Φυσική εφέ Mössbauer

Εφέ Mössbauer, που ονομάζεται επίσης απορρόφηση συντονισμού ακτίνων γάμμα χωρίς ανάκρουση, πυρηνική διαδικασία που επιτρέπει την απορρόφηση συντονισμού ακτίνων γάμμα. Αυτό γίνεται εφικτό στερεώνοντας τους ατομικούς πυρήνες στο πλέγμα στερεών έτσι ώστε η ενέργεια να μην χαθεί σε ανάκρουση κατά τη διάρκεια της εκπομπής και της απορρόφησης της ακτινοβολίας. Η διαδικασία, που ανακαλύφθηκε από τον Γερμανό-γεννημένο φυσικό Rudolf L. Mössbauer το 1957, αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για τη μελέτη διαφορετικών επιστημονικών φαινομένων.

Για να κατανοήσουμε τη βάση του φαινομένου Mössbauer, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε διάφορες θεμελιώδεις αρχές. Το πρώτο από αυτά είναι η αλλαγή Doppler. Όταν μια ατμομηχανή σφυρίζει, η συχνότητα ή το ύψος των ηχητικών κυμάτων αυξάνεται ενώ η σφυρίχτρα πλησιάζει έναν ακροατή και μειώνεται καθώς η σφύρα υποχωρεί. Ο τύπος Doppler εκφράζει αυτήν την αλλαγή, ή μετατόπιση στη συχνότητα, των κυμάτων ως γραμμική συνάρτηση της ταχύτητας της ατμομηχανής. Ομοίως, όταν ο πυρήνας ενός ατόμου εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ενέργεια με τη μορφή ενός πακέτου κυμάτων που είναι γνωστό ως φωτονίο ακτίνων γάμμα, υπόκειται επίσης στη μετατόπιση του Doppler. Η αλλαγή συχνότητας, η οποία γίνεται αντιληπτή ως αλλαγή ενέργειας, εξαρτάται από το πόσο γρήγορα κινείται ο πυρήνας σε σχέση με τον παρατηρητή.

Η δεύτερη ιδέα, αυτή της πυρηνικής ανάκρουσης, μπορεί να απεικονίζεται από τη συμπεριφορά ενός τουφέκι. Εάν κρατηθεί χαλαρά κατά τη διάρκεια της βολής, η ανάκρουσή του ή το "λάκτισμα" θα είναι βίαιο. Εάν συγκρατηθεί σταθερά στον ώμο του σκοπευτή, η ανάκρουση θα μειωθεί σημαντικά. Η διαφορά στις δύο καταστάσεις προκύπτει από το γεγονός ότι η ορμή (το προϊόν της μάζας και της ταχύτητας) διατηρείται: η ορμή του συστήματος που πυροδοτεί ένα βλήμα πρέπει να είναι αντίθετη και ίση με αυτή του βλήματος. Υποστηρίζοντας σταθερά το τουφέκι, ο σκοπευτής περιλαμβάνει το σώμα του, με πολύ μεγαλύτερη μάζα, ως μέρος του συστήματος πυροδότησης και η πίσω ταχύτητα του συστήματος μειώνεται αντίστοιχα. Ένας ατομικός πυρήνας υπόκειται στον ίδιο νόμο. Όταν η ακτινοβολία εκπέμπεται με τη μορφή ακτίνας γάμμα, το άτομο με τον πυρήνα του βιώνει μια ανάκρουση λόγω της ορμής της ακτίνας γάμμα. Μια παρόμοια ανάκρουση εμφανίζεται κατά την απορρόφηση της ακτινοβολίας από έναν πυρήνα.

Τέλος, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τις αρχές που διέπουν την απορρόφηση των ακτίνων γάμμα από τους πυρήνες. Οι πυρήνες μπορούν να υπάρχουν μόνο σε συγκεκριμένες ενεργειακές καταστάσεις. Για να απορροφηθεί μια ακτίνα γάμμα η ενέργειά της πρέπει να είναι ακριβώς ίση με τη διαφορά μεταξύ δύο αυτών των καταστάσεων. Μια τέτοια απορρόφηση ονομάζεται απορρόφηση συντονισμού. Μια ακτίνα γάμμα που εκτοξεύεται από έναν πυρήνα σε ένα ελεύθερο άτομο δεν μπορεί να απορροφηθεί συντονισμένα από έναν παρόμοιο πυρήνα σε ένα άλλο άτομο επειδή η ενέργειά του είναι μικρότερη από την ενέργεια συντονισμού με μια ποσότητα ίση με την κινητική ενέργεια που δίδεται στον πυρήνα της ανάκρουσης.

Αρχές εφαρμογής

Ενσωματώνοντας το ίδιο είδος πυρήνων σε δύο στερεά, αυτά σε ένα στερεό που βρίσκονται σε ακτινοβολούμενη ή διεγερμένη κατάσταση και σε άλλα που βρίσκονται σε κατάσταση απορρόφησης ή γείωσης, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ακτινοβολία γάμμα από το πρώτο στερεό για συντονισμένη απορρόφηση σε το δεύτερο. Η μέθοδος είναι τόσο ευαίσθητη που εάν ένα στερεό κινείται σε σχέση με το άλλο με ταχύτητα τόσο μικρή όσο το 10ο του εκατοστού ανά δευτερόλεπτο, ο συντονισμός καταστρέφεται από τη μετατόπιση Doppler στην ενέργεια ακτίνων γάμμα. Σε αυτό το γεγονός βρίσκεται η χρησιμότητα του φαινομένου Mössbauer ως εργαλείου της πειραματικής φυσικής. Εάν μια ενεργειακή κατάσταση του πυρήνα που εκπέμπει ή απορροφάται από οποιαδήποτε εξωτερική επίδραση, η απορρόφηση συντονισμού θα ακυρωθεί επίσης. Στη συνέχεια, μεταβάλλοντας τη σχετική ταχύτητα των ακτινοβολούμενων και απορροφώντας στερεών έως ότου αποκατασταθεί η ηχητική απορρόφηση, μπορεί να προσδιοριστεί το ακριβές μέγεθος του ενοχλητικού αποτελέσματος.

Συσκευή

Το φαινόμενο Mössbauer παρατηρείται συνήθως μετρώντας τη μετάδοση ακτίνων γάμμα από μια ραδιενεργή πηγή μέσω ενός απορροφητή που περιέχει το ίδιο ισότοπο στην κατάσταση του εδάφους. Η συσκευή που χρησιμοποιείται για αυτό το πείραμα ονομάζεται φασματόμετρο ταχύτητας Mössbauer Doppler επειδή χρησιμοποιεί τη μετατόπιση Doppler για να σαρώσει μια περιοχή ενέργειας κοντά στην ενέργεια της ίδιας της ακτίνας γάμμα. Ένα φασματόμετρο που χρησιμοποιεί αυτήν την ιδέα παρουσιάζεται σχηματικά στο Σχήμα 1. Μια ραδιενεργή πηγή τοποθετείται σε έναν ηλεκτρομηχανικό μορφοτροπέα που κινείται με μια καλά καθορισμένη ταχύτητα. Γενικά, απαιτούνται ταχύτητες μερικών εκατοστών ανά δευτερόλεπτο. Η ενέργεια των εκπεμπόμενων ακτίνων γάμμα μετατοπίζεται, λόγω του φαινομένου Doppler, κατά ένα ποσοστό ανάλογο με την ταχύτητα. Σε αυτό το παράδειγμα, οι πυρήνες της ραδιενεργής πηγής και του απορροφητή συντονισμού είναι πανομοιότυποι, δεν έχουν διαταραχθεί από ένα εξωτερικό πεδίο. Οι ακτίνες γάμμα διέρχονται από έναν απορροφητή που περιέχει το συντονιστικό ισότοπο και ανιχνεύονται από έναν αναλογικό μετρητή. Οι ακτίνες γάμμα που ανιχνεύονται ανά δευτερόλεπτο απεικονίζονται ως συνάρτηση της ταχύτητας Doppler, με αποτέλεσμα ένα φάσμα απορρόφησης φαινομένου Mössbauer όπως αυτό που φαίνεται στο Σχήμα 2. Η πτώση του ρυθμού μέτρησης στο κέντρο οφείλεται στην απορρόφηση συντονισμού - δηλαδή, το φαινόμενο Mössbauer. Σε υψηλή θετική ή αρνητική ταχύτητα, η απορρόφηση συντονισμού έχει καταστραφεί από τη μετατόπιση Doppler.

• 

•