השפעת מוסבאוור: גילוי ההשפעה ומשמעותה

המאמר מספר מה אפקט מוסבאוור. וגם מושגים כאלה כמו קוואנטום, רמת אנרגיה באטום וגרעין אטומי, גוף מוצק וקוטז-חלקיקים משותפים בו מתגלות.

כיף מתמטי

פריצת הדרך בפיסיקה, שהתרחשה בעשור הראשון של המאה העשרים, דרשה מדענים להיות בעלי ידע רציני במתמטיקה. תגליות רבות נעשו, על קצה העט, בהתחלה: הם היו הראשונים מחושב תיאורטית ורק מאוחר יותר נמצא בפועל.

לדוגמה, נוכחותם של גלים כבדים, שחזה איינשטיין בשנת 1910, יכולה להיות מאושרת רק ב -2016. ההיתוך של שני כוכבי נויטרונים הוליד את רעד החלל שהפיסיקאים הארציים תפסו והקליטים, ופתחו את עידן מדידות הכבידה במדע האנושות. זה לא לחינם כי כוח הכובד מוזכר כאן: זה עבור מחקרים כאלה כי אפקט Moussebauer הוא משמעותי. אבל זה חריג יותר מאשר הכלל. לעתים קרובות, תיאורטיקנים וניסויים תקפו זה את זה על העקבים: מחקר אחד יצר את הצורך בתיאור המתמטי שלו, והמסקנות הצדדיות היו ההנחה של תלות חדשות, שעדיין לא הושגו. השפעת מוסבאוור התבררה כאחת מתופעות כאלה. תופעת "הצד" הזאת היתה ההנחה של מקס פלאנק, שהושמעה בסוף 1900. הוא אמר כי בעולם של אלקטרונים גרעיני אטומי כל כמויות יכול לקחת רק ערכים נפרדים, כלומר, לכמת. יתר על כן, על פי ההרשעה שלו, זה היה רק טריק מתמטי, מה שעשה את החישובים יותר נוח. עד סוף ימיו, הוא האמין כי קוונטית, או החלק הקטן ביותר, כגון אור, היא רק דרך מתאימה לתאר כי אין משמעות פיזית רצינית.

העולם הקוונטי

עם זאת, מדענים אחרים המעוניינים בתיאור הולם של מה שקורה בקנה מידה של האטום, נחשב פוטנציאל של מסקנה כזו ולקח אקסיומה כי הכל מתממש. אלקטרונים סביב גרעינים יכולים להיות רק במסלולים מסוימים, הגרעין האטומי עצמו יכול להיות רק רמות אנרגיה ספציפיות. קפיצה ביניהם, הגרעינים ליצור גאמה quanta. השפעתו של מוסבאואר טוענת כי פעולה זו צריכה ליצור סוג של חזרה, אבל זה לא קורה. באופן כללי, כל כמויות המתארות את ההתנהגות של nanoworld כפופים קוונטיזציה - כלומר, בדידה. עם זאת, אל תשכח כי הדחף, אשר במרקוסמוס באה לידי ביטוי כמו תוצר של המסה של המהירות, עבור חלקיק בסיסי הוא משהו שונה במהותו, ולכן הוא גם לכמת. אז במדע הדו"ח, שבו מקס פלאנק נגזר הנוסחה המפורסמת שלו המכיל את הערך של h, או פעולה מינימלית, פתח עידן חדש. זה היה עידן של פיזיקה קוונטית. אפקט מוסבאואר, הפרשנות שניתנה לאחר מכן לתופעה זו, הפך לאחד מאבני הדרך החשובות ביותר של המדע במאה העשרים.

גילוי השפעת מוסבאוור

כפי שציינו לעיל, המסקנות התיאורטיות הלכה יד ביד עם הניסוי. כמה מסקנות מעשיות הוכחו במתקנים שהתאספו פשוטו כמשמעו "על הברך" ומחומרים מאולתרים. מדענים צריכים להיות מסוגלים לא רק לגזור נוסחאות, אלא גם על צלוחיות הלחמה, ראה לוחות, לעבוד עם מתכת ולאסוף צמחים. כמובן, ראשי המעבדות רק כללו את תוצאות מחלקותיהם. עם זאת, כל נסיין היה גם מהנדס, שכן הכלים נועדו למטרות ספציפיות ישירות בתהליך החקירה. אפקט Moussebauer לא היה יוצא דופן. הפתיחה לא היתה מתרחשת אם סטודנט הדוקטורט העקשן רודולף מסבאואר לא שינה את דרך המדידה, קירר את המתקן במקום לחמם אותו, כפי שהמליץ עליו המפקח.

גוף מוצק

את התיאוריה, אשר נספר את הקוראים בסעיף זה, במבט ראשון נראה מובן. עם זאת, כפי שאתה יודע, קלילות מושגת תמיד על ידי מאמצים מדהימים. וכך אנו יכולים כעת לומר במילים פשוטות מה ההשפעה של Mössbauer הוא עבור קומקומים פשוטו כמשמעו, פעם אחת המעבדות עבד.

מוצק הוא הבין בדרך כלל כחומר במצב גבישי. גרעיני האטומים במקרה זה מהווים סבך תקופתי קפדני, בעוד האלקטרונים פחות או יותר הכלליים. כמובן, קשר מתכתי מסוים מאוד נוצר בגבישי המתכת, הודות לכך שהגרעינים קיימים כפי שהיו, בנפרד מהאלקטרונים הכלליים. הענן האלקטרוני חי על פי החוקים העצמאיים שלו, לא שם לב להתנהגות של קריסטל הסריג. בגבישים, בהם קיימים קשרים יוניים מסורתיים וקוולנטיים יותר, האלקטרונים קרובים יותר לגרעין "שלהם". עם זאת, אפילו שם הם נעים באופן חופשי יותר בין הצמתים השכנים מאשר בגז או נוזלי.

המאפיינים של מוצק נקבעים לא רק על ידי האלמנטים הכימיים שהם מכילים, אלא גם על ידי הסימטריה של הסדר של האטומים ביחס זה לזה. בדוגמה הקלאסית של פחמן, מבנה אחד מעורר גרפית רכה, והשני הוא החומר הטבעי הקשה ביותר, יהלום. אז סוג החיבור ואת הסימטריה של תא היחידה הם דברים רבים מוצק. במאפייני הגוף המוצק, הגילוי של ההשפעה של מוסבאוור הוא. טבעו מוסבר על ידי הדברים הבאים: כל האטומים במצב מוצק מחוברים.

קיבוצי חלקיקים

עכשיו תארו לעצמכם די גדול תלת מימדי סריג. עבור המודל, מלח הוא המתאים ביותר: Na ו Cl ממוקמים בחלק העליון של הקוביות, להחליף אחד את השני. אם איכשהו ללכוד אטום אחד ולמשוך אותו, כדי לעבור ממקום האיזון הרגיל, הודות לחיבור נוקשה מספיק, אטומים שכנים יבואו בעקבותיו. חישובים מראים כי שינוי במיקום של ליבה אחת יש לפחות השפעה משמעותית על השכנים של הסדר השלישי. משמעות הדבר היא שאם אתה "לתפוס" נתרן, אטומי כלור השכנה, ואחריו אטומי נתרן ועוד שכבה רחוק ביותר של כלור, יבואו בעקבותיו. ההשפעה של זה, כמובן, יתפשט לכל הכיוונים. אומרים בדרך כלל שהפרעות של השכנים מסדר רביעי זניחות. עם זאת, הם אינם שווים לאפס.

לכן, אם איכשהו "לדפוק" את הגביש קשה יותר (למשל, לשלוח לייזר או קרן אלקטרונים אליו), קריסטל הסריג ילך "גלים". תנועות קולקטיביות כאלה, כאשר אטומים שכנים רבים של הגביש חווים בעת ובעונה אחת תזוזה, למשל, למעלה או למטה, נקראים פונונים. על מנת להיות מסוגלים לתאר את ההשפעה של מוסבאוור על דמה, אנחנו לא נכנס לפרטים ופשוט אומר לך כי פונונים, כפי שהתברר, מתנהגים כמו חלקיקים בסיסיים. לדוגמה, האנרגיה שלהם הוא quantised, יש להם אורך גל, דחף, והם מסוגלים לתקשר אחד עם השני. לפיכך, phonons נקראים quasiparticles קולקטיבית. כמותם ואיכותם ניתנים על ידי מבנה הגוף המוצק שבו הם מתעוררים. אתה יכול לחשב את זה על ידי ידיעת גודל, סימטריה, וסוגים של אטומים בתא יחידה. המראה של פונונים מושפע גם באורכים וסוגים של קשרים בין יונים בסריג הגביש.

תיאוריית אזור

מאז גוף קשיח generallys כל האלקטרונים שלה, אורביטלים (ולכן האנרגיות שלהם) חייב להיות גם generalised. ראשית, עלינו לזכור כי האלקטרונים שייכים זה סוג של חלקיקים, אשר נקראים פרמיונים. פרמי, דיראק ופאולי גילו במשותף כי במדינה אחת רק חלקיק אחד מסוג זה יכול להיות במערכת הנתונה. אם נחזור לדוגמה של מלח, אז כל קריסטל שבו אנו מפזרים מרק או בשר מכיל כמות מדהימה של יונים וכלור יונים. ולכל אחד מהם יש אותו מספר של אלקטרונים המסתובבים במסלולים זהים. איך להיות? מוצק משאיר את המיקום כדלקמן: האנרגיה של כל אלקטרונים המקיפים את הגרעין שונה במקצת מן האנרגיה של כל אלקטרונים אחרים השייכים לאותו מסלול של האטום האחר. לפיכך, מתברר: בגביש יש רמות אנרגיה רבות להפליא זה מזה זה מזה כל כך מעט שהם יוצרים אזור דחוס. הפרעות שהובאו על ידי פונונים הן קטנות, שכן אטום אחד אינו מתנדנד חזק מאוד. ערך יש רק תנועה קולקטיבית בכללותה. לכן, האנרגיה phonon "מתמוסס" באנרגיה של הלהקה. זהו הבסיס לאפקט מוסבאוור.

סולם אלקטרומגנטי

תנועת החלקיקים הטעונים מלווה בהופעת שדה אלקטרומגנטי. עובדה זו מעוררת, למשל, את השאלה מדוע יש לכוכב לכת וללוויינים שלו, ואחרים לא. גלים אלקטרומגנטיים מחולקים בדרך כלל לשיעורים על פי תדירותם ובהתאם לאנרגיה. שני מאפיינים אלה קשורים זה לזה, וגם תלויים באורך הגל. מה הוא אפקט Mossbauer ניתן לספר בקצרה רק אם הקורא מבין היכן קרינת גמא נמצא על סולם אלקטרומגנטי. אז, לפתוח את הרדיו גל בקנה מידה. תיאורטית, את גבול אורך הגל שלהם הוא בגודל של היקום. עם זאת, האנרגיה של פליטות כאלה יהיה כל כך קטן, כי זה לא יכול להיות רשום. תדירות גבוהה בהרבה בקרינת טרהרץ. עם זאת, הן גלי רדיו הם נצפו בתנאים ספציפיים מאוד: האטה אלקטרונים בשדה מגנטי, כיפוף תנודות של פולימרים, תנועה של אקסיטונים מוצק. החלק הבא של הספקטרום האלקטרומגנטי הוא מובן יותר: קרינה אינפרא אדומה. הוא מעביר אנרגיה בצורת חום. האנרגיה של קרינה גלוי הוא אפילו גבוה יותר. החלק של הספקטרום שנתפס על ידי העין האנושית הוא קטן מאוד בהשוואה לכל הסולם.

אור אדום נושאת את האנרגיה הנמוכה ביותר, סגול - הגדול ביותר. בהקשר זה, ידוע פרדוקס: מים קרים מסומנים בצבע כחול, שאנרגייתו גבוהה מזו של קרינה אדומה. החלק האולטרה-סגול הבא של הסולם האלקטרומגנטי כבר בעל תדירות גבוהה מספיק כדי לחדור לגוף המוצק. למרות העובדה שאנשים, כמו יצורים חיים אחרים של הפלנטה שלנו, אינם תופסים את האולטרה סגול, המשמעות שלה לתפקוד תקין של אורגניזמים ביולוגיים היא עצומה. המקור העיקרי של מחקר אולטרה סגול הוא השמש. אנרגיה גבוהה יותר ואת היכולת לחדור חומרים רבים יש רנטגן. מקור הקרינה הוא האטה של אלקטרונים בשדות אלקטרומגנטיים. במקרה זה, האלקטרונים יכולים להיות מחוברים, כלומר, הם שייכים לאטומים, או בחינם. במכשירים רפואיים הם מכשירים על אלקטרונים חופשיים. לבסוף, קרינת גמא היא אורך הגל הקצר ביותר.

רנטגן וגמא

האפקט של Mössbauer ויישומו בפיסיקה ובטכנולוגיה דורשים הבחנה בין גמא קוואנטה וקרינת רנטגן. על רמת האנרגיה, ולכן, את אורך הגל, הם חופפים בספקטרום רחב מאוד. כלומר, יש קרינה גמא וקרני רנטגן באורך גל של 5 פיקומטרים. ישנן דרכים שונות להשיג אותם. כפי שכבר הוסבר לעיל, פליטת רנטגן מתרחשת כאשר האלקטרונים מאטים. בנוסף, בכמה תהליכים (כולל גרעיני), אלקטרון נעלם מן הקונכייה הפנימית של אטום כבד מספיק, למשל, אורניום. במקרה זה, אלקטרונים אחרים נוטים לתפוס את מקומה. מעברים אלה הופכים למקור קרינת הרנטגן. גמא קוואנטה הם תוצאה של מעברים של הגרעין עצמו ממצב נרגש יותר. לקרינה זו יש כוח חודר גדול ומייננת את האטומים שבהם היא פועלת. במקרה זה, כאשר הקוונטים גמא מתנגש עם הגרעין של אטום, חייב להיות מה שנקרא רתיעה. עם זאת, בפועל נמצא כי האינטראקציה של קוונטית גמא עם הגרעין של אטום השייכים לגוף מוצק, אין רתיעה. זה מוסבר על ידי העובדה כי האנרגיה הנוספת היא "להפיץ" על אזורי אלקטרוניים של הגביש, ובכך לייצר פון.

איזוטופים

השפעת מוסבאוור ויישומה קשורים קשר הדוק לעובדה מפתיעה אחת: התופעה אינה משפיעה על כל האלמנטים הכימיים של הטבלה המחזורית. יתר על כן, הוא חיוני רק עבור איזוטופים מסוימים של חומרים. אם הקורא פתאום שכח מה הם איזוטופים, נזכור. זה ידוע כי כל אטום יחיד הוא ניטרלי חשמלית. משמעות הדבר היא שבגרעין של פרוטונים חיוביים זהה לזה שבקליפת האלקטרונים. עם זאת, הגרעין מכיל גם נייטרונים, חלקיקים ללא תשלום. אם נשנה את מספרם בגרעין, האלקטרונוטרליות לא תופר, אך תכונותיו של אטום כזה ישתנו מעט. בנוסף, קורה כי האיזוטופ הכבד יותר הוא רדיואקטיבי ונוטה להתפורר, ואילו החומר הרגיל יציב לחלוטין. רשימת היסודות והאיזוטופים שלהם, אשר אפקט מוסבאוור אופייני להם, היא מוחשית לחלוטין. גילוי של ⁵⁷ Fe, למשל, הוא בדרך כלל מהימן בתופעה זו.

השימוש באפקטים קוונטיים

כדי לבצע ניסוי שבו אחת ההשערה או אחר הקשורים microorld הוא אישר הוא לעתים קרובות קשה. בנוסף, לא ברור מה היתרונות יכולים להביא את אותו אפקט של Mossbauer? היישום, עם זאת, הוא רחב מספיק. חקירת תכונות של חומרים גבישיים , גופים אמורפיים ואבקות מרוסק דק מתרחשת, כולל בעזרת תופעה קוונטי זה. נתונים אלה נדרשים הן בקטעים רחוקים מספיק מן הפרקטיקה (פיזיקה תיאורטית) והן בדיסציפלינות קרובות מאוד - לדוגמה, רפואה. לפיכך, אפקט Mussebauer ויישומו צריך להיחשב כדוגמה של תגלית תיאורטית, אשר מביא הרבה תועלת גם בחיי היומיום.