Mössbauer-effektus

Mössbauer-elmélet sematikus ábra

Bizonyos atommagok gamma-sugarak (gamma-foton) elnyelésekor az elnyelt sugárzást visszasugározzák, mégpedig megnövekedett hullámhossz tartományban. A jelenséget Rudolf Mössbauer fedezte fel 1958-ban, az irídium 191-es izotópjával, s a kísérletek során azt tapasztalta, hogy a hőmérséklet csökkenésével a rezonancia-abszorpció mértéke megnövekedett, melynek oka, hogy ilyen módon sokkal több atom képes a visszalökődésmentes abszorpcióra (rezonancia-fluoreszcencia).

Háttere

Bármely kis részecske (atom vagy molekula) amely sugárzást nyel el, a beérkező pl. gamma-foton hatásaként visszalökődik (kivételt képeznek a kristályok, amelyek visszalökődés nélkül sugároznak (ekkor az energia a teljes kristályszerkezetben oszlik szét) hogy megtartsa energiáját és impulzusát. Mind a visszalökődés során képződő energiát (visszalökődési energia), mind a kisugárzott foton energiáját az az energiakülönbség szolgáltatja, amely az emittált sugárzás kezdeti és végső fázisa közötti energiakülönbség: $h\nu =E_i-E_f$. Ebből következően az emittált foton ($h{\nu }^{\prime }$) energiája kisebb, mint a beérkező fotoné ($h\nu$). Az abszorpció és az emisszió által létrehozott energia különbségére vonatkozó hozzávetőleges formulát így adhatjuk meg: $\mathrm{\Delta }(h\nu )\cong \frac{(h\nu {)}^2}{m{c}^2}$, ahol m az abszorbens tömege, c a fénysebesség. Vegyünk példaként egy vasatomot; vajon lehetséges-e hogy ezen atom egy másik vasatom által kibocsátott elektromágneses sugárzást abszorbeáljon. Ez teljesen nem történik meg, mert az átmenet során felszabaduló E energia egy részét felemészti a visszalökött mag. A rezonancia csak abban az esetben nyelődik el, ha az energiaveszteség kisebb a természetes vonalszélességnél: $\mathrm{\Delta }E<\mathrm{\Gamma }$.

Előfordulása

Számos fizikai jelenség képes egy sugárzási átmenetnél a természetes vonalszélességet megnövelni. Számos, laborban is létrehozható fizikai hatásnál megfigyelhető ilyen, többek között a Doppler-kiszélesedésnél. Míg azonban ezek a jelenségek csak minimális esetben okoznak hasonlót, a természetes vonalkiszélesedés egyik jellegzetes forrása a Heisenberg-féle határozatlansági elv. Atom-, molekula- vagy magsugárzás esetén a frekvenciatartomány spektrumát a határozatlansági elv szolgáltatja a következőképpen: $\mathrm{\Delta }E\mathrm{\Delta }t\approx \hslash$, ahol $\mathrm{\Delta }t$ az átmenet ideje ($\tau$). Gerjesztett állapotban, ha $\tau$ = 10⁻⁷ s, a vonalszélesség 4·10⁻⁸ eV. Optikai esetben tehát rezonanciaelnyelés nagy valószínűséggel fordul elő, magsugárzásnál azonban a több nagyságrenddel nagyobb energia miatt nem. A visszalökődésmentes rezonanciaelnyelés valószínűsége annál nagyobb, minél kisebb az átmenet energiája és ha atomi rendszerről van szó, minél alacsonyabb a kristály hőmérséklete.

Gerjesztés nélküli abszorpció

Atomi rendszerben előforduló spontán abszorpció nagyban függ a kristályszerkezet felépítésétől - a rezgési frekvenciák eloszlását, a kristály rezgési spektrumát a kötések mikéntje határozza meg. Kvantumelektrodinamikai számításokból feltehetjük, hogy a fotonabszorpció valószínűsége a kristály egyensúlyi rácspontjának helyétől, az atommag egyensúlyi helyzetéből történő kimozdulásának nagyságától függ: $$W_Q=|e^{-ik{x}_o}⟨{\mathrm{\Psi }}_G(x)|e^{-ikx}\mid {\mathrm{\Psi }}_A(x)⟩{|}^2$$ Minthogy az impulzus bizonytalansága $\mathrm{\Delta }p=\hslash /x$, a valószínűség akkor lesz 0-tól különböző, ha $\hslash k$ << p, vagyis a kicsi a sugárzás energiája, mert ekkor x is kicsi (az atommag kimozdulása egyensúlyi helyzetből).

Források

• Fényes. Atommagfizika II. : részecskék és kölcsönhatásaik : [egyetemi tankönyv (latviešu nyelven). Debrecen: Debreceni Egyetemi Kiado (2013). ISBN 978-963-318-397-7 
• The Theory Behind Mossbauer Spectroscopy. faculty.knox.edu. (Hozzáférés: 2017. május 12.)

Kapcsolódó szócikkek

• Gamma-sugárzás