Ефект мессбауера: відкриття ефекту і його значення

Стаття розповідає про те, що таке ефект Мессбауера. А також розкриваються такі поняття, як квант, рівень енергії в атомі і атомному ядрі, тверде тіло і колективні квазічастинки в ньому.

Відео: САМЕ ГОЛОВНЕ ВІДКРИТТЯ XXI СТОЛІТТЯ

математична забава

Прорив у фізиці, який стався в перше десятиліття двадцятого століття, зажадав від вчених серйозних знань в математиці. Багато відкриття були виведені, що називається, на кінчику пера: спочатку вони були обчислені теоретично і тільки потім виявлені на практиці.

Наприклад, наявність гравітаційних хвиль, передбачене Ейнштейном в 1910 році, змогли підтвердити експериментально тільки в 2016 році. Злиття двох нейтронних зірок породило тремтіння простору, яку земні фізики вловили і зафіксували, відкривши еру гравітаційних вимірювань в науці людства. Не дарма тут згадується гравітація: саме для таких досліджень має ефект Мессбауера значення. Але це швидше виняток, ніж правило. Найчастіше теоретики і експериментатори наступали один одному на п`яти: одне дослідження породжувало необхідність його математичного опису, а побічними висновками ставало припущення про нові, ще не отриманих залежностях. Ефект Мессбауера виявився одним з таких явищ. Таким «побічним» явищем стало і припущення Макса Планка, висловлене в кінці 1900 року. Воно свідчило, що в світі електронів і атомних ядер все величини можуть приймати тільки дискретні значення, тобто квантованим. Причому, за його власним переконанням, це було всього лише математичним трюком, який робив обчислення більш зручними. До кінця життя він вважав, що квант, або найменша можлива порція, наприклад світла, - тільки відповідний спосіб опису, що не несе серйозного фізичного сенсу.

квантовий світ

Відео: Скін-ефект

Однак інші вчені, зацікавлені в адекватному описі того, що відбувається в масштабах атома, розглянули потенціал такого висновку і прийняли за аксіому, що квантуется все. Електрони навколо ядер можуть перебувати тільки на певних орбітах, самі атомні ядра можуть мати тільки конкретні рівні енергії. Перескакуючи між ними, ядра породжують гамма-кванти. Ефект Мессбауера стверджує, що дана дія має породжувати свого роду віддачу, проте цього не відбувається. Взагалі все величини, які описують поведінку наносвіту, схильні до квантованию - тобто дискретно. Однак не варто забувати, що імпульс, який в макросвіті виражається як добуток маси на швидкість, для елементарної частинки є чимось принципово іншим, а значить, він теж квантуется. Так що в науці доповідь, на якому Макс Планк вивів свою знамениту формулу, що містить величину h, або мінімальне дію, відкрив нову еру. Це була ера квантової фізики. Ефект Мессбауера, інтерпретація, яку згодом дали цьому явищу, стали однією з найважливіших віх науки двадцятого століття.

Відкриття ефекту Мессбауера

Відео: Титан гель інструкція. Титан гель ОГЛЯД і застосування

Як ми вже відзначали вище, теоретичні висновки йшли рука об руку з експериментом. Деякі практичні висновки доводили на установках, зібраних буквально «на коліні» і з підручних матеріалів. Вчені мали вміти не тільки виводити формули, але і запаювати колби, пиляти дошки, працювати з металом і збирати установки. Звичайно, глави лабораторій лише узагальнювали результати своїх підопічних. Однак кожен експериментатор був ще й інженером, так як прилади розроблялися під конкретні цілі та безпосередньо в процесі дослідження. Не став винятком і ефект Мессбауера. Відкриття його не відбулося б, якби впертий докторант Рудольф Мессбауера не змінив спосіб вимірювання, охолоджуючи установку, замість того щоб нагрівати її, як радив науковий керівник.

Тверде тіло

Теорія, про яку ми розповімо читачам в цьому розділі, на перший погляд здається зрозумілою. Однак, як відомо, легкість завжди домагається неймовірними зусиллями. І щоб ми зараз могли розповісти простими словами, що таке ефект Мессбауера для чайників буквально, колись працювали цілі лабораторії.

Під твердим тілом зазвичай мається на увазі речовина в кристалічному стані. Ядра атомів в цьому випадку утворюють сувору періодичну решітку, тоді як електрони в тій чи іншій мірі узагальнені. Звичайно, в кристалах металів утворюється досить специфічна металева зв`язок, завдяки якій ядра існують як би окремо від узагальнених електронів. Електронне хмара живе за своїми незалежним законам, не звертаючи увагу на поведінку кристалічної решітки. В кристалах, де присутні більш традиційні іонна і ковалентний зв`язки, електрони тісніше пов`язані зі «своїми» ядрами. Однак і там вони вільніше переміщаються між сусідніми вузлами, ніж в газі або рідини.

Властивості твердого тіла задаються не тільки хімічними елементами, які в них входять, а й симетрією розташування атомів відносно один одного. У класичному прикладі вуглецю одна структура породжує м`який графіт, а інша - самий твердий природний матеріал - алмаз. Так що тип з`єднання і симетрія елементарної комірки багато значать для твердого тіла. У властивостях саме твердого тіла і полягає розкриття того, що таке ефект Мессбауера. Природа його пояснюється наступним: всі атоми в твердому тілі пов`язані.

колективні квазічастинки

Тепер уявіть собі чималу тривимірну грати. Для моделі найбільше підходить сіль: Na і Cl розташовані в вершинах кубиків, змінюючи один одного. Якщо якимось чином захопити один атом і потягнути його, зрушити з звичного місця рівноваги, завдяки досить жорсткій зв`язку, слідом за ним потягнуться сусідні атоми. Розрахунки показують, що зміна положення одного ядра надає хоч скільки-небудь істотний вплив на сусідів третього порядку. Це означає, що якщо «схопити» натрій, за ним потягнуться сусідні атоми хлору, які йдуть за ним атоми натрію і ще один найдальший шар хлору. Вплив це, очевидно, буде поширюватися на всі боки. Зазвичай кажуть, що обурення сусідів четвертого порядку нехтує малі. Однак вони не дорівнюють нулю.

Отже, якщо якимось чином «стукнути» кристал сильніше (наприклад, направити на нього лазер або пучок електронів), кристалічна решітка піде «хвилями». Такі колективні руху, коли багато сусідні атоми кристала одночасно відчувають зсув, наприклад, вгору або вниз, називаються фононами. Щоб доступно описати, що таке ефект Мессбауера для чайників, ми не будемо вдаватися в подробиці і просто розповімо, що фонони, як з`ясувалося, поводяться як елементарні частинки. Наприклад, їх енергія квантів, вони мають довжиною хвилі, імпульсом, і вони здатні взаємодіяти один з одним. Таким чином, фонони отримали назву колективних квазичастиц. Їх кількість і якість задається структурою твердого тіла, в якому вони виникають. Розрахувати це можна, знаючи розмір, симетрію і типи атомів елементарної комірки. На виникнення фононів також впливають довжини і типи зв`язків між іонами в кристалічній решітці.

зонна теорія

Так як тверде тіло узагальнює всі свої електрони, то і орбіталі (а значить, і їх енергії) теж повинні узагальнюватися. Для початку треба згадати, що електрони відносяться до такого класу частинок, які називаються фермионами. Фермі, Дірак і Паулі спільно з`ясували, що в одному стані може знаходитися в даній системі тільки одна частинка такого роду. Якщо повернутися до прикладу солі, то кожен кристал, яким ми посипаємо суп або м`ясо, містить неймовірну кількість іонів натрію і хлору. І у кожного з них однакова кількість електронів, які обертаються по ідентичним орбітах. Як же бути? Тверде тіло дає раду в такий спосіб: енергія кожного електрона, що обертає по орбіті навколо ядра, трохи відрізняється від енергії будь-якого іншого електрона, що належить тій же орбіті іншого атома. Таким чином, виходить: в кристалі існує неймовірно багато рівнів енергії, які відрізняються один від одного настільки мало, що утворюють спресовану зону. Обурення, яке вносять фонони, невеликі, так як один атом коливається не надто сильно. Значення має лише колективний рух як єдиного цілого. Тому енергія фонона як би «розчиняється» в енергії зони. На цьому і ґрунтується ефект Мессбауера.

електромагнітна шкала

Рух заряджених частинок супроводжується появою електромагнітного поля. Даний факт ставить, наприклад, питання, чому один планети і супутники їм володіють, а інші - ні. Електромагнітні хвилі прийнято поділяти на класи по їх частоті і, відповідно, енергії. Ці дві характеристики пов`язані між собою, а також залежать від довжини хвилі. Що таке ефект Мессбауера коротко розповісти можна лише за умови, що читач розуміє, де на електромагнітної шкалою розташовано гамма-випромінювання. Отже, відкривають шкалу радіохвилі. Теоретично межа їх довжини хвилі - розміри всесвіту. Однак енергія таких випромінювань була б настільки мала, що її неможливо зареєструвати. Трохи вище частота у терагерцового випромінювання. Однак і воно, і радіохвилі спостерігаються в дуже специфічних умовах: гальмування електронів в магнітному полі, ізгібние коливання полімерів, рух екситонів в твердому тілі. Більш зрозуміла наступна частина електромагнітного спектра - інфрачервоне випромінювання. Воно передає енергію у вигляді тепла. Ще вище енергія у видимого випромінювання. Та частина спектра, яку сприймає людське око, дуже мала в порівнянні з усією шкалою.

Червоне світло несе найменшу енергію, а фіолетовий - найбільшу. У зв`язку з цим відомий парадокс: більш холодна вода позначається синім кольором, енергія якого вище, ніж у червоного випромінювання. Наступний за цим ультрафіолетовий ділянку електромагнітної шкали вже має досить високою частотою, щоб проникати в тверде тіло. Незважаючи на те що люди, як і інші живі істоти нашої планети, не сприймають ультрафіолет, його значення для нормального функціонування біологічних організмів величезно. Основним джерелом ультрафіолетового вивчення є Сонце. Більш високою енергією і здатністю проникати крізь багато речовини має рентген. Джерелом такого випромінювання є гальмування електронів в електромагнітних полях. При цьому електрони можуть бути як пов`язаними, тобто належати атомам, так і вільними. У медичних апаратах стоять пристрої на вільних електронах. І нарешті, самим жорстким і самим короткохвильовим є гамма-випромінювання.

Рентген і гамма

Ефект Мессбауера і його застосування у фізиці і техніці вимагає розрізняти гамма-кванти і рентгенівське випромінювання. За рівнем енергії і, відповідно, довжині хвилі вони в дуже широкому спектрі перекриваються. Тобто існує і гамма, і рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі 5 пікометр. Розрізняються способи їх отримання. Як вже пояснювалося вище, рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні електронів. Крім того, в деяких процесах (в тому числі ядерних) зникає електрон з внутрішньої оболонки досить важкого атома, наприклад, урану. При цьому інші електрони прагнуть зайняти його місце. Такі переходи і стають джерелом рентгенівського випромінювання. Гамма-кванти є результатом переходів самого ядра з більш збудженого стану. Це випромінювання має велику проникаючу здатність і іонізує атоми, з якими взаємодіє. При цьому, коли гамма-квант стикається з ядром атома, має бути присутня так звана віддача. Однак на практиці з`ясувалося, що при взаємодії гамма-кванта з ядром атома, належить твердого тіла, віддача відсутня. Пояснюється це тим, що додаткова енергія як би «розмазується» по електронним зонам кристала, породжуючи фонон.

ізотопи

Ефект Мессбауера і його застосування тісно пов`язані з одним дивним фактом: явище діє не на всі хімічні елементи періодичної таблиці. Мало того, він істотний тільки для деяких ізотопів речовин. Якщо читач раптом забув, що таке ізотопи, нагадаємо. Відомо, що будь-який окремо взятий атом електронейтрален. Це означає, що в ядрі позитивних протонів стільки ж, скільки в оболонці електронів. Однак ядро містить ще й нейтрони, частинки без заряду. Якщо змінити їх число в ядрі, електронейтральність не порушується, проте властивості такого атома злегка зміняться. Крім того, буває, що більш важкий ізотоп радіоактивний і схильний розпадатися, тоді як звичайна речовина цілком стійко. Абсолютно конкретний список елементів і їх ізотопів, для яких характерний ефект Мессбауера. виявлення ⁵⁷Fe, наприклад, зазвичай довіряють саме цьому явищу.

Користь квантових ефектів

Провести досвід, в якому підтверджується та чи інша гіпотеза, що відноситься до мікросвіту, часто буває непросто. До того ж незрозуміло, яку користь може принести той же ефект Мессбауера? Застосування у нього, однак, досить широке. Дослідження властивостей кристалічних речовин, аморфних тел і дрібно потовчених порошків відбувається, в тому числі і за допомогою цього квантового явища. Такі дані потрібні як в досить далеких від практики розділах (теоретична фізика), так і в дуже близьких людині дисциплінах - наприклад, медицині. Таким чином, ефект Мессбауера і його застосування варто розглядати як приклад теоретичного відкриття, яке приносить чимало користі навіть у повсякденному житті.