku. Þessar tvær einkenni eru tengdir og einnig háð bylgjulengdinni. Hvað er Mossbauer áhrifin aðeins hægt að segja aðeins ef lesandinn skilur hvar gamma geislunin er staðsett á rafsegulsviðinu. Svo skaltu opna útvarpsbylgjuna. Fræðilega er mörk bylgjulengdarinnar sú stærð alheimsins. Hins vegar er orkan slíkra losunar svo lítil að ekki sé hægt að skrá hana. Lítil hærri tíðni í terahertz geislun. Hins vegar eru bæði það og útvarpsbylgjur fram undir mjög sérstökum aðstæðum: rafeindarhraðaminnkun á segulsviði, beygja titringur fjölliða, hreyfingu hreyfinga í föstu formi. Eftirfarandi hluti af rafsegulsviðinu er skiljanlegt: IR-geislun. Það flytur orku í formi hita. Orkan sýnilegrar geislunar er enn meiri. Hlutinn af litrófinu sem skynjað er af mönnum auga er mjög lítið í samanburði við heildarskala.

Rauður ljós ber lægsta orku og fjólublátt - stærsta. Í tengslum við þetta er þversögn þekkt: kaldara vatn er táknað með bláum lit, en orkan er hærri en rauð geislun. Næsta útfjólubláa hluti af rafsegulsviðinu hefur þegar nægilega mikla tíðni til að komast inn í föstu líkamann. Þrátt fyrir að fólk, líkt og aðrar lifandi verur á plánetunni, skynjar ekki útfjólubláu, er mikilvægi hennar fyrir eðlilega virkni líffræðilegra lífvera gríðarlegt. Helstu uppsprettur útfjólublára rannsókna er sólin. Hærri orka og hæfni til að komast í mörg efni hefur röntgengeislun. Uppruni slíkrar geislunar er hægir á rafeindum í rafsegulsviðum. Í þessu tilviki geta rafeindirnar verið annaðhvort tengdir, það er, þau tilheyra atómum eða frjálsum. Í lækningatækjum eru tæki á frjálsa rafeindir. Að lokum er gamma geislun er erfiðasta og stystu bylgjulengdin.

Röntgengeisla og gamma

Mössbauer áhrif og beiting þess í eðlisfræði og tækni krefst þess að greina gamma magni og röntgengeislun. Á orkustigi og þar af leiðandi bylgjulengdin skarast þau á mjög breitt svið. Það er, það er bæði gamma og röntgengeislun með bylgjulengd 5 picometers. Það eru mismunandi leiðir til að ná þeim. Eins og áður hefur verið lýst yfir kemur röntgengeislun þegar rafeindir lækka. Að auki, í sumum ferlum (þ.mt kjarnorku) hverfur rafeind úr innra skelinni með nægilega mikið atóm, til dæmis úran. Í þessu tilviki hafa aðrir rafeindir tilhneigingu til að taka sinn stað. Slíkar umbreytingar verða uppspretta röntgengeislunar. Gamma quanta er afleiðing af umbreytingum á kjarnanum sjálfum frá meira spennandi ástandi. Þessi geislun hefur mikla innrásarmátt og jónískar atómin sem hún hefur samskipti við. Í þessu tilfelli, þegar gamma kvaðratið er í sambandi við kjarnann í atómi, verður að vera svokölluð endurheimt. Hins vegar fannst í raun að samspil gamma skammta við kjarnann í atóminu sem tilheyrir föstu líkama, það er engin recoil. Þetta skýrist af þeirri staðreynd að viðbótarorkan er "útbreidd" yfir rafræna svæða kristalsins og þannig myndað hljóðmerki.

Samsætur

Mossbauer áhrif og beiting þess eru nátengd einum óvart staðreynd: fyrirbæri hefur ekki áhrif á öll efnaþættir tímabilsins. Þar að auki er aðeins nauðsynlegt fyrir tiltekna samsætur efna. Ef lesandinn skyndilega gleymdi hvaða samsætum eru, láttum við muna. Það er vitað að hvert eitt atóm er rafmagns hlutlaust. Þetta þýðir að í kjarna jákvæðu róteindanna er það sama og í skelinni rafeinda. Hins vegar inniheldur kjarna einnig nifteindir, agnir án hleðslu. Ef við breytum fjölda þeirra í kjarnanum er rafeindaviðmiðunin ekki brotin, en eiginleikar slíkra atóm breytast lítillega. Að auki gerist það að þyngri samsætan er geislavirk og hefur tilhneigingu til að rotna, en venjulegt efni er algjörlega stöðugt. Listinn yfir þætti og samsætur þeirra, sem Mossbauer áhrifin er einkennandi, er algerlega steypuleg. Greiningin á ⁵⁷ Fe, til dæmis, er venjulega treyst einmitt í þessu fyrirbæri.

Notkun skammtaáhrifa

Til að gera tilraun þar sem eitt eða annað tilgáta varðandi microworld er staðfest er oft erfitt. Að auki er óljóst hvaða ávinningur getur haft sömu áhrif Mossbauer? Umsóknin er hins vegar nógu breiður. Rannsókn á eiginleikum kristalla efna, myndlausra stofnana og fínt mulið duft á sér stað, þ.mt með hjálp þessarar skammtabreytingar. Slík gögn eru nauðsynleg bæði í köflum sem eru nógu stór frá starfi (fræðileg eðlisfræði) og í mjög nánum greinum - til dæmis lyf. Þannig ætti Mössbauer áhrif og umsókn þess að líta á sem dæmi um fræðilega uppgötvun, sem veldur mikilli gagnsemi jafnvel í daglegu lífi.