פיזיקה של אפקט Mössbauer

אפקט Mössbauer, הנקרא גם ספיגת תהודה קרנית-רנטגן ללא רתיעה, תהליך גרעיני המאפשר ספיגת תהודה של קרני הגמא. זה מתאפשר על ידי קיבוע גרעינים אטומיים בסריג המוצקים כך שאנרגיה לא תאבד ברתיעה במהלך פליטה וקליטה של קרינה. התהליך, שהתגלה על ידי הפיזיקאי יליד גרמניה, רודולף ל 'מסבאואר בשנת 1957, מהווה כלי שימושי לחקר תופעות מדעיות מגוונות.

על מנת להבין את בסיס השפעת Mössbauer, יש צורך להבין כמה עקרונות יסוד. הראשון שבהם הוא משמרת דופלר. כאשר קטר שורק, התדר או המגרש של גלי הקול מוגבר בזמן שהשריקה מתקרבת למאזין ופוחתת ככל שהשריקה מתרדמת. הנוסחה של דופלר מבטאת שינוי זה, או שינוי בתדר, של הגלים כפונקציה לינארית של מהירות הקטר. באופן דומה, כאשר גרעין האטום מקרין אנרגיה אלקטרומגנטית בצורת מנות גלים המכונה פוטון קרני גאמה, הוא גם נתון לשינוי דופלר. שינוי התדר, הנתפס כשינוי אנרגטי, תלוי כמה מהר הגרעין נע ביחס לצופה.

התפיסה השנייה, זו של רתיעה גרעינית, עשויה להמחיש על ידי התנהגותו של רובה. אם הוא מוחזק באופן רופף במהלך הירי, הרתיעה שלו או "הבעיטה" שלו תהיה אלימה. אם היא מוחזקת היטב על כתפו של החתן, הרתיעה תצטמצם מאוד. ההבדל בשני המצבים נובע מהעובדה שתנופה (תוצר המסה והמהירות) נשמרת: תנופת המערכת שיורה מטיל חייבת להיות הפוכה ושווה לזו של הטיל. על ידי תמיכת הרובה בחוזקה, כולל הסמן את גופתו, במסה הרבה יותר גדולה שלה, כחלק ממערכת הירי ומהירותה הפוכה של המערכת מצטמצמת בהתאמה. גרעין אטומי כפוף לאותו חוק. כאשר נפלטת קרינה בצורה של קרן גאמה, האטום עם הגרעין שלו חווה רתיעה כתוצאה מהתנופה של קרן הגמא. רתיעה דומה מתרחשת במהלך ספיגת הקרינה על ידי גרעין.

לבסוף, יש להבין את העקרונות המסדירים את ספיגת קרני הגמא על ידי גרעינים. גרעינים יכולים להתקיים רק במצבי אנרגיה מסוימים מוגדרים. כדי שקרן גאמה תיספג האנרגיה שלה חייבת להיות שווה בדיוק להבדל בין שני מצבים אלה. ספיגה כזו נקראת ספיגת תהודה. קרן גאמה שנפלטת מגרעין באטום חופשי אינה יכולה להיספג בצורה מהדהדת על ידי גרעין דומה באטום אחר מכיוון שהאנרגיה שלו פחות מאנרגיית התהודה בכמות השווה לאנרגיה קינטית הניתנת לגרעין המקור הרתוע.

עקרונות היישום

על ידי הטמעת גרעינים זהים בשני מוצקים, כאשר אלו במוצק האחד נמצאים במצב מקרין או נרגש ואלו שבאחרים במצב סופג או קרקעי, ניתן להשתמש בקרינת גמא מהמוצק הראשון לספיגת תהודה ב. השני. השיטה כל כך רגישה, שאם מוצק אחד נע יחסית לשני במהירות קטנה כמו 10 סנטימטר לשנייה, התהודה נהרסת על ידי שינוי הדופלר באנרגיית הגמא. בעובדה זו טמונה התועלת של אפקט Mössbauer ככלי לפיזיקה ניסיונית. אם מצב אנרגיה של הגרעין המקרין או הסופג מופרע כתוצאה מאפקט חיצוני כלשהו, גם ספיגת התהודה בטלה. ואז, על ידי שינוי המהירות היחסית של המוצקים הקורנים והספיגה עד להשבת ספיגת התהודה, ניתן לקבוע את הגודל המדויק של האפקט המטריד.

מכשיר

בדרך כלל נצפים אפקט Mössbauer על ידי מדידת העברת קרני הגמא ממקור רדיואקטיבי דרך בולם המכיל את אותו איזוטופ במצב האדמה. המכשיר המשמש לניסוי זה מכונה ספקטרומטר אפקט Mössbauer אפקט דופלר מכיוון שהוא משתמש במשמרת דופלר כדי לסרוק אזור אנרגיה בסביבת האנרגיה של קרני הגמא עצמה. ספקטרומטר המשתמש במושג זה מוצג באופן סכמטי באיור 1. מקור רדיואקטיבי מותקן על מתמר אלקטרומכני שנע במהירות מהוגדרת היטב. באופן כללי, יש צורך במהירויות של כמה סנטימטרים לשנייה. האנרגיה של קרני הגמא הנפלטת מוזזת, כתוצאה מאפקט הדופלר, בכמות פרופורציונאלית למהירות. בדוגמה זו, גרעינים של המקור הרדיואקטיבי והספיגה התהודה זהים, ולא הוטרדו על ידי שדה חיצוני. קרני הגמא עוברות דרך בולם המכיל את האיזוטופ המהדהד ומאותרות על ידי מונה פרופורציונלי. קרני הגמא המתגלות בשנייה מתוארות כפונקציה של מהירות הדופלר, וכתוצאה מכך ספקטרום ספיגת אפקט Mössbauer כמו זה שמוצג באיור 2. הירידה בקצב הספירה במרכז נובעת מספיגת תהודה - כלומר אפקט Mössbauer. במהירות חיובית או שלילית גבוהה, ספיגת התהודה נהרסה על ידי משמרת דופלר.