Mesbauerov efekat

Mesbauerov efekat je pojava da se promena energije emitovanih gama fotona nastala uzmakom emitera, može ukloniti 'ugrađivanjem' emitera u kristalnu rešetku. Efekat je otkrio Rudolf Mesbauer 1957. i za njegovo otkriće Nobelovu nagradu za fiziku 1961. podelio sa Robertom Hofštaderom (koji se bavio rasejanjem elektrona na atomskim jezgrima).

Opis

Kod gasova rezonantna emisija i apsorpcija x-zraka već je bila opažena i slično se očekivalo sa gama zracima. Međutim, kod gama zraka efekat nije opažen zbog uzmaka jezgra prilikom emisije zraka. Deo energije zračenja se troši na kinetičku energiju uzmaklog jezgra pa je energija fotona, te otuda i frekvencija zraka, manja od one koju bi fotoni imali da uzmaka nema. Ta mala promena frekvencije dovodi do gubitka rezonancije. Mesbauer je uspeo da opazi rezonantnu apsorpciju u čvrstom iridijumu, pa se postavljalo pitanje zašto je rezonantna apsorpcija moguća u čvrstom a ne i u gasovitmo stanju. Mesbauer je predložio da, za atome vezane u kristalnu rešetku pod izvesnim uslovima može da dođe do emisje zračenja bez uzmaka.

Gama zraci (fotoni) nastaju kada atomsko jezgro prelazi iz nestabilnog visokoenergijskog stanja u stabilno stanje niže energije. Moguć je i obrnut proces u kojem jezgro u nižem energijskom stanju apsorbuje gama foton i prelazi u pobuđeno stanje. Međutim, jegro može da apsorbuje samo one fotone čija se energija poklapa sa energijskom razlikom među nivioima. Poklapanje tih energija je nužno jer se mogući višak ili manjak energije fotona ne može ni primiti ni predati zbog kvantne prirode atomskih pojava. Taj uslov za jednakost energije fotona i energijske razlike među nivoima naziva se rezonantni uslov a pojava rezonantna apsorpcija. Dakle, pobuđeno jezgro emituje gama zrake a jezgro u osnovnom stanju može da ih apsrobuje. Energije emitovanih zraka karakteristične su za svako jezgro, ili svaki par energijskih nivoa. Međutim, čak i tada one su raspršene unutar malog intervala koji se zove širina prelaza. Ta nedoređenost posledica je konačnog vremena života pobuđenog stanja i saglasno Hajzenbergova relacija neodređenosti širina prelaza obrnuto je proporcionalna njegovoj dužini života.

Energija emitovanog gama fotona odgovara energiji nuklearnog prelaza umanjenoj za energiju izgubljenu u uzmaku jezgra. (Uzmak kod jezgra istog je porekla kao trzaj topa ili puške prilikom ispaljivanja zrna a posledica je zakona akcije i reakcije.) Ako je izgubljena «energija uzmaka» mala u poređenju sa širinom prelaza uzmak će biti neprimetan i tada foton može da bude apsorbovan od strane istog jezgra koje je u osnovnom stanju. Dodatna energija uzmaka gubi se i prilikom apsorpcije fotona pa da bi došlo do do rezonantne apsorpcije energija uzmaka mora biti manja od polovine širine prelaza. Jer, ako je ukupna energija uzmaka veća od širine prelaza gubi se rezonantni uslov.

Veličina izgubljene energije E_R raste sa kvadratm energije gama fotona, E_γ a opada sa masom emitera ili apsorbera, M:

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

gde je c brzina svetlosti. Kod gasova emiteri i apsorberi su pojedinačna atomska jezgra čija je masa dovoljno mala da gubici usled uzmaka budu značajni što sprečava rezonanciju. Ista jednačina važi i za h-zrake samo što je energija njihovih fotona znatno manja pa za istu masu i energija uzmaka postaje zanemariva i otuda rezonancija očuvana.

Zbog kvantne prirode čvrstog tela, vibracione energije atoma vezanih u kristalnu rešetku su kvantirane. Ako energija uzmaka nije dovoljna da pobudi rešetku u sledeće vibraciono stanje onda ceo kristal deluje kao telo koje uzmiče. Dakle, masa M u gornjoj jednačini postaje ogromna i emisija se odigrava bez uzmaka. Tada je energija emitovanog fotona jednaka energiji prelaza i može da doće do rezonancije.

Po prirodi gama zraci imaju vrlo uske prelaze (male širine prelaza) zbog čega se i najmanja promena u nuklearnim energijskim nivoima odražava na njihovoj frekvenciji. Zato gama zraci mog da se koriste za ispitivanje međudelovanja elktrona i atomskih jezgara. To predstavlja osnovu za Mesbauerovu spektroskopiju u kojoj je spretnom kombinacijom Mesbauerovog sa Doplerovim efektom moguće pratiti vrlo fine promene u eletronskom omotaču.

Vidi isto

Literatura

R.L. Mössbauer, Gammastrahlung in Ir¹⁹¹, Z. Physik 151, 124 (1958). (na nemačkom)
H. Frauenfelder, The Mössbauer Effect, W. A. Benjamin, New York, 1962.
S. Macura, J. Radić-Perić, ATOMISTIKA, Fakultet za fizičku hemiju Univerziteta u Beogradu/Službeni list, Beograd, 2004, str. 545.
Korišćenje Mesbauerovog efekta u Paund-Rebka eksperimentu (Use of the Mossbauer Effect in the Pound Rebka Experiment) Arhivirano 2006-01-12 na Wayback Machine-u (PDF, na engleskom)

[[Kategorija:Fizičke pojave]