Эффект Мёссбауэра

Министерство образования  Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ИМ. Н.Э. БАУМАНА

Факультет «Информатика и  системы управления»

Кафедра «Компьютерные системы  и сети»

 

 

 

Реферат

по курсу физики, на тему:

«Эффект Мессбауэра»

 

 

 

 

 

 

       Выполнил:

Студент гр. АК5-41 ___________ Нанян С.М. 

Оглавление

В преддверии открытия 3

Природа эффекта 4

Интерпретация эффекта 4

Описание 5

Подробное описание 6

Признание и применение эффекта 7

Список литературы 7

 

 

Рудо́льф Лю́двиг Мёссба́уэр - немецкий физик, специалист в физике атомного ядра и элементарных частиц, лауреат Нобелевской премии по физике за 1961 год.

В преддверии открытия

В 1929 В. Кун предположил возможность и осуществил попытку наблюдения резонансного поглощения гамма-лучей как аналога оптической флуоресценции в ядерной физике. Попытки обнаружения резонансного поглощения гамма-квантов в опытах с неподвижными источником и поглотителем излучения не увенчались успехом. Однако работа Куна ценна тем, что в ней этот швейцарский физико-химик постарался проанализировать причины своей неудачи, выделив три основных источника ослабления поглощения:

• тепловое уширение изначально узкой линии ядерного перехода;
• дополнительное уширение в связи с возможной отдачей при испускании β-частиц;
• существенное смещение линии из-за большой энергии отдачи при излучении гамма-фотонов с комментарием:
• … Третий вклад, уменьшающий поглощение, возникает в связи с процессом испускания гамма-луча. Излучающий атом будет испытывать отдачу, обусловленную испусканием гамма-луча. Длина волны излучения, таким образом, испытывает красное смещение; линия испускания смещается относительно линии поглощения… Возможно, поэтому, что из-за значительного гамма-смещения вся линия испускания покидает область линии поглощения… 

Кун здесь, правда, рассматривал только смещение и уширение линии  испускания, не обращая внимания на эффект Доплера и отдачу ядра при  поглощении гамма-фотона.

Мёссба́уэр в 1955—1957 работал над докторской диссертацией, исследуя поглощение гамма лучей на физическом отделении Института медицинских исследований общества Макса Планка (англ.)русск. в Гейдельберге, где впервые наблюдал явление резонансного поглощения γ-лучей без отдачи — ядерный гамма-резонанс. В январе 1958 Мёссбауэр стал стипендиатом-исследователем в Мюнхенском техническом университете (TUM), где под руководством профессора Хайнца Майера-Лейбница он защитил докторскую диссертацию. В том же году в Институте медицинских исследований общества Макса Планка ему удалось получить прямое экспериментальное подтверждение ядерного резонансного поглощения γ-лучей без отдачи.

 

Природа эффекта

При испускании или поглощении гамма-кванта, согласно закону сохранения импульса, свободное ядро массы M получает импульс отдачи p = E0/c и соответствующую этому импульсу энергию отдачи R = p2/(2M). На эту же величину оказывается меньше по сравнению с разностью энергий между ядерными уровнями E0 энергия испущенного гамма-кванта, а резонансное поглощение наблюдается для фотонов с энергией, равной E0 + R. В итоге, для одинаковых ядер линии испускания и поглощения разнесены на величину 2R и условие резонанса может быть выполнено только в случае совмещения этих линий, либо их частичного перекрытия. В газах энергию отдачи получает одно излучающее ядро массы M, тогда как в твёрдых телах помимо процессов, когда за счёт энергии отдачи возбуждаются фононы, при определённых условиях смещение только одного атома или небольшой группы атомов становится невозможным, и отдачу может испытать лишь весь кристалл целиком. Масса кристалла на много порядков больше массы ядра, а значит и величина R становится пренебрежимо малой. В процессах испускания и поглощения гамма-квантов без отдачи энергии фотонов равны с точностью до естественной ширины спектральной линии.

Интерпретация эффекта

В 2000 в журнале Hyperfine Interactions Мёссбауэр дал наглядную интерпретацию эффекта:

Ситуация  напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо́льшую часть энергии согласно закону сохранения импульса получает лёгкий камень, но небольшая часть энергии броска переходит в кинетическую энергию получающей отдачу лодки. Летом лодка просто приобретёт некоторое количество движения, соответствующее отдаче, и отплывёт в направлении, противоположном направлению броска. Однако зимой, когда озеро замерзнет, лодку будет удерживать лёд, и практически вся энергия броска будет передана камню, лодке (вместе с замерзшим озером и его берегами) достанется ничтожная доля энергии броска. Таким образом, отдача будет передаваться не одной только лодке, а целому озеру, и бросок будет производиться «без отдачи».

Если человек натренирован так, что всегда затрачивает на бросок одинаковую энергию, и в цель, расположенную  на удалении, он сможет попасть, стоя на том же расстоянии от неё на твёрдом  грунте, то при броске камня с  лодки отдача будет приводить  к «недобросу». Тепловое уширение в этом представлении соответствует волнению на озере, которое увеличивает разброс прицельно бросаемых камней, а неизбежные собственные невынужденные ошибки спортсмена характеризуются естественным разбросом или кучностью бросков, аналогичными естественной ширине спектральной линии излучения/поглощения и времени жизни соответствующего ей возбуждённого состояния ядра.

Описание

Ядра атомов могут находиться в  основном и возбужденном состояниях. Переход ядра из одного состояния  в другое сопровождается либо поглощением, либо испусканием гамма-кванта коротковолнового рентгеновского излучения (рис. а). Энергия гамма-кванта определяется разностью энергий между основным и возбужденным состояниями ядра атома (E_T ), энергией отдачи ядра (R ~ 10^–1 эВ для свободных атомов) и допплеровским сдвигом (D), вызванным поступательным движением ядра:

E_{испускания} = E_Т – R± D (энергия гамма-квантов, испускаемых источником),

E_{поглощения} = E_Т + R ± D (энергия гамма-квантов, поглощаемых образцом).

Условие резонанса достигается  тогда, когда испускаемый возбужденным ядром гамма-квант будет поглощен ядром, находящимся в основном состоянии:

E_{испускания} ≈ E_{поглощения}.

Графически такое условие может  быть представлено в виде области  перекрывания площадей кривых распределения по энергиям испускаемых и поглощаемых квантов (рис. б). Вероятность резонансного процесса возрастает, если ядро-излучатель и ядро-поглотитель фиксированы в жесткой кристаллической решетке. В этом случае при поглощении фотона энергия отдачи превращается в энергию колебаний кристаллической решетки, т. е. отдачу испытывает все твердое тело. Принимая во внимание, что масса тела бесконечно велика по сравнению с массой отдельного атома, энергия отдачи становится пренебрежимо малой (R ~ 10^–4 эВ).

Эффект резонанса, как правило, наблюдается только в твердом  теле для ядер стабильных изотопов (их насчитывается около 80), наиболее широкое применение среди которых  нашли Fe⁵⁷ и Sn¹¹⁹. Измерения вероятности эффекта Мёссбауэра и ее зависимости от температуры позволяют получить сведения об особенностях взаимодействия атомов в твердых телах и колебаниях кристаллической решетки. Благодаря этому мессбауровский эффект широко применяется как метод исследования твердых тел (см. спектроскопия, мёессбауэровская).

 

Подробное описание   

 Резонансное возбуждение  атомных уровней фотонами от  источника из того же вещества  легко наблюдается. Иначе обстоит  дело для атомных ядер. Это  связано главным образом с  тем, что естественная ширина  R ядерных уровней мала по сравнению с энергией отдачи ядра-излучателя (источника) или ядра-поглотителя (мишени). Например, естественная ширина R первого возбужденного уровня ядра ⁵⁷Fе, расположенного при энергии возбуждения E = 14.4 кэВ, равна / = 4.6·10^-9 эВ (измеренное среднее время жизни  = 98 нc), тогда как при испускании и при поглощении -квантов это ядро приобретает энергию отдачи T_R ~ Е²/2Мс² ~ 0.02 эВ (где М - масса атома ⁵⁷Fе).  
Резонансное поглощение может иметь место только в том случае, когда энергия отдачи ядра R меньше ширины ядерного уровня Мессбауэр исследуя явление резонансного поглощения -квантов понизил температуру источника и обнаружил, что число поглощенных фотонов существенно увеличилось, то есть наблюдалось резонансное поглощение -квантов. Качественно это можно объяснить тем, что в этом случае импульс отдачи получало не отдельное ядро, а весь кристалл, в котором находились ядра, испускающие -кванты. При переходе от свободных атомов к атомам связанных в кристаллической решетке ситуация меняется. С уменьшением температуры источника увеличивается относительное число ядерных переходов с передачей импульса отдачи всему кристаллу. Условия для этого тем благоприятнее, чем ниже температура кристалла и энергия перехода  
    Отмеченное явление, получившее название эффекта Мессбауэра, сразу же было применено для измерения ширины уровней и для проверки соотношения Г = /. Чтобы наблюдать резонансное поглощение мишенью из ⁵⁷Fе -квантов, испускаемых источником из ⁵⁷Fе, нужно скомпенсировать энергию отдачи ядра, которая в сумме составляет 2T_R. Если пренебречь естественной шириной уровня, то энергия испускаемых фотонов равна  = Е - T_R, тогда как для того, чтобы наблюдался резонанс, они должны иметь энергию  = Е + T_R. Один из способов такой компенсации состоит в том, что рассматриваемый радиоактивный источник закрепляют на движущемся устройстве и подбирают скорость так, чтобы разница 2T_R компенсировалась за счет эффекта Доплера. Для этого достаточно укрепить исследуемый источник на подвижной каретке и изменять ее скорость v так, чтобы за счет эффекта Доплера сдвинуть линию резонансного поглощения в нужную сторону. Между детектором и источником помещают поглотитель того же изотопического состава, что и источник, как показано на рис.1. В отсутствие отдачи резонансное поглощение должно происходить при v = 0. В этом случае число фотонов, регистрируемое детектором, будет минимально, так как фотоны, претерпевшие резонансное поглощение в поглотителе, затем повторно испускаются в разных направлениях и выбывают из прошедшего пучка. При изменении скорости v изменяется доплеровское смещение линии испускания относительно линии поглощения и в результате записывается контур линии, как показано на рис. 2. Ширина ядерных уровней столь мала, что источник нужно перемещать со скоростью, составляющей всего лишь десятые доли сантиметра в секунду.

 

Признание и применение эффекта

1961 году за открытие  и теоретическое обоснование  явления ядерного гамма-резонанса  Р. Л. Мёссбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике (совместно с Р. Хофштадтером, получившим премию за свои исследования рассеяния электронов на ядрах).

Метод ядерного гамма-резонанса используется в физическом материаловедении, химии, минералогии и биологии (например, при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках). Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца мёссбауэровскими изотопами, повышая, например, содержание 57Fe в пище подопытных животных. В минералогии эффект Мёссбаура применяется главным образом для определения структурного положения ионов Fe и определения степени окисления железа.

Одним из впечатляющих применений эффекта Мёссбауэра стал знаменитый эксперимент Паунда и Ребки, которые в 1960 г. измерили в лабораторных условиях гравитационное смещение гамма-квантов, предсказываемое общей теорией относительности.

Список  литературы

• http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/011.htm
• http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Мёссбауэра
• http://www.sinp.msu.ru/structinc/lib/books/sovr_met2/Lab18.pdf
• http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article2039