/ / אפקט מוסבאוור: גילוי ההשפעה ומשמעותה

השפעת מוסבאוור: גילוי ההשפעה ומשמעותה

המאמר מספר מה אפקט מוסבאוור. וגם מושגים כגון קוואנטום, רמת האנרגיה באטום וגרעין אטומי, גוף מוצק, quasiparticles קולקטיבית בו מתגלות.

כיף מתמטי

אפקט Mössbauer

פריצת דרך בפיסיקה, שהתרחשה הראשוןאת העשור של המאה העשרים, דרש מן המדענים ידע רציני במתמטיקה. תגליות רבות נעשו, על קצה העט: הם היו הראשונים מחושב תיאורטית ורק מאוחר יותר נמצא בפועל.

לדוגמה, נוכחות של גלי כבידה,שצפו על ידי איינשטיין ב -1910, הצליחו לאשר את הניסוי רק ב -2016. ההיתוך של שני כוכבי נויטרונים הוליד רעד של חלל שהפיסיקאים הארציים תפסו והקלטו, פותחים עידן של כוח כבידה במדע האנושות. זה לא לחינם כי הכבידה מוזכר כאן: זה עבור מחקרים כאלה כי אפקט Moussebauer הוא משמעותי. אבל זה חריג יותר מאשר הכלל. לרוב, תיאורטיקאים וניסויים מתקדמים על עקביו של האחר: מחקר אחד יצר את הצורך בתיאור המתמטי שלו, והמסקנות הצדדיות היו ההנחה של תלות חדשה, שעדיין לא הושגה. השפעת מוסבאוור התבררה כאחת מתופעות כאלה. תופעה "מקרית" כזו היתה ההנחה של מקס פלאנק, שהושמעה בסוף 1900. הוא אמר כי בעולם של אלקטרונים גרעיני אטומי כל כמויות יכול לקחת רק ערכים נפרדים, כלומר, לכמת. יתר על כן, על פי ההרשעה שלו, זה היה רק ​​טריק מתמטי, מה שעשה את החישובים נוח יותר. עד סוף ימיו הוא האמין שהקוואנטום, או החלק הקטן ביותר, כגון אור, הוא רק דרך מתאימה לתיאור, שאינה נושאת משמעות פיזית רצינית.

העולם הקוונטי

השפעת מוסבאוור ויישומה

עם זאת, מדענים אחרים מעונייניםתיאור נאות של מה שקורה בקנה מידה של האטום, נחשב פוטנציאל של מסקנה כזו ולקח את האקסיומה כי הכל הוא quantised. אלקטרונים סביב גרעינים יכולים להיות רק במסלולים מסוימים, הגרעין האטומי עצמו יכול להיות רק רמות אנרגיה ספציפיות. קפיצה ביניהם, הגרעינים ליצור quanta גמא. האפקט של Mussbauer קובע כי פעולה זו צריכה ליצור סוג של לחזור, אבל זה לא קורה. באופן כללי, כל כמויות המתארות את ההתנהגות של nanoworld כפופים קוונטיזציה - כלומר, בדידה. עם זאת, אל לנו לשכוח כי הדחף, אשר במרקוסמוס באה לידי ביטוי כמוצר של מסה לכל מהירות, עבור חלקיק היסודי הוא משהו שונה במהותו, ולכן הוא גם לכמת. כך שבמדע, הדו"ח שעליו הקים מקס פלאנק את הנוסחה המפורסמת שלו, שהכילה את ערך השעה, או את הפעולה המינימלית, פתח תקופה חדשה. זה היה עידן של פיזיקה קוונטית. השפעת מוסבאוור, הפרשנות שניתנה לאחר מכן לתופעה זו, הפכה לאחת מנקודות הציון החשובות ביותר של המדע במאה העשרים.

גילוי השפעת מוסבאוור

אפקט Mössbauer עבור dummies

כפי שציינו לעיל, המסקנות התיאורטיותהלך יד ביד עם הניסוי. כמה מסקנות מעשיות הוכחו במתקנים שהתאספו "על הברך", פשוטו כמשמעו, ומחומרים מאולתרים. המדענים צריכים להיות מסוגלים לא רק לגזור נוסחאות, אלא גם לרתך נורות, ניסור לוחות, עבודה עם מתכת להרכיב צמחים. כמובן, ראשי המעבדות רק כללו את תוצאות מחלקותיהם. עם זאת, כל הנסיין היה גם מהנדס, שכן המכשירים נועדו למטרות ספציפיות ישירות בתהליך המחקר. אפקט Moussebauer לא היה יוצא מן הכלל. פתיחתו לא היתה מתרחשת אם הדוקטורנט העקשן רודולף מסבאואר לא שינה את דרך המדידה, קירר את המתקן, במקום לחמם אותו, כפי שהמליץ ​​עליו המפקח.

גוף מוצק

ערך אפקט Mössbauer

תיאוריה, אשר אנו אומרים לקוראים את זהסעיף, במבט ראשון נראה מובן. עם זאת, כידוע, קלילות תמיד משיגה מאמצים מדהימים. וכדי שנוכל לומר במלים פשוטות מה ההשפעה של Müssbauer היא עבור קומקומים, פשוטו כמשמעו, מעבדות שלמות פעם עבד.

על ידי מוצק הוא התכוון בדרך כלל את החומר.במצב גבישי. במקרה זה, הגרעין האטומי יוצר סריג תקופתי קפדני, בעוד האלקטרונים הם במידה מסוימת generalised. כמובן שבגבישים של מתכות נוצר קשר מתכתי ספציפי מאוד, שבזכותו הגרעינים קיימים כאילו בנפרד מהאלקטרונים הכלליים. ענן האלקטרון חי על פי חוקים עצמאיים משלו, ולא שם לב להתנהגות של רשת הסריג. בגבישים, בהם קיימים קשרים יוניים מסורתיים וקוולנטיים יותר, האלקטרונים קשורים באופן הדוק יותר לגרעין "שלהם". עם זאת, שם הם נעים באופן חופשי יותר בין הצמתים השכנים מאשר בגז או נוזלי.

מאפייני מצב מוצק לא רק מוגדריםיסודות כימיים שהם כוללים, אבל גם את הסימטריה של הסדר של אטומים ביחס זה לזה. בדוגמה הקלאסית של פחמן, מבנה אחד מעורר גרפית רכה, והשני - החומר הטבעי הקשה ביותר - יהלום. אז סוג של המתחם ואת הסימטריה של תא היחידה אומר הרבה מוצק. במאפיינים של גוף מוצק טמון גילוי של מה אפקט Mössbauer הוא. אופיו מוסבר כך: כל האטומים במצב מוצק מחוברים.

קיבוצי חלקיקים

פתיחת אפקט Mössbauer

עכשיו לדמיין מספיק גדולתלת מימדי. מלח הוא המתאים ביותר עבור המודל: Na ו Cl ממוקמים בראש הקוביות, להחליף אחד את השני. אם איכשהו לתפוס אטום אחד ולמשוך אותו, להזיז אותו מן המקום הרגיל של שיווי המשקל, הודות הקשר הדוק למדי, ואחריו אטומים שכנים. חישובים מראים כי שינוי במיקום של גרעין יחיד יש לפחות השפעה משמעותית על שכבות הסדר השלישי. משמעות הדבר היא שאם אתה "לתפוס" נתרן, זה יהיה משך על ידי אטומי כלור השכנה, אטומי הנתרן הבאים זה, ועוד שכבה הרחוקה ביותר של כלור. ההשפעה של זה, כמובן, יתפשט לכל הכיוונים. אומרים בדרך כלל שהפרעות בשכנות מסדר רביעי הן זניחות. עם זאת, הם לא אפס.

לכן, אם בדרך כלשהי "מכה"הגביש הוא חזק יותר (לדוגמה, כדי לשלוח לייזר או קרן אלקטרונים אליו), קריסטל הסריג ילך "גלים". תנועות קולקטיביות כאלה, כאשר אטומים שכנים רבים של גביש בו זמנית חווים קיזוז, למשל, למעלה או למטה, נקראים פונונים. כדי לתאר את השפעתו של מוסבאוור על קנקני התה, לא נלך לפרטים ונאמר לך שפונונים, כפי שהתברר, מתנהגים כמו חלקיקים בסיסיים. לדוגמה, האנרגיה שלהם הוא quantized, יש להם אורך גל, דחף, והם מסוגלים לתקשר אחד עם השני. לפיכך, הפונונים נקראים quasiparticles. כמותם ואיכותם נקבעים על פי מבנה הגוף המוצק שבו הם מתעוררים. אתה יכול לחשב את זה, לדעת את הגודל, סימטריה וסוגים של אטומים של תא יחידה. המופע של פונונים מושפע גם על ידי אורך וסוגים של קשרים בין יונים בסריג הגביש.

תורת הלהקה

פרשנות אפקט Mössbauer

מאז גוף מוצק מסכם את כל האלקטרונים שלה,אז את האורביטלים (ולכן האנרגיות שלהם) חייב להיות גם generalised. ראשית עלינו לזכור כי האלקטרונים שייכים לקבוצה זו של חלקיקים הנקראים פרמיונים. פרמי, דיראק ופאולי גילו במשותף כי רק חלקיק אחד מסוג זה יכול להיות באותה מדינה במערכת זו. אם אתה חוזר לדוגמה של מלח, אז כל גביש שבו אנו מפזרים מרק או בשר מכיל כמות מדהימה של יונים נתרן כלור. ולכל אחד מהם יש אותו מספר של אלקטרונים המסתובבים במסלולים זהים. איך להיות? גוף מוצק עולה מהמצב כדלקמן: האנרגיה של כל אלקטרונים המקיפים את הגרעין שונה במקצת מאנרגיה של כל אלקטרונים אחרים השייכים לאותו מסלול של אטום אחר. לפיכך, מתברר: בגביש יש רמות אנרגיה רבות להפליא זה מזה זה מזה כל כך מעט שהם יוצרים אזור דחוס. הפרעות שהפונונים מציגים הן קטנות, כיוון שאטום אחד אינו מתנדנד הרבה. מה שחשוב הוא התנועה הקולקטיבית כולה. לכן, האנרגיה phonon הוא "מומס" באנרגיה של האזור. זהו הבסיס לאפקט מוסבאוור.

סולם אלקטרומגנטי

התנועה של חלקיקים טעונים מלווהאת הופעתה של שדה אלקטרומגנטי. עובדה זו מעלה, למשל, את השאלה מדוע כוכב לכת אחד והלוויינים שלו מחזיקים בו, בעוד שאחרים אינם. גלים אלקטרומגנטיים ניתן לחלק לכיתות על פי תדירות שלהם, בהתאם, אנרגיה. שני מאפיינים אלה קשורים זה לזה, וגם תלויים באורך הגל. מהו אפקט Mössbauer ניתן להסביר בקצרה רק אם הקורא מבין איפה קרינת גמא נמצא על סולם אלקטרומגנטי. אז, לפתוח את הרדיו גל בקנה מידה. תיאורטית, את גבול אורך הגל שלהם הוא בגודל של היקום. עם זאת, האנרגיה של פליטות כאלה יהיה נמוך כל כך שזה לא יכול להיות רשום. תדירות קרינת טרהרץ גבוהה במעט. עם זאת, הן גלי רדיו הם נצפו בתנאים ספציפיים מאוד: האטה של ​​אלקטרונים בשדה מגנטי, כיפוף תנודות של פולימרים, תנועה של excitons מוצק. החלק הבא של הספקטרום האלקטרומגנטי הוא מובן יותר - קרינה אינפרא אדום. הוא משדר אנרגיה בצורת חום. אפילו אנרגיה גבוהה יותר קרינה גלוי. חלק זה של הספקטרום שהעין האנושית תופסת הוא קטן מאוד בהשוואה לכל הסולם.

יישום Mössbauer אפקט

האור האדום נושא את האנרגיה הנמוכה ביותרסגול הוא הגדול ביותר. במובן זה, ידוע פרדוקס: מים קרים יותר מסומנים בכחול, שאנרגיה גבוהה מזו של קרינה אדומה. בעקבות זאת, את החלק האולטרה סגול של סולם אלקטרומגנטי כבר יש תדר גבוה מספיק כדי לחדור מוצק. למרות העובדה שאנשים, כמו יצורים חיים אחרים של הפלנטה שלנו, אינם תופסים אור אולטרה סגול, חשיבותה לתפקוד תקין של אורגניזמים ביולוגיים היא עצומה. המקור העיקרי של מחקר אולטרה סגול הוא השמש. אנרגיה גבוהה יותר ואת היכולת לחדור חומרים רבים יש צילומי רנטגן. מקור הקרינה הוא האטה של ​​אלקטרונים בשדות אלקטרומגנטיים. במקרה זה, אלקטרונים יכולים להיות שניהם קשורים, כלומר, שייכים לאטומים, וחופשיים. במכשירים רפואיים הם מכשירים על אלקטרונים חופשיים. לבסוף, אורך הגל הקצר והקצר ביותר הוא קרינת גמא.

רנטגן וגמא

השפעת Mössbauer ויישומה בפיזיקההטכניקה דורשת הבחנה בין קרני גמא וצילומי רנטגן. על פי רמת האנרגיה, ולפיכך אורך הגל, הם חופפים בספקטרום רחב מאוד. כלומר, יש גמא צילומי רנטגן עם אורך של 5 picometers. ישנן דרכים שונות להשיג אותם. כפי שכבר הסביר לעיל, קרינת רנטגן מתרחשת כאשר האלקטרונים הם בלמים. בנוסף, בכמה תהליכים (כולל גרעיני), אלקטרון נעלם מן הקונכייה הפנימית של אטום כבד למדי, למשל, אורניום. במקרה זה, אלקטרונים אחרים נוטים לתפוס את מקומה. מעברים כאלה ולהיות מקור קרינה רנטגן. גמא קוואנטה הם תוצאה של מעברים של הגרעין עצמו ממצב נרגש יותר. לקרינה זו יש יכולת חודרת גבוהה ומייננת את האטומים שבהם היא פועלת. יחד עם זאת, כאשר קוואנטום גמא מתנגש עם גרעין האטום, הרתעה כביכול חייבת להיות נוכחת. עם זאת, בפועל התברר כי האינטראקציה של קוונטית גמא עם הגרעין האטומי השייכים לגוף מוצק נעדר. זה מוסבר על ידי העובדה כי האנרגיה הנוספת היא "מרוח" כפי שהיה באזורי האלקטרוניקה של הגביש, יצירת פון.

איזוטופים

השפעת Mössbauer ויישומה קשורים זה לזה.עם עובדה מפתיעה אחת: התופעה אינה משפיעה על כל האלמנטים הכימיים של הטבלה המחזורית. יתר על כן, הוא חיוני רק עבור איזוטופים מסוימים של חומרים. אם הקורא פתאום שכח מה הם איזוטופים, אנחנו זוכרים. זה ידוע כי כל אטום יחיד הוא ניטרלי חשמלית. משמעות הדבר היא כי ישנם פרוטונים חיוביים רבים בגרעין כמו יש אלקטרונים בקליפה. עם זאת, הגרעין מכיל גם נייטרונים, חלקיקים ללא תשלום. אם תשנה את מספרם בגרעין, אלקטרו-ניטרליות לא תופר, אבל המאפיינים של אטום כזה ישתנו מעט. בנוסף, קורה כי האיזוטופ הכבד יותר הוא רדיואקטיבי ונוטה להתפורר, בעוד החומר הרגיל הוא יציב למדי. רשימת היסודות והאיזוטופים שלהם, המאפיינים את אפקט ה- Mössbauer, מאופיינת לחלוטין. איתור 57Fe, למשל, בדרך כלל לסמוך בדיוק על תופעה זו.

היתרונות של תופעות קוונטיות

בצע ניסוי המאשר זאת אוהיפותזה נוספת הקשורה לעולם המיקרו היא לעתים קרובות קשה. חוץ מזה, לא ברור מה לטובת אותו אפקט Mössbauer יכול להביא? השימוש בו, לעומת זאת, הוא רחב למדי. המחקר של תכונות של חומרים גבישיים, גופים אמורפיים אבקות אבקות דק מתרחשת, כולל בעזרת תופעה קוונטי זה. נתונים אלה נדרשים הן בחלקים רחוקים מאוד מן הפרקטיקה (פיזיקה תיאורטית) והן בדיסציפלינות שהן קרובות מאוד לאדם, למשל, רפואה. לפיכך, אפקט Mussebauer ויישומו צריך להיחשב כדוגמה של תגלית תיאורטית המביא יתרונות רבים גם בחיי היומיום.

</ p>>
קרא עוד: