Эффект Мессбауэра: открытие эффекта и его значение

Статья рассказывает о том, что такое эффект Мессбауэра. А также раскрываются такие понятия, как квант, уровень энергии в атоме и атомном ядре, твердое тело и коллективные квазичастицы в нем.

Видео: САМОЕ ГЛАВНОЕ ОТКРЫТИЕ XXI ВЕКА

Математическая забава

Прорыв в физике, который произошел в первое десятилетие двадцатого века, потребовал от ученых серьезных знаний в математике. Многие открытия были выведены, что называется, на кончике пера: сначала они были вычислены теоретически и только потом обнаружены на практике.

Например, наличие гравитационных волн, предсказанное Эйнштейном в 1910 году, смогли подтвердить экспериментально только в 2016 году. Слияние двух нейтронных звезд породило дрожь пространства, которую земные физики уловили и зафиксировали, открыв эру гравитационных измерений в науке человечества. Не зря здесь упоминается гравитация: именно для таких исследований имеет эффект Мессбауэра значение. Но это скорее исключение, чем правило. Чаще всего теоретики и экспериментаторы наступали друг другу на пятки: одно исследование порождало необходимость его математического описания, а побочными выводами становилось предположение о новых, еще не полученных зависимостях. Эффект Мессбауэра оказался одним из таких явлений. Таким «побочным» явлением стало и предположение Макса Планка, высказанное в конце 1900 года. Оно гласило, что в мире электронов и атомных ядер все величины могут принимать только дискретные значения, то есть квантоваться. Причем, по его собственному убеждению, это было всего лишь математическим трюком, который делал вычисления более удобными. До конца жизни он считал, что квант, или наименьшая возможная порция, например света, - только подходящий способ описания, не несущий серьезного физического смысла.

Квантовый мир

Видео: Питательная очищающая медовая маска для лица с подтягивающим эффектом.

Однако другие ученые, заинтересованные в адекватном описании происходящего в масштабах атома, рассмотрели потенциал такого вывода и приняли за аксиому, что квантуется все. Электроны вокруг ядер могут находиться только на определенных орбитах, сами атомные ядра могут иметь только конкретные уровни энергии. Перескакивая между ними, ядра порождают гамма-кванты. Эффект Мессбауэра утверждает, что данное действие должно порождать своего рода отдачу, однако этого не происходит. Вообще все величины, которые описывают поведение наномира, подвержены квантованию – то есть дискретны. Однако не стоит забывать, что импульс, который в макромире выражается как произведение массы на скорость, для элементарной частицы является чем-то принципиально иным, а значит, он тоже квантуется. Так что в науке доклад, на котором Макс Планк вывел свою знаменитую формулу, содержащую величину h, или минимальное действие, открыл новую эру. Это была эра квантовой физики. Эффект Мессбауэра, интерпретация, которую впоследствии дали этому явлению, стали одной из важнейших вех науки двадцатого века.

Открытие эффекта Мессбауэра

Как мы уже отмечали выше, теоретические выводы шли рука об руку с экспериментом. Некоторые практические выводы доказывались на установках, собранных буквально «на коленке» и из подручных материалов. Ученые должны были уметь не только выводить формулы, но и запаивать колбы, пилить доски, работать с металлом и собирать установки. Конечно, главы лабораторий только обобщали результаты своих подопечных. Однако каждый экспериментатор был еще и инженером, так как приборы разрабатывались под конкретные цели и непосредственно в процессе исследования. Не стал исключением и эффект Мессбауэра. Открытие его не состоялось бы, если бы упрямый докторант Рудольф Мессбауэр не поменял способ измерения, охлаждая установку, вместо того чтобы нагревать ее, как советовал научный руководитель.

Твердое тело

Теория, о которой мы расскажем читателям в этом разделе, на первый взгляд кажется понятной. Однако, как известно, легкость всегда добивается неимоверными усилиями. И чтобы мы сейчас могли рассказать простыми словами, что такое эффект Мессбауэра для чайников буквально, когда-то трудились целые лаборатории.

Под твердым телом обычно подразумевается вещество в кристаллическом состоянии. Ядра атомов в этом случае образуют строгую периодическую решетку, тогда как электроны в той или иной степени обобщены. Конечно, в кристаллах металлов образуется весьма специфическая металлическая связь, благодаря которой ядра существуют как бы отдельно от обобщенных электронов. Электронное облако живет по своим независимым законам, не обращая внимание на поведение кристаллической решетки. В кристаллах, где присутствуют более традиционные ионная и ковалентная связи, электроны теснее связаны со «своими» ядрами. Однако и там они свободнее перемещаются между соседними узлами, чем в газе или жидкости.

Свойства твердого тела задаются не только химическими элементами, которые в них входят, но и симметрией расположения атомов относительно друг друга. В классическом примере углерода одна структура порождает мягкий графит, а другая – самый твердый природный материал – алмаз. Так что тип соединения и симметрия элементарной ячейки много значат для твердого тела. В свойствах именно твердого тела и заключается раскрытие того, что такое эффект Мессбауэра. Природа его объясняется следующим: все атомы в твердом теле связаны.

Коллективные квазичастицы

Теперь представьте себе достаточно большую трехмерную решетку. Для модели больше всего подходит соль: Na и Cl расположены в вершинах кубиков, сменяя друг друга. Если каким-то образом захватить один атом и потянуть его, сдвинуть с привычного места равновесия, благодаря достаточно жесткой связи, вслед за ним потянутся соседние атомы. Расчеты показывают, что изменение положения одного ядра оказывает хоть сколь-нибудь существенное воздействие на соседей третьего порядка. Это означает, что если «ухватить» натрий, за ним потянутся соседние атомы хлора, следующие за ним атомы натрия и еще один самый дальний слой хлора. Воздействие это, очевидно, будет распространяться во все стороны. Обычно говорят, что возмущения соседей четвертого порядка пренебрежимо малы. Однако они не равны нулю.

Следовательно, если каким-то образом «стукнуть» кристалл посильнее (например, направить на него лазер или пучок электронов), кристаллическая решетка пойдет «волнами». Такие коллективные движения, когда многие соседние атомы кристалла одновременно испытывают смещение, например, вверх или вниз, называются фононами. Чтобы доступно описать, что такое эффект Мессбауэра для чайников, мы не будем вдаваться в подробности и просто расскажем, что фононы, как выяснилось, ведут себя как элементарные частицы. Например, их энергия квантуется, они обладают длиной волны, импульсом, и они способны взаимодействовать друг с другом. Таким образом, фононы получили название коллективных квазичастиц. Их количество и качество задается структурой твердого тела, в котором они возникают. Рассчитать это можно, зная размер, симметрию и типы атомов элементарной ячейки. На возникновение фононов также влияют длины и типы связей между ионами в кристаллической решетке.

Зонная теория

Так как твердое тело обобщает все свои электроны, то и орбитали (а значит, и их энергии) тоже должны обобщаться. Для начала надо вспомнить, что электроны относятся к такому классу частиц, которые называются фермионами. Ферми, Дирак и Паули совместно выяснили, что в одном состоянии может находиться в данной системе только одна частица такого рода. Если вернуться к примеру соли, то каждый кристалл, которым мы посыпаем суп или мясо, содержит неимоверное количество ионов натрия и хлора. И у каждого из них одинаковое количество электронов, которые вращаются по идентичным орбитам. Как же быть? Твердое тело выходит из положения следующим образом: энергия каждого электрона, вращающего по орбите вокруг ядра, немного отличается от энергии любого другого электрона, принадлежащего той же орбите другого атома. Таким образом, получается: в кристалле существует невероятно много уровней энергии, которые отличаются друг от друга настолько мало, что образуют спрессованную зону. Возмущения, которое вносят фононы, небольшие, так как один атом колеблется не очень сильно. Значение имеет только коллективное движение как единого целого. Поэтому энергия фонона как бы «растворяется» в энергии зоны. На этом и основывается эффект Мессбауэра.

Электромагнитная шкала

Движение заряженных частиц сопровождается появлением электромагнитного поля. Данный факт ставит, например, вопрос, почему один планеты и спутники им обладают, а другие – нет. Электромагнитные волны принято подразделять на классы по их частоте и, соответственно, энергии. Эти две характеристики связаны между собой, а также зависят от длины волны. Что такое эффект Мессбауэра кратко рассказать можно лишь при условии, что читатель понимает, где на электромагнитной шкале расположено гамма-излучение. Итак, открывают шкалу радиоволны. Теоретически предел их длины волны – размеры вселенной. Однако энергия таких излучений была бы настолько мала, что ее невозможно зарегистрировать. Чуть выше частота у терагерцового излучения. Однако и оно, и радиоволны наблюдаются в весьма специфических условиях: торможение электронов в магнитном поле, изгибные колебания полимеров, движение экситонов в твердом теле. Более понятна следующая часть электромагнитного спектра – инфракрасное излучение. Оно передает энергию в виде тепла. Еще выше энергия у видимого излучения. Та часть спектра, которую воспринимает человеческий глаз, весьма мала по сравнению со всей шкалой.

Видео: Эффект Виганда

Красный свет несет наименьшую энергию, а фиолетовый – наибольшую. В связи с этим известен парадокс: более холодная вода обозначается синим цветом, энергия которого выше, чем у красного излучения. Следующий за этим ультрафиолетовый участок электромагнитной шкалы уже обладает достаточно высокой частотой, чтобы проникать в твердое тело. Несмотря на то что люди, как и другие живые существа нашей планеты, не воспринимают ультрафиолет, его значение для нормального функционирования биологических организмов огромно. Основным источником ультрафиолетового изучения является Солнце. Более высокой энергией и способностью проникать сквозь многие вещества имеет рентген. Источником такого излучения является торможение электронов в электромагнитных полях. При этом электроны могут быть как связанными, то есть принадлежать атомам, так и свободными. В медицинских аппаратах стоят устройства на свободных электронах. И наконец, самым жестким и самым коротковолновым является гамма-излучение.

Рентген и гамма

Эффект Мессбауэра и его применение в физике и технике требует различать гамма-кванты и рентгеновское излучение. По уровню энергии и, соответственно, длине волны они в очень широком спектре перекрываются. То есть существует и гамма, и рентгеновское излучение с длиной волны 5 пикометров. Различаются способы их получения. Как уже пояснялось выше, рентгеновское излучение возникает при торможении электронов. Кроме того, в некоторых процессах (в том числе ядерных) исчезает электрон с внутренней оболочки достаточно тяжелого атома, например, урана. При этом другие электроны стремятся занять его место. Такие переходы и становятся источником рентгеновского излучения. Гамма-кванты являются результатом переходов самого ядра из более возбужденного состояния. Это излучение обладает большой проникающей способностью и ионизирует атомы, с которыми взаимодействует. При этом, когда гамма-квант сталкивается с ядром атома, должна присутствовать так называемая отдача. Однако на практике выяснилось, что при взаимодействии гамма-кванта с ядром атома, принадлежащего твердому телу, отдача отсутствует. Объясняется это тем, что дополнительная энергия как бы «размазывается» по электронным зонам кристалла, порождая фонон.

Видео: Редактирование эффекта наложения видео в Pinnacle Studio (27/47)

Изотопы

Эффект Мессбауэра и его применение тесно связаны с одним удивительным фактом: явление действует не на все химические элементы периодической таблицы. Мало того, он существенен только для некоторых изотопов веществ. Если читатель вдруг забыл, что такое изотопы, напомним. Известно, что любой отдельно взятый атом электронейтрален. Это значит, что в ядре положительных протонов столько же, сколько в оболочке электронов. Однако ядро содержит еще и нейтроны, частицы без заряда. Если изменить их число в ядре, электронейтральность не нарушится, однако свойства такого атома слегка изменятся. Кроме того, бывает, что более тяжелый изотоп радиоактивен и склонен распадаться, тогда как обычное вещество вполне устойчиво. Совершенно конкретен список элементов и их изотопов, для которых характерен эффект Мессбауэра. Обнаружение ⁵⁷Fe, например, обычно доверяют именно этому явлению.

Польза квантовых эффектов

Произвести опыт, в котором подтверждается та или иная гипотеза, относящаяся к микромиру, зачастую бывает непросто. К тому же непонятно, какую пользу может принести тот же эффект Мессбауэра? Применение у него, однако, достаточно широкое. Исследование свойств кристаллических веществ, аморфных тел и мелко растолченных порошков происходит, в том числе и с помощью этого квантового явления. Такие данные требуются как в достаточно далеких от практики разделах (теоретическая физика), так и в весьма близких человеку дисциплинах – например, медицине. Таким образом, эффект Мессбауэра и его применение стоит рассматривать как пример теоретического открытия, которое приносит немало пользы даже в повседневной жизни.