Efect Mössbauer

Efectul Mössbauer constă în emisia fără răsucire a razelor gamma de către un nucleu și în absorbția consecventă a acestora de către un alt nucleu.

Descriere

În anii 1950, emisia și absorbția razelor X de către gaze au fost deja observate și se aștepta un fenomen similar pentru razele gamma, care sunt generate de tranzițiile nucleare (spre deosebire de razele X, care sunt generate de tranzițiile electronice care produc fotoni cu energie mai mică). Această emisie și absorbția consecventă se numește rezonanță . Cu toate acestea, încercările de a observa acest lucru în gaze au eșuat din cauza energiei pierdute în reculul atomului emițător.

De fapt, cu razele gamma, spre deosebire de alți fotoni mai puțin energici, există de obicei o problemă: atomul care emite fotonul „reculează” într-un mod deloc neglijabil, absorbind astfel o felie de energie din fotonul însuși pe care, în consecință, nu mai are aceeași frecvență ca înainte și nu poate rezona cu un alt atom similar. Rezonanța a fost obținută ca prima soluție la această problemă prin plasarea substanței emitente pe un cilindru care se rotește la viteză mare, astfel încât să compenseze reculul menționat anterior, dar ulterior absorbția și emisia rezonanței au fost observate pentru prima dată, în 1957 , de către Rudolf Mößbauer în iridiu solid, care a ridicat întrebarea de ce o astfel de rezonanță apare în solide, dar nu și în gaze. El a propus ca, în cazul atomilor într-un solid , în anumite condiții, unele fenomene nucleare să poată apărea fără recul, probabil datorită unei structuri cristaline, astfel încât să distribuie reculul însuși peste mulți alți atomi și astfel să reducă pierderea de energie a foton.interval. Această descoperire i-a aduspremiul Nobel pentru fizică în 1961 împreună cu Robert Hofstadter , care efectuase cercetări privind împrăștierea electronilor în nucleele atomice.

În general, razele gamma sunt emise în timpul tranziției de la o stare instabilă de energie mai mare la o stare stabilă de energie mai mică. Energia razei gamma emise corespunde energiei tranziției nucleare, minus o parte din energia pierdută în reculul atomului care o emite. Dacă energia de retragere pierdută este mică în comparație cu energia benzii spectrale a tranziției nucleare, atunci energia razei gamma corespunde practic cu energia tranziției, iar raza poate fi absorbită de un al doilea atom de același tip ca primul. Energia de recul suplimentară se pierde din nou în timpul absorbției; prin urmare, pentru ca rezonanța să apară, această energie trebuie să fie mai mică de jumătate din energia benzii spectrale corespunzătoare tranziției nucleare.

Cantitatea de energie pierdută este descrisă de ecuație:

E_{R}={\frac {E_{\gamma }^{2}}{2Mc^{2}}}

{\ displaystyle E_ {R} = {\ frac {E _ {\ gamma} ^ {2}} {2Mc ^ {2}}}}

E_ {R} = {\ frac {E _ {\ gamma} ^ {2}} {2Mc ^ {2}}}

unde E _R este energia pierdută în recul, E _γ este energia razei gamma, M masa emițătorului sau a corpului absorbant, c viteza luminii . În gaze, corpurile emițătoare și absorbante sunt atomi, deci masa este suficient de mică, prin urmare energia de retragere este mare și previne rezonanța. Aceeași ecuație se aplică și energiilor de retragere pierdute în razele X, dar energia fotonului emis este mult mai mică, la fel și energia pierdută. Acest lucru explică de ce rezonanța fazei gazoase poate fi observată cu raze X.

Într-un solid , nucleele sunt constrânse într-o rețea și energia de retragere este neglijabilă, deoarece masa M din ecuația de mai sus este cea a întregului solid. De fapt, într-o descompunere, energia poate fi absorbită (sau furnizată) de vibrațiile întregii structuri a solidului. Energia acestor vibrații este cuantificată în unități cunoscute sub numele de fononi . Prin urmare, în unele fenomene nucleare, reculul acționează asupra întregului cristal și energia sa este neglijabilă, prin urmare razele gamma emise au energia potrivită pentru a exista rezonanță.

De obicei (în funcție de timpul mediu de descompunere), razele gamma au benzi spectrale foarte înguste. Aceasta înseamnă că sunt foarte sensibili la variațiile energiei tranzițiilor nucleare.

Aceasta este baza spectroscopiei Mössbauer , care exploatează efectul Mössbauer și efectul Doppler pentru a studia astfel de interacțiuni.