Mössbauer: l'effet de la découverte et sa signification

L'article parle de ce que l'effet Mossbauer. Aussi concepts décrits, tels que les niveaux d'énergie quantique à un atome et un noyau atomique, quasiparticle solide et collective qui s'y trouvent.

plaisir mathématique

Une percée en physique qui a eu lieu dans la première décennie du XXe siècle, les scientifiques ont exigé de sérieuses connaissances en mathématiques. De nombreuses découvertes ont été retirées, pour ainsi dire, à la pointe de la plume: au début, ils ont été calculés théoriquement et trouvé dans la pratique.

Par exemple, l'existence d' ondes gravitationnelles prédites par Einstein en 1910, ont pu confirmer expérimentalement qu'en 2016. La fusion de deux étoiles à neutrons a créé un espace de tremblements que la physique terrestre capturé et fixé en ouvrant l'ère des mesures de gravitation dans la science de l'humanité. Pas étonnant gravité mentionné ici: à savoir pour de telles études est la valeur de l'effet Mössbauer. Mais c'est l'exception plutôt que la règle. Le plus souvent, les théoriciens et expérimentateurs marcher sur les autres, une étude talons a donné lieu à la nécessité de sa description mathématique, et la conclusion défavorable devient l'hypothèse de nouvelles dépendances non encore reçu. Mössbauer a été l'un de ces phénomènes. Un tel phénomène « latéral » est l'hypothèse et le Max Planck exprimé à la fin de 1900. Il a dit que dans le monde des électrons et des noyaux atomiques, toutes les quantités ne peuvent prendre des valeurs discrètes, qui est quantifiée. Et, à son avis, il était juste une astuce mathématique, qui a fait le calcul plus facile. Jusqu'à la fin de sa vie, il croyait que le montant ou la plus petite partie possible, par exemple, la lumière – seule façon appropriée de décrire, ne portant pas de sens physique grave.

Le monde quantique

Cependant, d'autres chercheurs intéressés par une description adéquate de ce qui se passe à l'échelle des atomes, considéré comme le potentiel d'une telle conclusion, et a pris pour acquis que tout est quantifiée. Les électrons autour du noyau ne peuvent être sur certaines orbites noyaux eux-mêmes ne peuvent avoir des niveaux d'énergie spécifiques. Sautant entre celles-ci, les noyaux génèrent des rayons gamma. Mössbauer soutient que l'action devrait produire une sorte de retour, mais cela ne se produit pas. En général, toutes les quantités qui décrivent le comportement du nanomonde sont sujets à la quantification – qui est discret. Mais ne pas oublier que l'élan dans le macrocosme est exprimé en tant que produit du taux de la masse des particules élémentaires est quelque chose de fondamentalement différent, ce qui signifie que, lui aussi, est quantifiée. Donc, ce rapport de la science dans laquelle le Maks Plank dérivé sa célèbre formule qui contient la valeur de h ou un effet minime, a ouvert une nouvelle ère. Ce fut l'époque de la physique quantique. Mossbauer effet, l'interprétation, qui a ensuite été donnée à ce phénomène, sont devenus l'une des étapes les plus importantes de la science du XXe siècle.

La découverte de l'effet Mössbauer

Comme nous l'avons indiqué plus haut, les conclusions théoriques vont de pair avec l'expérience. Quelques conclusions pratiques avérées sur les plantes recueillies littéralement « sur le genou » et à partir de matériaux de rebut. Les scientifiques ont été en mesure d'afficher non seulement la formule, mais aussi sceller le flacon, couper la planche à travailler avec le métal et recueillir l'installation. Bien sûr, la tête des laboratoires ne résume que les résultats de leurs quartiers. Cependant, chaque expérimentateur était aussi un ingénieur, comme les appareils sont conçus à des fins spécifiques, et directement dans le processus de recherche. Je ne fait pas exception et l'effet Mossbauer. L'ouverture ne serait pas lieu si un doctorat Rudolf Mossbauer têtu ne change pas la méthode de mesure de l'unité de refroidissement, au lieu de le chauffer, comme conseillé par le superviseur des études.

solide

La théorie que nous allons dire aux lecteurs dans cette section, il semble évident au premier coup d'œil. Cependant, comme il est bien connu, facile à toujours des efforts incroyables réalise. Et donc nous sommes maintenant en mesure de dire avec des mots simples ce que l'effet Mössbauer pour les nuls littéralement, une fois travaillé tout le laboratoire.

Sous le solide on entend habituellement une substance dans un état cristallin. Les noyaux des atomes dans ce cas forment un réseau périodique strict, alors que les électrons à des degrés divers résumés. Bien entendu, les cristaux de métal formés liaison métallique très spécifique à travers lequel existe le noyau à séparer des électrons généralisées. Le nuage d'électrons vit par son droit indépendant, ne pas prêter attention au comportement du réseau cristallin. Les cristaux qui présentent des liaisons ioniques et covalentes plus traditionnels, les électrons plus étroitement associés à « leurs » noyaux. Mais là, ils sont libres de se déplacer entre les noeuds voisins que dans un gaz ou un liquide.

Définir les propriétés solides non seulement les éléments chimiques qui sont en eux, mais aussi la symétrie de l'agencement des atomes par rapport à l'autre. Dans l'exemple classique d'une structure de carbone génère du graphite mou, et l'autre – le plus dur matériau naturel – diamant. Alors, quel type de connexion, et la symétrie de la cellule de l'unité signifie beaucoup à un corps rigide. Les propriétés du solide et il est la divulgation de ce que l'effet Mossbauer. Sa nature est expliquée comme suit: tous les atomes dans un solide sont associés.

quasiparticules collective

Maintenant, imaginez un suffisamment grand réseau tridimensionnel. Pour le modèle le plus approprié sel: Na et Cl sont situés dans les sommets des cubes, l'un après l'autre. Si en quelque sorte saisir un atome et le tirer pour briser le lieu habituel de l'équilibre, grâce à une connexion suffisamment rigide, après avoir tiré les atomes voisins. Les calculs montrent que le changement dans la position du noyau a au moins un impact significatif sur les voisins du troisième ordre. Cela signifie que si la « saisir » sodium, puis tiré voisins des atomes de chlore, des atomes de sodium suivant l'une couche la plus externe du chlore. L'impact de cela est susceptible d'être étendue dans toutes les directions. On dit généralement que la perturbation du quatrième ordre voisins sont négligeables. Cependant, ils ne sont pas nuls.

Par conséquent, si en quelque sorte « frapper » cristal plus fort (par exemple, pour lui envoyer un faisceau laser ou d'électrons), le réseau cristallin seront « vagues ». Un tel mouvement collectif lorsque plusieurs atomes voisins dans le cristal se déplacent simultanément l'impression, par exemple, vers le haut ou vers le bas, appelé phonons. Disponible pour décrire l'effet Mössbauer pour les nuls, nous ne rentrerai pas dans les détails et juste vous dire que les phonons a été trouvé à se comporter comme des particules élémentaires. Par exemple, leur énergie est quantifiée, ils possèdent la dynamique de longueur d'onde et sont capables d'interagir les uns avec les autres. Ainsi, les phonons sont appelés quasiparticules collectives. Leur nombre et la qualité du corps solide est donné une structure dans laquelle ils se produisent. Calculer il peut être, connaître la taille, la symétrie et les types d'atomes de la cellule unitaire. En l'occurrence de phonon affectent également la longueur et le type de liaisons entre les ions dans le réseau cristallin.

théorie des bandes

Depuis solide résume tous ses électrons, et les orbitales (et donc leur énergie) devrait également être généralisée. Tout d'abord, nous devons nous rappeler que les électrons appartiennent à cette classe de particules appelées fermions. Fermi, Dirac et Pauli ainsi constaté que, dans un état pouvant être dans le système, une seule particule. Si nous revenons à l'exemple de sels, chaque cristal, que nous arrosons la soupe ou de viande, comprenant une quantité incroyable d'ions sodium et chlorure. Et chacun d'eux a le même nombre d'électrons qui tournent sur des orbites identiques. Comment cela peut-il être? Un solide sort de la situation de la façon suivante: l'énergie de chaque électron en orbite autour du noyau, un peu différent de tous les autres électrons d'énergie appartenant au même orbite d'un autre atome. Ainsi, il a obtenu: dans le cristal existe des niveaux d'énergie extrêmement beaucoup qui diffèrent les unes des autres suffisamment petites pour former une zone comprimée. Les perturbations qui introduisent phonons petit parce que l'un des plages atomiques ne sont pas très forts. Tout ce qui importe est le mouvement collectif dans son ensemble. Par conséquent, l'énergie de phonon, pour ainsi dire « dissous » dans le domaine de l'énergie. Sur cette base et l'effet Mossbauer.

échelle électromagnétique

Le mouvement des particules chargées est accompagné d'un champ électromagnétique. Ce fait met, par exemple, la question de savoir pourquoi une planète et les satellites les possèdent, tandis que d'autres – non. Les ondes électromagnétiques peuvent être divisées en classes en fonction de leur fréquence et donc d'énergie. Ces deux caractéristiques sont reliées entre elles et dépendent de la longueur d'onde. Quel est l'effet Mossbauer ne peut brièvement, à condition que le lecteur comprenne où l'échelle électromagnétique est situé le rayonnement gamma. Alors, ouvrez l'échelle des ondes. limiter théoriquement leur longueur d'onde – univers dimensions. Cependant, l'énergie d'un tel rayonnement serait si faible qu'il est impossible d'enregistrer. fréquence légèrement plus élevée dans le rayonnement térahertz. Toutefois, il est, et les ondes radio sont observées dans des conditions très particulières: inhibition des électrons dans un champ magnétique, les vibrations de flexion de polymères, le mouvement des excitons dans le solide. Plus clairement partie suivante du spectre électromagnétique – le rayonnement infrarouge. Il transfère l'énergie sous forme de chaleur. énergie encore plus élevée de la lumière visible. Cette partie du spectre qui voit l'oeil humain est très faible par rapport à toute l'échelle.

La lumière rouge a l'énergie la plus basse, et violet – le plus élevé. A cet égard, il est connu paradoxe: l'eau plus froide est indiquée en bleu, dont l'énergie est supérieure à celle de la lumière rouge. Suite à ce que la partie ultraviolette du barème électromagnétique a déjà une fréquence suffisamment élevée pour pénétrer dans un solide. Malgré le fait que les gens, comme les autres êtres vivants sur notre planète, ne perçoivent pas la lumière ultraviolette, son importance pour le bon fonctionnement des organismes biologiques est énorme. La principale source d'étude ultraviolet est le soleil. énergie plus élevée et la capacité de pénétrer de nombreuses substances a rayons X. La source de ce rayonnement est la décélération des électrons dans les champs électromagnétiques. Les électrons peuvent être à la fois lié, à savoir les atomes et appartiennent libre. Les dispositifs médicaux sont des dispositifs par des électrons libres. Enfin, le plus dur et le plus faible longueur d'onde est un rayonnement gamma.

Les rayons X et gamma

effet Mössbauer et son application dans la physique et de l'ingénierie doit faire la distinction entre les rayons gamma et les rayons X. Par le niveau d'énergie et, par conséquent, la longueur d'onde qu'ils sont dans une très large gamme de chevauchement. Autrement dit, il y a un gamma et les rayons X avec une longueur d'onde de 5 picomètres. Différentes méthodes pour leur préparation. Comme expliqué ci – dessus, le rayonnement X se produit lorsque la décélération des électrons. En outre, dans certains procédés (y compris nucléaire) disparaît électrons à partir de l'enveloppe intérieure atome suffisamment lourd, tel que l'uranium. Cependant, d'autres électrons ont tendance à prendre sa place. De telles transitions, et deviennent une source de rayons X. Les rayons gamma sont le résultat du noyau transition d'un état excité supérieur. Ce rayonnement a une capacité de pénétration élevée et ionise les atomes qui interagit. Dans lequel, lorsque le rayon gamma entre en collision avec le noyau d'un atome, il doit y avoir un rebond soi-disant. Cependant, en pratique, il est avéré que l'interaction des rayons gamma avec le noyau d'un atome appartenant au corps rigide, l'impact est manquant. Ceci est expliqué par le fait que l'énergie supplémentaire, comme il a été « barbouillé » par des bandes électroniques du cristal, la création d'un phonon.

isotopes

Mossbauer effet et son application est étroitement liée à l'un fait surprenant: le phénomène n'agit pas sur tous les éléments chimiques du tableau périodique. De plus, il est significatif que pour certains isotopes de substances. Si le lecteur est soudainement oublié ce que les isotopes de rappel. Il est connu que tout atome donné est électriquement neutre. Cela signifie que dans le noyau de protons positifs autant que dans la coquille d'électrons. Cependant, le noyau contient également un neutron, particule sans frais. Si vous modifiez le numéro dans le noyau, la neutralité électrique ne soit pas violée, mais les propriétés de l'atome a légèrement changé. De plus, il arrive que l'isotope lourd est radioactif et est sujette à la pourriture, tandis que la matière ordinaire est tout à fait stable. Toute une liste d'éléments en béton et de leurs isotopes, qui sont caractérisés par l'effet Mossbauer. Détection de ⁵⁷ Fe, par exemple, est généralement confiance par ce phénomène.

L'utilisation des effets quantiques

expérience Produire, ce qui est confirmé par l'une ou l'autre hypothèse liée au monde microscopique, il est souvent difficile. De plus, on ne sait pas quels avantages peut apporter le même effet Mössbauer? L'utilisation de celui-ci, cependant, est assez large. Etude des propriétés des cristaux des matériaux amorphes, les solides et les poudres finement broyées se produit, y compris par l' intermédiaire de ce phénomène quantique. Ces données sont nécessaires assez éloignées des sections de pratique (physique théorique), et dans les disciplines de l'homme très proches – comme la médecine. Ainsi, doivent être pris en considération l'effet Mössbauer et son utilisation comme un exemple de découverte théorique qui apporte beaucoup d'avantages, même dans la vie quotidienne.