Ефектът на Mossbauer: откриването на ефекта и неговото значение

Статията разказва за ефекта на Mossbauer. И също така се разкриват такива понятия като квантово, ниво на енергия в атома и атомното ядро, твърдо тяло и колективни квазипартикули в него.

Математическо забавление

Пробивът в областта на физиката, настъпил през първото десетилетие на ХХ век, изисква от учените сериозни познания по математика. Много от откритията бяха направени на върха на писалката: те бяха теоретично изчислени за първи път и едва по-късно бяха открити на практика.

Например, гравитационни вълни, прогнозирано от Айнщайн през 1910 г., са могли да потвърдят експериментално само през 2016 г. Сливането на две неутронни звезди е създал тремор пространство, което наземна физика хванат и фиксирани чрез отваряне на ерата на гравитационни измервания в науката на човечеството. Тук не е споменато гравитацията: за такива проучвания ефектът на Mössbauer е значителен. Но това е по-скоро изключение от правилото. Най-често, теоретици и експериментатори стъпка по петите на другия, едно проучване, довели до необходимостта от нейното математическо описание и неблагоприятен извод става допускането на нови, все още не са получени зависимости. Ефектът на Mossbauer се оказа един от тези явления. Такова "случайно" явление е предположението на Макс Планк, изразено в края на 1900 г. Той каза, че в света на електрони и атомни ядра, всички количества, могат да вземат само дискретни стойности, което е квантувани. Освен това, според собствената си убеденост, това беше само математически трик, което прави изчисленията по-удобни. До края на живота си той вярва, че квантът или най-малката възможна част, като светлината, е само подходящ начин за описване, който не носи сериозно физическо значение.

Квантов свят

Въпреки това, други учени, интересуващи се от адекватно описание на това какво се случва по скалата на атомите, смятат потенциала на такова заключение и го смятали за даденост, че всичко е квантувани. Електроните около ядрата могат да бъдат само в определени орбити, самите атомни ядра могат да имат само специфични енергийни нива. Скачайки между тях, ядрата генерират гама кванти. Ефектът на Mössbauer твърди, че това действие би трябвало да доведе до връщане, но това не се случва. Като цяло, всички количества, които описват поведението на нано-света, са обект на квантоване - тоест, дискретно. Но не забравяйте, че инерцията, че в макрокосмоса е изразено като продукт на скоростта на маса за елементарни частици е нещо коренно различна, което означава, че той също е квантувани. Така че в науката докладът, на който Макс Планк произнесе известната си формула, съдържаща стойността на h или минималното действие, откри нова ера. Това беше ера квантова физика. Ефектът на Mossbauer, тълкуването, което впоследствие беше дадено на този феномен, се превърна в един от най-важните етапи на науката от двадесети век.

Откриването на ефекта на Mossbauer

Както отбелязахме по-горе, теоретичните изводи вървяха ръка за ръка с експеримента. Извършени са практически заключения за инсталации, събрани буквално "на коляното" и от импровизирани материали. Учените са успели не само да се покаже формулата, но и колбата се затваря, нарязани на борда да се работи с метал и събиране на инсталацията. Разбира се, ръководителите на лабораториите само обобщиха резултатите от своите отделения. Всеки експериментатор обаче е и инженер, тъй като устройствата са проектирани за специфични цели и директно в процеса на изследване. Ефектът на Mössbauer не беше изключение. Отвори няма да бъдат осъществени, ако упорит докторска Рудолф Мьосбауер не се промени начина на измерване на охладителя, вместо да го отопление, както се препоръчва от надзора на изследвания.

Твърдо тяло

Теорията, която ще кажем на читателите в този раздел, на пръв поглед изглежда разбираема. Въпреки това, както знаете, лекотата винаги се постига с невероятни усилия. И така, че сега можем да кажем с прости думи какъв е ефектът на Mössbauer върху чайника, буквално, когато цели лаборатории са работили.

Твърдо вещество обикновено се разбира като вещество в кристално състояние. Ядрата на атомите в този случай формират строга периодична решетка, докато електроните са повече или по-малко обобщени. Разбира се, в металните кристали се образува много специфична метална връзка, благодарение на която ядрата съществуват като отделно от генерализираните електрони. Електронният облак живее със своите независими закони, без да обръща внимание на поведението на кристалната решетка. В кристалите, където присъстват по-традиционни йонни и ковалентни връзки, електроните са по-тясно свързани с "техните" ядра. Въпреки това дори там се движат по-свободно между съседните възли, отколкото в газ или течност.

Свойствата на твърдото вещество се определят не само от химичните елементи, които съдържат, но и от симетрията на разположението на атомите една спрямо друга. В класическия пример за въглерод една структура създава мек графит, а другият е най-трудният естествен материал, диамант. Така че типът на връзката и симетрията на елементарна клетка означават много за твърдост. В свойствата на твърдото тяло е разкритието на ефекта на Mossbauer. Природата му се обяснява със следното: всички атоми в твърдо състояние са свързани.

Колективни квасипартички

Сега си представете една доста голяма триизмерна решетка. За модела солта е най-подходяща: Na и Cl се намират в върховете на кубовете, замествайки се един друг. Ако по някакъв начин да улови един атом и да го издърпа, да се премести от обичайното място на равновесие, благодарение на достатъчно твърда връзка, съседни атоми ще последват след него. Изчисленията показват, че промяната в позицията на едно ядро ​​има поне някакъв значителен ефект върху съседите от третата последователност. Това означава, че ако "вземете" натрий, тогава ще бъдат съставени съседни хлорни атоми, последвани от натриеви атоми и друг най-отдалечен слой хлор. Ударът очевидно ще се разпространи във всички посоки. Обикновено се казва, че смущенията на съседите от четвърти порядък са незначителни. Те обаче не са равни на нула.

Следователно, ако по някакъв начин "удари" кристала по-трудно (например изпрати лазер или електронен лъч), кристалната решетка ще излезе "вълни". Такива колективни движения, когато много съседни атоми на кристала едновременно изпитват изместване, например нагоре или надолу, се наричат ​​фонони. Предлага се да се опише това, което Мьосбауеровата ефект за манекени, ние няма да навлизам в подробности и просто да ти кажа, че е намерено фононите да се държат като елементарни частици. Например, тяхната енергия е квантована, те имат дължина на вълната, инерция, и те са в състояние да си взаимодействат един с друг. По този начин фононите се наричат ​​колективни квасипартикули. Тяхното количество и качество са дадени от структурата на твърдото тяло, в което те възникват. Можете да изчислите това, като разберете размера, симетрията и типовете атоми в единица клетка. Появата на фонони също се влияе от дължините и видовете връзки между йоните в кристалната решетка.

Теория на зоните

Тъй като едно твърдо тяло обобщава всичките си електрони, тогава орбитите (и следователно техните енергии) също трябва да бъдат обобщени. Първо, трябва да помним, че електроните принадлежат към този клас частици, които се наричат ​​фермиони. Ферми, Дирак и Паули съвместно са установили, че в една държава в дадена система може да съществува само една частица от този вид. Ако се върнем към примера на солта, тогава всеки кристал, с който поръсваме супа или месо, съдържа невероятно количество натриеви и хлорни йони. И всеки от тях има същия брой електрони, които се въртят в еднакви орбити. Как да бъдем? Твърд излиза от положението, както следва: енергията на всяка електронна орбита около ядрото, малко по-различен от всички други енергийни електрони, принадлежащи към същата орбитата на друг атом. По този начин се оказва, че в кристала има невероятно много нива на енергия, които се различават едни от други толкова малко, че те образуват компресирана зона. Разстройствата, които създават фононите, са малки, тъй като един атом не се колебае много силно. Стойността е само колективно движение като цяло. Затова фононната енергия "се разтваря" така, както е в енергията на групата. Това е основата за ефекта на Mossbauer.

Електромагнитен мащаб

Задвижването на заредени частици се придружава от появата на електромагнитно поле. Този факт, например, повдига въпроса защо една планета и нейните сателити я имат, а други не. Електромагнитните вълни обикновено се разделят на класове според тяхната честота и съответно енергия. Тези две характеристики са взаимосвързани и също зависят от дължината на вълната. Какъв е ефектът на Mossbauer може да бъде казано накратко само ако читателят разбере къде гама-лъчението се намира на електромагнитна скала. Така че, отворете скалата на радио вълната. Теоретично границата на тяхната дължина на вълната е размерът на Вселената. Енергията от такива емисии обаче би била толкова малка, че не може да бъде регистрирана. Малко по-висока честота в terahertz радиация. Въпреки това е и радиовълните се наблюдават в много специфични условия: инхибиране на електрони в магнитно поле, огъване вибрации на полимери, движението на excitons в твърдото вещество. Следващата част от електромагнитния спектър е по-разбираема: инфрачервена радиация. То предава енергия под формата на топлина. Енергията на видимата радиация е дори по-висока. Частта от спектъра, възприемана от човешкото око, е много малка в сравнение с цялата скала.

Червената светлина носи най-ниската енергия и лилавата - най-голямата. Във връзка с това се знае един парадокс: по-студената вода е означена със син цвят, чиято енергия е по-висока от тази на червената радиация. Следващата ултравиолетова част на електромагнитната скала вече има достатъчно висока честота, за да проникне в твърдото тяло. Въпреки факта, че хората, като другите живи същества на нашата планета, не възприемат ултравиолетовите лъчи, нейното значение за нормалното функциониране на биологичните организми е огромно. Основният източник на ултравиолетовите изследвания е Слънцето. По-високата енергия и способността да проникват в много вещества има рентгенов лъч. Източникът на такова излъчване е забавянето на електроните в електромагнитните полета. В този случай, електроните могат да бъдат едновременно свързани, т.е. те принадлежат към атоми и са свободни. В медицинските устройства има устройства на свободни електрони. Накрая, гама-лъчението е най-трудната и най-къса дължина на вълната.

Рентгенови лъчи и гама

Ефектът на Mössbauer и приложението му във физиката и технологията изискват разграничение между кванти гама и рентгеново лъчение. По отношение на енергийното ниво и съответно на дължината на вълната те се припокриват в много широк спектър. Това означава, че има както гама, така и рентгеново излъчване с дължина на вълната от 5 пикомера. Има различни начини за тяхното получаване. Както вече беше обяснено по-горе, Рентгеново излъчване се случва, когато електроните се забавят. В допълнение, в някои процеси (включително ядрени процеси), електронът изчезва от вътрешната обвивка на достатъчно тежък атом, например уран. В този случай други електрони са склонни да заемат мястото си. Такива преходи стават източник на рентгеново лъчение. Gamma quanta са резултат от прехода на самия ядро ​​от по-вълнувано състояние. Това лъчение има голяма проникваща способност и йонизира атомите, с които взаимодейства. В този случай, когато квантовата гама се сблъска с ядрото на един атом, трябва да има така нареченият отпор. На практика обаче е установено, че взаимодействието на гама-кванта с ядрото на атом, принадлежащ на твърдо тяло, няма връщане назад. Това се обяснява с факта, че допълнителната енергия е "размазана" над електронните зони на кристала, като по този начин се генерира фонон.

изотопи

Ефектът на Mossbauer и приложението му са тясно свързани с един изненадващ факт: явлението не засяга всички химически елементи на периодичната таблица. Освен това е от съществено значение само за някои изотопи на вещества. Ако читателят изведнъж е забравил какви са изотопите, нека си спомним. Известно е, че всеки отделен атом е електрически неутрален. Това означава, че в ядрото на положителните протони е същото като в черупката на електроните. Но ядрото съдържа и неутрони, частици без зареждане. Ако сменим техния брой в ядрото, електродутериалността не се нарушава, но свойствата на такъв атом ще се променят леко. Освен това се случва, че по-тежкият изотоп е радиоактивен и има тенденция към разпадане, докато обикновената субстанция е напълно стабилна. Списъкът на елементите и техните изотопи, за които характерният ефект на Mossbauer е характерен, е абсолютно конкретен. откриване ⁵⁷Fe, например, обикновено се доверява точно на този феномен.

Използването на квантовите ефекти

Да се ​​направи експеримент, в който се потвърждава една или друга хипотеза, свързана с микросветата, често е трудна. В допълнение, не е ясно какви ползи могат да доведат до същия ефект на Mossbauer? Приложението обаче е доста широко. Изследване на свойствата на кристалния вещества, аморфни тела и фино натрошени прахове, включително и с помощта на този квантов феномен. Такива данни се изискват както в сектори, които са достатъчно отдалечени от практиката (теоретична физика), така и в много близки дисциплини - например медицината. По този начин ефектът на Mössbauer и неговото приложение трябва да се разглеждат като пример за теоретично откритие, което носи много предимства дори в ежедневието.