Эфект Мессбауэра: адкрыццё эфекту і яго значэнне

Артыкул распавядае пра тое, што такое эфект Мессбауэра. А таксама раскрываюцца такія паняцці, як квант, узровень энергіі ў атаме і атамным ядры, цвёрдае цела і калектыўныя квазичастицы ў ім.

матэматычная забава

Прарыў у фізіцы, які адбыўся ў першае дзесяцігоддзе дваццатага стагоддзя, запатрабаваў ад вучоных сур'ёзных ведаў у матэматыцы. Шматлікія адкрыцці былі выведзеныя, што называецца, на кончыку пяра: спачатку яны былі вылічаныя тэарэтычна і толькі потым выяўленыя на практыцы.

Напрыклад, наяўнасць гравітацыйных хваль, прадказанае Эйнштэйнам ў 1910 годзе, змаглі пацвердзіць эксперыментальна толькі ў 2016 годзе. Зліццё двух нейтронных зорак спарадзіла дрыжыкі прасторы, якую зямныя фізікі ўлавілі і зафіксавалі, адкрыўшы эру гравітацыйных вымярэнняў у навуцы чалавецтва. Нездарма тут згадваецца гравітацыя: менавіта для такіх даследаванняў мае эфект Мессбауэра значэнне. Але гэта хутчэй выключэнне, чым правіла. Часцей за ўсё тэарэтыкі і эксперыментатары наступалі адзін аднаму на пяткі: адно даследаванне спараджала неабходнасць яго матэматычнага апісання, а пабочнымі высновамі станавілася здагадка аб новых, яшчэ не атрыманых залежнасці. Эфект Мессбауэра апынуўся адным з такіх з'яў. Такім «пабочным» з'явай стала і здагадка Макса Планка, выказанае ў канцы 1900 года. Яно абвяшчала, што ў свеце электронаў і атамных ядраў ўсе велічыні могуць прымаць толькі дыскрэтныя значэння, то ёсць квантоваться. Прычым, па яго ўласным перакананні, гэта было ўсяго толькі матэматычным трукам, які рабіў вылічэнні больш зручнымі. Да канца жыцця ён лічыў, што квант, або найменшая магчымая порцыя, напрыклад святла, - толькі прыдатны спосаб апісання, не апорны сур'ёзнага фізічнага сэнсу.

квантавы свет

Аднак іншыя навукоўцы, зацікаўленыя ў адэкватным апісанні таго, што адбываецца ў маштабах атама, разгледзелі патэнцыял такога вываду і прынялі за аксіёму, што Квант ўсё. Электроны вакол ядраў могуць знаходзіцца толькі на пэўных арбітах, самі атамныя ядра могуць мець толькі канкрэтныя ўзроўні энергіі. Пераскокваючы паміж імі, ядра спараджаюць гама-кванты. Эфект Мессбауэра сцвярджае, што дадзенае дзеянне павінна спараджаць свайго роду аддачу, аднак гэтага не адбываецца. Наогул усе велічыні, якія апісваюць паводзіны наномира, схільныя квантавання - гэта значыць дыскрэтных. Аднак не варта забываць, што імпульс, які ў макрасвет выяўляецца як твор масы на хуткасць, для элементарнай часціцы з'яўляецца чымсьці прынцыпова іншым, а значыць, ён таксама Квант. Так што ў навуцы даклад, на якім Макс Планк вывеў сваю знакамітую формулу, якая змяшчае велічыню h, або мінімальнае дзеянне, адкрыў новую эру. Гэта была эра квантавай фізікі. Эфект Мессбауэра, інтэрпрэтацыя, якую пасля далі гэтай з'яве, сталі адной з найважнейшых вех навукі дваццатага стагоддзя.

Адкрыццё эфекту Мессбауэра

Як мы ўжо адзначалі вышэй, тэарэтычныя высновы ішлі рука аб руку з эксперыментам. Некаторыя практычныя высновы даводзіў на устаноўках, сабраных літаральна «на каленцы» і з падручных матэрыялаў. Вучоныя павінны былі ўмець не толькі выводзіць формулы, але і запаивать колбы, пілаваць дошкі, працаваць з металам і збіраць ўстаноўкі. Вядома, кіраўніка лабараторый толькі абагульняць вынікі сваіх падапечных. Аднак кожны эксперыментатар быў яшчэ і інжынерам, так як прыборы распрацоўваліся пад канкрэтныя мэты і непасрэдна ў працэсе даследавання. Не стаў выключэннем і эфект Мессбауэра. Адкрыццё яго не адбылося б, калі б ўпарты дактарант Рудольф Мессбауэр ня памяняў спосаб вымярэння, астуджаючы ўстаноўку, замест таго каб награваць яе, як раіў навуковы кіраўнік.

цвёрдае цела

Тэорыя, пра якую мы раскажам чытачам у гэтым раздзеле, на першы погляд здаецца зразумелай. Аднак, як вядома, лёгкасць заўсёды дамагаецца неймавернымі намаганнямі. І каб мы цяпер маглі расказаць простымі словамі, што такое эфект Мессбауэра для чайнікаў літаральна, калісьці працавалі цэлыя лабараторыі.

Пад цвёрдым целам звычайна маецца на ўвазе рэчыва ў крышталічным стане. Ядра атамаў у гэтым выпадку ўтвараюць строгую перыядычную краты, тады як электроны ў той ці іншай ступені абагульнены. Вядома, у крышталях металаў утвараецца вельмі спецыфічная металічная сувязь, дзякуючы якой ядра існуюць як бы асобна ад абагульненых электронаў. Электроннае воблака жыве па сваіх незалежным законах, не звяртаючы ўвагу на паводзіны крышталічнай рашоткі. У крышталях, дзе прысутнічаюць больш традыцыйныя іённая і кавалентная сувязі, электроны цясней звязаны са «сваімі» ядрамі. Аднак і там яны вальней перамяшчаюцца паміж суседнімі вузламі, чым у газе або вадкасці.

Ўласцівасці цвёрдага цела задаюцца не толькі хімічнымі элементамі, якія ў іх уваходзяць, але і сіметрыяй размяшчэння атамаў адносна адзін аднаго. У класічным прыкладзе вугляроду адна структура спараджае мяккі графіт, а іншая - самы цвёрды прыродны матэрыял - алмаз. Так што тып злучэння і сіметрыя элементарнага вочка шмат значаць для цвёрдага цела. Ва ўласцівасцях менавіта цвёрдага цела і заключаецца раскрыццё таго, што такое эфект Мессбауэра. Прырода яго тлумачыцца наступным: усе атамы ў цвёрдым целе звязаныя.

калектыўныя квазичастицы

Цяпер уявіце сабе досыць вялікую трохмерную краты. Для мадэлі больш за ўсё падыходзіць соль: Na і Cl размешчаны ў вяршынях кубікаў, змяняючы адзін аднаго. Калі нейкім чынам захапіць адзін атам і пацягнуць яго, зрушыць з прывычнага месца раўнавагі, дзякуючы дастаткова жорсткай сувязі, услед за ім пацягнуцца суседнія атамы. Разлікі паказваюць, што змена становішча аднаго ядра аказвае хоць калі-небудзь істотнае ўздзеянне на суседзяў трэцяга парадку. Гэта азначае, што калі «ўхапіць» натрый, за ім пацягнуцца суседнія атамы хлору, наступныя за ім атамы натрыю і яшчэ адзін самы далёкі пласт хлору. Ўздзеянне гэта, відавочна, будзе распаўсюджвацца ва ўсе бакі. Звычайна кажуць, што абурэння суседзяў чацвёртага парадку занядбана малыя. Аднак яны не роўныя нулю.

Такім чынам, калі нейкім чынам «стукнуць» крышталь мацней (напрыклад, накіраваць на яго лазер або пучок электронаў), крышталічная рашотка пойдзе «хвалямі». Такія калектыўныя руху, калі многія суседнія атамы крышталя адначасова адчуваюць зрушэнне, напрыклад, уверх ці ўніз, называюцца фононов. Каб даступна апісаць, што такое эфект Мессбауэра для чайнікаў, мы не будзем удавацца ў падрабязнасці і проста распавядзем, што фононы, як высветлілася, паводзяць сябе як элементарныя часціцы. Напрыклад, іх энергія Квант, яны валодаюць даўжынёй хвалі, імпульсам, і яны здольныя ўзаемадзейнічаць адзін з адным. Такім чынам, фононы атрымалі назву калектыўных квазичастиц. Іх колькасць і якасць задаецца структурай цвёрдага цела, у якой яны ўзнiкаюць. Разлічыць гэта можна, ведаючы памер, сіметрыю і тыпы атамаў элементарнага вочка. На ўзнікненне фононов таксама ўплываюць даўжыні і тыпы сувязяў паміж іёнамі ў крышталічнай рашотцы.

зонная тэорыя

Так як цвёрдае цела абагульняе ўсе свае электроны, то і арбіталь (а значыць, і іх энергіі) таксама павінна абагульняць. Для пачатку трэба ўспомніць, што электроны ставяцца да такога класу часціц, якія называюцца фермионами. Фермі, Дирак і Паўлі сумесна высветлілі, што ў адным стане можа знаходзіцца ў дадзенай сістэме толькі адна часціца такога роду. Калі вярнуцца да прыкладу солі, то кожны крышталь, якім мы пасыпаем суп або мяса, змяшчае неймаверную колькасць іёнаў натрыю і хлору. І ў кожнага з іх аднолькавая колькасць электронаў, якія круцяцца па ідэнтычным арбітах. Як жа быць? Цвёрдае цела выходзіць са становішча наступным чынам: энергія кожнага электрона, які круціць па арбіце вакол ядра, трохі адрозніваецца ад энергіі любога іншага электрона, які належыць той жа арбіце іншага атама. Такім чынам, атрымліваецца: у крышталі існуе неверагодна шмат узроўняў энергіі, якія адрозніваюцца адзін ад аднаго настолькі мала, што ўтвараюць спрасаваная зону. Абурэння, якое ўносяць фононы, невялікія, так як адзін атам вагаецца не вельмі моцна. Значэнне мае толькі калектыўнае рух як адзінага цэлага. Таму энергія фононов як бы «раствараецца» у энергіі зоны. На гэтым і грунтуецца эфект Мессбауэра.

электрамагнітная шкала

Рух зараджаных часціц суправаджаецца з'яўленнем электрамагнітнага поля. Дадзены факт ставіць, напрыклад, пытанне, чаму адзін планеты і спадарожнікі ім валодаюць, а іншыя - не. Электрамагнітныя хвалі прынята падпадзяляць на класы па іх частаце і, адпаведна, энергіі. Гэтыя дзве характарыстыкі звязаныя паміж сабой, а таксама залежаць ад даўжыні хвалі. Што такое эфект Мессбауэра коратка расказаць можна толькі пры ўмове, што чытач разумее, дзе на электрамагнітнай шкале размешчана гама-выпраменьванне. Такім чынам, адкрываюць шкалу радыёхвалі. Тэарэтычна мяжа іх даўжыні хвалі - памеры сусвету. Аднак энергія такіх выпраменьванняў была б настолькі малая, што яе немагчыма зарэгістраваць. Ледзь вышэй частата ў терагерцового выпраменьвання. Аднак і яно, і радыёхвалі назіраюцца ў вельмі спецыфічных умовах: тармажэнне электронаў у магнітным полі, изгибные ваганні палімераў, рух Эксітонны ў цвёрдым целе. Больш зразумелая наступная частка электрамагнітнага спектру - інфрачырвонае выпраменьванне. Яно перадае энергію ў выглядзе цяпла. Яшчэ вышэй энергія ў бачнага выпраменьвання. Тая частка спектру, якую ўспрымае чалавечае вока, вельмі малая ў параўнанні з усёй шкалой.

Чырвонае святло нясе найменшую энергію, а фіялетавы - найбольшую. У сувязі з гэтым вядомы парадокс: больш халодная вада пазначаецца сінім колерам, энергія якога вышэй, чым у чырвонага выпраменьвання. Наступны за гэтым ультрафіялетавае ўчастак электрамагнітнай шкалы ўжо валодае досыць высокай частатой, каб пранікаць у цвёрдае цела. Нягледзячы на тое што людзі, як і іншыя жывыя істоты нашай планеты, не ўспрымаюць ўльтрафіялет, яго значэнне для нармальнага функцыянавання біялагічных арганізмаў велізарна. Асноўнай крыніцай ультрафіялетавага вывучэння з'яўляецца Сонца. Больш высокай энергіяй і здольнасцю пранікаць скрозь шматлікія рэчывы мае рэнтген. Крыніцай такога выпраменьвання з'яўляецца тармажэнне электронаў у электрамагнітных палях. Пры гэтым электроны могуць быць як звязанымі, гэта значыць належаць атама, так і свабоднымі. У медыцынскіх апаратах стаяць прылады на свабодных электронах. І нарэшце, самым жорсткім і самым караткахвалевага з'яўляецца гама-выпраменьванне.

Рэнтген і гама

Эфект Мессбауэра і яго прымяненне ў фізіцы і тэхніцы патрабуе адрозніваць гама-кванты і рэнтгенаўскае выпраменьванне. Па ўзроўні энергіі і, адпаведна, даўжыні хвалі яны ў вельмі шырокім дыяпазоне перакрываюцца. Гэта значыць існуе і гама, і рэнтгенаўскае выпраменьванне з даўжынёй хвалі 5 пикометров. Адрозніваюцца спосабы іх атрымання. Як ужо тлумачыць вышэй, рэнтгенаўскае выпраменьванне ўзнікае пры тармажэнні электронаў. Акрамя таго, у некаторых працэсах (у тым ліку ядзерных) знікае электрон з ўнутранай абалонкі досыць цяжкага атама, напрыклад, ўрану. Пры гэтым іншыя электроны імкнуцца заняць яго месца. Такія пераходы і становяцца крыніцай рэнтгенаўскага выпраменьвання. Гама-кванты з'яўляюцца вынікам пераходаў самага ядра з больш узбуджанай стану. Гэта выпраменьванне валодае вялікай пранікальнай здольнасцю і іянізуе атамы, з якімі ўзаемадзейнічае. Пры гэтым, калі гама-квант сутыкаецца з ядром атама, павінна прысутнічаць так званая аддача. Аднак на практыцы высветлілася, што пры ўзаемадзеянні гама-кванта з ядром атама, які належыць цвёрдым целе, аддача адсутнічае. Тлумачыцца гэта тым, што дадатковая энергія як бы «размазваецца» па электронных зонам крышталя, спараджаючы фононов.

ізатопы

Эфект Мессбауэра і яго прымяненне цесна звязаны з адным дзіўным фактам: з'ява дзейнічае не на ўсе хімічныя элементы перыядычнай табліцы. Мала таго, ён істотны толькі для некаторых ізатопаў рэчываў. Калі чытач раптам забыўся, што такое ізатопы, нагадаем. Вядома, што любы асобна ўзяты атам электронейтрален. Гэта значыць, што ў ядры станоўчых пратонаў столькі ж, колькі ў абалонцы электронаў. Аднак ядро змяшчае яшчэ і нейтроны, часціцы без зарада. Калі змяніць іх лік у ядры, электранейтральна не парушыцца, аднак ўласцівасці такога атама злёгку зменяцца. Акрамя таго, бывае, што больш цяжкі ізатоп радыёактыўны і схільны распадацца, тады як звычайнае рэчыва цалкам устойліва. Зусім пэўны спіс элементаў і іх ізатопаў, для якіх характэрны эфект Мессбауэра. Выяўленне ⁵⁷ Fe, напрыклад, звычайна давяраюць менавіта гэтай з'яве.

Карысць квантавых эфектаў

Вырабіць вопыт, у якім пацвярджаецца тая ці іншая гіпотэза, якая адносіцца да мікрасвету, часцяком бывае няпроста. Да таго ж незразумела, якую карысць можа прынесці той жа эфект Мессбауэра? Прымяненне ў яго, аднак, досыць шырокае. Даследаванне уласцівасцяў крышталічных рэчываў, аморфных тэл і дробна растоўчанай парашкоў адбываецца, у тым ліку і з дапамогай гэтага квантавага з'явы. Такія дадзеныя патрабуюцца як у досыць далёкіх ад практыкі раздзелах (тэарэтычная фізіка), так і ў вельмі блізкіх чалавеку дысцыплінах - напрыклад, медыцыне. Такім чынам, эфект Мессбауэра і яго прымяненне варта разглядаць як прыклад тэарэтычнага адкрыцця, якое прыносіць нямала карысці нават у паўсядзённым жыцці.