Hiệu ứng mössbauer: ảnh hưởng của việc khám phá và ý nghĩa của nó

Bài báo nói về những gì các hiệu ứng mössbauer. Cũng tiết lộ những khái niệm như mức lượng tử năng lượng trong một nguyên tử và hạt nhân nguyên tử, rắn và quasiparticle tập thể trong đó.

vui toán học

Một bước đột phá trong vật lý xảy ra trong thập niên đầu của thế kỷ XX, các nhà khoa học đòi hỏi kiến thức nghiêm trọng trong toán học. Nhiều khám phá đã được rút, có thể nói, trên mũi của bút: lúc đầu họ đã tính toán lý thuyết và sau đó tìm thấy trong thực tế.

Ví dụ, sự tồn tại của sóng hấp dẫn dự đoán của Einstein vào năm 1910, có thể khẳng định bằng thực nghiệm chỉ trong năm 2016. Việc sáp nhập của hai ngôi sao neutron đã tạo ra run không gian vật lý trên cạn bị bắt và cố định bằng cách mở kỷ nguyên của phép đo hấp dẫn trong khoa học của nhân loại. Không có thắc mắc trọng đề cập ở đây: cụ thể là cho các nghiên cứu như vậy là giá trị hiệu ứng mössbauer. Nhưng điều này là ngoại lệ hơn là quy tắc. Thông thường, lý thuyết và thực nghiệm bước trên đôi giày cao gót của nhau, một nghiên cứu đã dẫn đến sự cần thiết của mô tả toán học của nó, và kết luận bất lợi trở nên giả định mới, không phụ thuộc chưa nhận được. hiệu ứng mössbauer là một trong những hiện tượng như vậy. hiện tượng "mặt" Đó là giả định và Max Planck bày tỏ vào cuối năm 1900. Nó nói rằng trong thế giới của các electron và hạt nhân nguyên tử, tất cả số lượng chỉ có thể lấy các giá trị rời rạc, có nghĩa là lượng tử hóa. Và, theo ý kiến riêng của mình, đó chỉ là một thủ thuật toán học, khiến cho việc tính toán dễ dàng hơn. Cho đến cuối đời, ông tin rằng lượng tử, hoặc phần nhỏ nhất có thể, ví dụ, ánh sáng - chỉ cách thích hợp để mô tả, không mang theo một cảm giác thể chất nghiêm trọng.

Thế giới lượng tử

Tuy nhiên, các học giả khác quan tâm đến một mô tả đầy đủ về những gì đang xảy ra trên quy mô của các nguyên tử, được coi là tiềm năng của một kết luận như vậy, và lấy nó đương nhiên cho rằng tất cả mọi thứ là lượng tử hóa. Các electron xung quanh hạt nhân chỉ có thể trên quỹ đạo nhất định hạt nhân mình chỉ có thể có mức năng lượng cụ thể. Bỏ qua therebetween, hạt nhân tạo ra tia gamma. hiệu ứng mössbauer lập luận rằng hành động nên sản xuất một loại trở lại, nhưng điều này không xảy ra. Nói chung, tất cả các đại lượng mô tả hành vi của các nanoworld này tùy thuộc vào lượng tử - đó là rời rạc. Nhưng đừng quên rằng đà rằng trong thế giới vĩ mô được thể hiện như là sản phẩm của tỷ lệ khối lượng để các hạt cơ bản là một cái gì đó hoàn toàn khác nhau, có nghĩa là ông cũng là lượng tử hóa. Vì vậy mà báo cáo khoa học, trong đó Maks Plank có nguồn gốc công thức nổi tiếng của ông có chứa các giá trị của h, hoặc ảnh hưởng tối thiểu, mở ra một kỷ nguyên mới. Đây là thời đại của vật lý lượng tử. Hiệu ứng mössbauer, giải thích, mà sau này được trao cho hiện tượng này, đã trở thành một trong những cột mốc quan trọng nhất của khoa học của thế kỷ XX.

Việc phát hiện ra các hiệu ứng mössbauer

Như chúng ta đã nói ở trên, các kết luận lý thuyết đi đôi với thực nghiệm. Một số kết luận thực tiễn chứng minh trên thực vật thu thập theo nghĩa đen "trên đầu gối" và ra khỏi vật liệu phế liệu. Các nhà khoa học đã có thể không chỉ hiển thị các công thức, mà còn niêm phong bình, cắt bảng để làm việc với kim loại và thu thập quá trình cài đặt. Tất nhiên, người đứng đầu phòng thí nghiệm chỉ tóm tắt các kết quả của phường của họ. Tuy nhiên, mỗi thí nghiệm cũng là một kỹ sư, như các thiết bị được thiết kế cho mục đích cụ thể và trực tiếp trong quá trình nghiên cứu. Tôi cũng không ngoại lệ và các hiệu ứng mössbauer. Mở nó sẽ không xảy ra nếu một tiến sĩ bướng bỉnh Rudolf Mößbauer không thay đổi phương pháp đo đơn vị làm mát, thay vì làm nó nóng lên, như cố vấn bởi người giám sát nghiên cứu.

chắc

Lý thuyết, mà chúng tôi sẽ thông báo cho các độc giả trong phần này, có vẻ như rõ ràng ở cái nhìn đầu tiên. Tuy nhiên, cũng được biết đến, dễ dàng để luôn đạt được những nỗ lực đáng kinh ngạc. Và vì vậy chúng tôi hiện nay có thể nói bằng lời đơn giản những gì các hiệu ứng mössbauer cho Dummies theo nghĩa đen, đã từng làm việc toàn bộ phòng thí nghiệm.

Dưới sự rắn thường có nghĩa là một chất trong trạng thái tinh thể. Các hạt nhân của các nguyên tử trong trường hợp này tạo thành một mạng định kỳ nghiêm ngặt, trong khi đó các electron ở các mức độ khác nhau tóm tắt. Tất nhiên, các tinh thể kim loại hình thành trái phiếu bằng kim loại rất cụ thể thông qua đó các hạt nhân tồn tại như tách ra khỏi các electron tổng quát. Đám mây electron sống của pháp luật độc lập, không chú ý đến hành vi của các mạng tinh thể. Các tinh thể mà trình bày liên kết ion và cộng hóa trị truyền thống hơn, các electron liên kết chặt chẽ hơn với hạt nhân "của họ". Nhưng có họ được tự do di chuyển giữa các nút lân cận hơn trong chất khí hoặc chất lỏng.

thiết lập các thuộc tính vững chắc không chỉ là nguyên tố hóa học mà là ở họ, mà còn đối xứng của sự sắp xếp của các nguyên tử tương đối với nhau. Trong ví dụ điển hình của một cấu trúc carbon tạo graphite mềm, và người kia - vật liệu tự nhiên khó khăn nhất - kim cương. Vì vậy, loại kết nối, và đối xứng của ô mạng cơ sở có ý nghĩa với một cơ thể cứng nhắc. Các đặc tính của chất rắn và nó là việc tiết lộ những gì các hiệu ứng mössbauer. bản chất của nó được giải thích như sau: tất cả các nguyên tử trong chất rắn có liên quan.

giả hạt tập thể

Bây giờ hãy tưởng tượng một lưới ba chiều đủ lớn. Đối với mô hình muối phù hợp nhất: Na và Cl được đặt tại các đỉnh của khối, từng người một. Nếu bằng cách nào đó lấy một nguyên tử và kéo anh ấy để phá vỡ nơi quen thuộc của sự cân bằng, nhờ vào một kết nối đủ cứng nhắc, sau đó kéo các nguyên tử lân cận. Các tính toán cho thấy sự thay đổi ở vị trí của lõi có ít nhất bất kỳ tác động đáng kể đối với những người hàng xóm của lệnh thứ ba. Điều này có nghĩa rằng nếu "lấy" natri, sau đó kéo láng giềng nguyên tử clo, các nguyên tử natri sau anh trở thành một lớp ngoài cùng của clo. Tác động của việc này là khả năng được mở rộng theo mọi hướng. Nó thường được nói rằng những người hàng xóm nhiễu loạn thứ tư đặt hàng là không đáng kể. Tuy nhiên, họ không phải là zero.

Do đó, nếu bằng cách nào đó "gõ" tinh mạnh hơn (ví dụ, để gửi cho anh một chùm tia laser hoặc điện tử), các mạng tinh thể sẽ "sóng". phong trào tập thể như vậy khi nhiều nguyên tử láng giềng trong tinh thể đồng thời chuyển cảm nhận, ví dụ, lên hoặc xuống, gọi là phonon. Sẵn để mô tả những gì các hiệu ứng mössbauer cho núm vú cao su, chúng tôi sẽ không đi vào chi tiết và chỉ cho bạn biết rằng các phonon đã được tìm thấy để hành xử như hạt tiểu học. Ví dụ, năng lượng của họ là lượng tử hóa, họ có động lực bước sóng và có thể tương tác với nhau. Do đó, các phonon được gọi là giả hạt tập thể. số lượng và chất lượng của cơ thể rắn của họ được đưa ra một cấu trúc trong đó chúng xảy ra. Tính nó có thể được, biết kích thước, đối xứng và các loại nguyên tử của tế bào đơn vị. Về sự xuất hiện của phonon cũng ảnh hưởng đến độ dài và kiểu liên kết giữa các ion trong mạng tinh thể.

lý thuyết ban nhạc

Kể từ rắn tóm tắt tất cả các electron của nó, và quỹ đạo (và do đó năng lượng của họ) nên cũng được khái quát hóa. Trước hết, chúng ta phải nhớ rằng các electron thuộc lớp này của các hạt gọi là fermion. Fermi, Dirac và Pauli cùng phát hiện ra rằng trong một trạng thái có thể trong hệ thống, chỉ có một hạt như vậy. Nếu chúng ta trở lại với ví dụ về muối, mỗi tinh thể, mà chúng tôi rắc súp hoặc thịt, bao gồm một số lượng đáng kinh ngạc của các ion natri và clorua. Và mỗi người trong số họ có cùng số electron, mà xoay trên quỹ đạo giống hệt nhau. Làm thế nào có thể được? Một rắn đi ra khỏi tình trạng này như sau: năng lượng của mỗi electron quay quanh xung quanh hạt nhân, một chút khác biệt so với bất kỳ electron năng lượng khác thuộc quỹ đạo cùng của nguyên tử khác. Do đó nó thu được: trong tinh thể tồn tại mức năng lượng cực kỳ nhiều mà khác với nhau đủ nhỏ để tạo thành một khu vực nén. Các nhiễu loạn mà giới thiệu phonon nhỏ vì một dãy nguyên tử không phải là rất mạnh mẽ. Tất cả những vấn đề là chuyển động tập thể như một toàn thể. Do đó, năng lượng phonon, vì nó đã được "hòa tan" trong lĩnh vực năng lượng. Dựa trên điều này và các hiệu ứng mössbauer.

quy mô điện từ

Sự chuyển động của hạt mang điện tích được đi kèm bởi một trường điện từ. Thực tế này đặt, ví dụ, câu hỏi về lý do tại sao một hành tinh và vệ tinh có họ, trong khi những người khác - không. sóng điện từ có thể được chia thành các lớp học theo tần số của họ và do đó năng lượng. Hai đặc điểm là kết nối với nhau và phụ thuộc vào bước sóng. Có gì là hiệu ứng mössbauer có thể chỉ một thời gian ngắn, với điều kiện là người đọc hiểu nơi quy mô điện tọa lạc bức xạ gamma. Vì vậy, mở ra quy mô sóng. Về mặt lý thuyết hạn chế bước sóng của họ - Kích thước vũ trụ. Tuy nhiên, năng lượng bức xạ như vậy sẽ quá nhỏ mà nó là không thể để đăng ký. tần số cao hơn một chút trong bức xạ terahertz. Tuy nhiên, nó là, và các sóng radio được quan sát trong điều kiện rất cụ thể: sự ức chế của các electron trong một từ trường, rung động uốn của polyme, sự chuyển động của exciton trong chất rắn. Hơn rõ ràng phần tiếp theo của quang phổ điện từ - bức xạ hồng ngoại. Nó chuyển năng lượng dưới dạng nhiệt. năng lượng còn cao hơn của ánh sáng nhìn thấy được. Đó là một phần của quang phổ mà mắt người nhìn thấy là rất nhỏ so với toàn bộ quy mô.

ánh sáng đỏ có năng lượng thấp nhất, và tím - mức cao nhất. Trong mối liên hệ này, nó được biết đến nghịch lý: nước lạnh hơn được chỉ định trong xanh, có năng lượng cao hơn so với ánh sáng màu đỏ. Sau đó phần cực tím của quy mô điện từ đã có một tần số đủ cao để thâm nhập vào một chất rắn. Mặc dù thực tế rằng mọi người, giống như sinh vật sống khác trên hành tinh của chúng ta, không cảm nhận được ánh sáng cực tím, tầm quan trọng của nó đối với các hoạt động đúng đắn của cơ thể sinh vật là rất lớn. Các nguồn chính của nghiên cứu tia cực tím là ánh mặt trời. năng lượng cao hơn và khả năng thâm nhập vào nhiều chất có X-ray. Nguồn gốc của bức xạ đó là sự giảm tốc của các electron trong các lĩnh vực điện từ. Các electron có thể được cả ràng buộc, ví dụ: thuộc về nguyên tử và miễn phí. Các thiết bị y tế là các thiết bị của electron tự do. Cuối cùng, khó khăn nhất và hầu hết các sóng ngắn là bức xạ gamma.

X-quang và gamma

hiệu ứng mössbauer và ứng dụng của nó trong vật lý và kỹ thuật cần phải phân biệt giữa tia gamma và tia X. Bởi mức độ năng lượng, và theo đó, bước sóng họ đang ở trong một phạm vi rất rộng của chồng lên nhau. Đó là, có một gamma và tia X có bước sóng 5 picômét. phương pháp khác nhau để chuẩn bị của họ. Như đã giải thích ở trên, X-bức xạ xảy ra khi giảm tốc của các electron. Hơn nữa, trong một số quá trình (bao gồm hạt nhân) sẽ biến mất electron ra khỏi vỏ bên trong nguyên tử đủ nặng, chẳng hạn như uranium. Tuy nhiên, các electron khác có xu hướng diễn ra của mình. chuyển tiếp như vậy, và trở thành một nguồn tia X. tia gamma là kết quả của hạt nhân chuyển tiếp từ một trạng thái kích thích cao hơn. bức xạ này có khả năng cao thâm và ion hóa các nguyên tử mà tương tác. Trong đó khi tia gamma va chạm với hạt nhân của một nguyên tử, thì phải có một cái gọi là giật. Tuy nhiên, trong thực tế nó bật ra rằng sự tương tác của các tia gamma với hạt nhân của một nguyên tử thuộc cơ thể cứng nhắc, tác động là mất tích. Này được giải thích bởi thực tế là năng lượng bổ sung, vì nó đã được "bôi bẩn" ban nhạc điện tử của tinh thể, tạo ra một phonon.

đồng vị

hiệu ứng mössbauer và ứng dụng của nó có liên quan chặt chẽ với một thực tế đáng ngạc nhiên: hiện tượng này không hoạt động trên tất cả các nguyên tố hóa học của bảng tuần hoàn. Hơn nữa, nó chỉ có ý nghĩa đối với một số chất đồng vị. Nếu người đọc là đột nhiên bị lãng quên các đồng vị gì thu hồi. Được biết, bất kỳ nguyên tử nhất định là trung hòa về điện. Điều này có nghĩa rằng trong hạt nhân của proton tích cực càng nhiều càng tốt trong vỏ electron. Tuy nhiên, cốt lõi cũng chứa một neutron, hạt miễn phí. Nếu bạn thay đổi số trong nhân, trung lập điện không được vi phạm, nhưng các thuộc tính của nguyên tử đã thay đổi một chút. Ngoài ra, nó sẽ xảy ra rằng các đồng vị nặng hơn là phóng xạ và dễ bị phân rã, trong khi vật chất thông thường là khá ổn định. Khá một danh sách các yếu tố cụ thể và đồng vị của họ, được đặc trưng bởi sự hiệu ứng mössbauer. Phát hiện ⁵⁷ Fe, ví dụ, thường được tin cậy bởi hiện tượng này.

Việc sử dụng các hiệu ứng lượng tử

kinh nghiệm sản, mà được xác nhận bởi một hoặc giả thuyết khác liên quan đến thế giới vi mô, nó thường là không dễ dàng. Bên cạnh đó, nó không rõ ràng những lợi ích có thể mang lại tác dụng tương tự Mossbauer? Việc sử dụng của nó, tuy nhiên, là đủ rộng. Điều tra thuộc tính của tinh thể vật liệu, kết tinh chất rắn và bột mịn nghiền xảy ra, kể cả thông qua hiện tượng lượng tử này. Những dữ liệu này được yêu cầu trong khá xa từ các phần thực hành (vật lý lý thuyết), và ở rất gần kỷ luật người đàn ông - chẳng hạn như y học. Như vậy, hiệu ứng mössbauer và việc sử dụng nó nên được coi là một ví dụ về khám phá lý thuyết, mang lại rất nhiều lợi ích, ngay cả trong cuộc sống hàng ngày.