Efekt Mössbauera

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Efekt Mössbauera (zjawisko Mössbauera) – zjawisko fizyczne polegające na rezonansowej emisji promieniowania gamma przez jądra atomów ciała stałego. Emisja taka poprzedzona jest absorpcją promieniowania o takiej samej częstości i ma charakter bezodrzutowy. Bezodrzutowość emisji jest spowodowana przez związanie emitującego atomu w sieci krystalicznej. Zjawisko to zostało odkryte w roku 1957 przez Rudolfa Mößbauera.

Opis zjawiska[edytuj | edytuj kod]

Widmo Mössbauera goethytu

Promieniowanie gamma jest wytwarzane przy przejściach jąder atomowych z niestabilnego stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii. Wydzielona energia, równa różnicy energii obydwu stanów, rozdziela się pomiędzy energię emitowanego kwantu gamma i energię kinetyczną odrzutu emitującego atomu (zgodnie z zasadą zachowania pędu całkowity pęd po emisji musi pozostać taki sam, jak przed emisją). Jeśli ta "energia odrzutu" jest bardzo mała w porównaniu z całkowitą wydzieloną energią, to wyemitowany foton gamma ma energię dokładnie odpowiadającą różnicy energii pomiędzy poziomami energetycznymi jądra i może być pochłonięty przez inne jądro tego samego rodzaju.

Dodatkowa energia odrzutu jest także tracona podczas absorpcji, ponieważ absorbujące jądro przejmuje pęd pochłanianego fotonu. Aby więc zaszedł rezonans i pochłonięcie, ta energia odrzutu musi być odpowiednio mała, mniejsza niż szerokość połówkowa energii stanu wzbudzonego.

Energia kinetyczna odrzutu może być wyliczona z zasady zachowania pędu:

|p_R| = |p_\gamma| \,

czyli

p_R^2 = p_\gamma^2 \,

gdzie:

  • pR jest pędem odrzutu,
  • pγ jest pędem fotonu gamma.

Jeżeli masa odrzucanego obiektu M pomnożona przez prędkość światła jest znacznie większa od jego pędu (jest to typowa sytuacja w wypadku przejść jądrowych), to możemy użyć nierelatywistycznego związku pomiędzy pędem a energia kinetyczną:

E_R = \frac{p_R^2}{2M}.

Dla fotonu związek pomiędzy pędem a energią ma postać:

E_{\gamma} = p_\gamma c\,.

Wstawiając te związki do równania zachowania pędu można wyliczyć energię kinetyczną odrzutu:

2 M E_R = \frac{E_\gamma^2}{c^2}
E_R = \frac{E_\gamma^2}{2Mc^2} = \frac{(\hbar k)^2}{2M}.

Energia tracona na odrzut jest więc odwrotnie proporcjonalna do masy odrzucanego obiektu. Przykładowo dla pojedynczego jądra 57Fe (izotop często używany w spektroskopii Mössbauera) masa jądra M=56,9354 u, energia fotonu Eγ=14,4 keV, czyli energia odrzutu jest rzędu 0,001 eV. Szerokość linii jest związana z czasem życia stanu wzbudzonego zasadą nieoznaczoności:

\Delta E\cdot \tau = \hbar/2.

Dla 57Fe czas życia stanu wzbudzonego wynosi około 1,4x10−7 s, co daje szerokość linii rzędu 2,5 neV, czyli wiele rzędów wielkości mniej, niż energia odrzutu. Absorpcja fotonu przez inne jądra tego samego izotopu nie będzie więc zachodziła.

W ciele stałym jądra atomowe są związane z siecią krystaliczną i nie są odrzucane w ten sam sposób, jak atomy wolne (na przykład w gazie). Energia odrzutu jest wydzielana jako energia drgań sieci krystalicznej, kwantowanych jako fonony. W szczególnym wypadku, jeżeli pęd odrzutu jest niewielki, energia może być przejęta przez całą sieć krystaliczną, bez wzbudzania jej drgań (bezfononowo). W tym wypadku masa M we wzorze na energię odrzutu jest równa masie całego kryształu, jest więc bardzo duża w porównaniu z energią fotonu, a powstający foton ma energię dokładnie równą energii wzbudzenia jądra, może więc być bezfononowo zaabsorbowany przez inne jądro związane w sieci krystalicznej.

Ponieważ emitowane promieniowanie gamma ma bardzo wąski zakres częstotliwości, można użyć go jako precyzyjnej sondy do analizowania efektów oddziaływania jądra z polem elektromagnetycznym elektronów i innych atomów, powodujących niewielkie przesunięcia poziomów energetycznych w jądrze. Jest to podstawą spektroskopii Mössbauera. Polega ona na tym, że bada się zależność absorpcji fotonów w badanej próbce od prędkości jej ruchu względem źródła fotonów. Względny ruch zmienia, poprzez efekt Dopplera, energię fotonu w układzie absorbującego jądra, zmieniając prawdopodobieństwo jego rezonansowego pochłonięcia.

Bezfononowe przejścia optyczne zachodzą analogicznie do efektu Mössbauera, mogą być obserwowane w chromoforach związanych w sieciach krystalicznych w niskich temperaturach.

Źródła[edytuj | edytuj kod]

Zewnętrzne linki[edytuj | edytuj kod]