뫼스바우어 효과

뫼스바우어 효과, 또는 무반동 핵공명 형광은 루돌프 뫼스바우어가 1958년에 발견한 물리적 현상입니다. 고체에 결합된 원자핵에 의한 감마선의 공명 및 반동이 없는 방출 및 흡수를 포함합니다. 주요 응용 분야는 뫼스바우어 분광학입니다.

뫼스바우어 효과에서 핵 감마 방출 및 흡수에 대한 좁은 공명은 반동의 운동량이 방출 또는 흡수 핵에만 전달되는 것이 아니라 주변 결정 격자에 전달되는 것에서 비롯됩니다. 이것이 발생할 때 감마 에너지는 방출 또는 흡수 끝에서 핵을 되감는 운동 에너지로 손실되지 않습니다. 방출과 흡수는 동일한 에너지에서 발생하여 강력하고 공명하는 흡수가 발생합니다.

역사

기체에 의한 X선의 방출과 흡수는 이전에도 관찰된 바 있으며, 핵 전이에 의해 생성되는 감마선에서도 유사한 현상이 발견될 것으로 예상되었습니다. 그러나 가스에서 감마선에 의해 생성된 핵 공명을 관찰하려는 시도는 에너지가 반동으로 손실되어 공명을 방지하는 데 실패했습니다(도플러 효과도 감마선 스펙트럼을 넓힙니다). 뫼스바우어는 고체 이리듐의 핵에서 공명을 관찰할 수 있었는데, 이것은 왜 고체에서는 감마선 공명이 가능하지만 기체에서는 가능하지 않느냐는 의문을 제기했습니다. 뫼스바우어는 고체로 결합된 원자의 경우 특정 상황에서 핵 사건의 일부가 본질적으로 반동 없이 발생할 수 있다고 제안했습니다. 그는 관찰된 공명을 핵 사건의 반동이 없는 부분 때문이라고 설명했습니다.

뫼스바우어 효과는 물리학에서 원래 독일어로 보고된 마지막 주요 발견 중 하나였습니다. 영어로 된 첫 번째 보고서는 실험의 독립적인 반복을 설명하는 한 쌍의 편지였습니다.^[1]^[2]

이 발견은 원자핵의 전자 산란에 대한 로버트 호프스태터의 연구와 함께 1961년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

묘사

일반적으로 감마선은 불안정한 고에너지 상태에서 안정적인 저에너지 상태로 핵 전이에 의해 생성됩니다. 방출된 감마선의 에너지는 핵 전이의 에너지에서 방출 원자에 대한 반동으로 손실되는 에너지의 양을 뺀 값에 해당합니다. 핵 전이의 에너지 선폭에 비해 손실된 반동 에너지가 작다면 감마선 에너지는 여전히 핵 전이의 에너지에 해당하며 감마선은 첫 번째와 같은 유형의 두 번째 원자에 의해 흡수될 수 있습니다. 이 방출과 그에 따른 흡수를 공진 형광이라고 합니다. 흡수하는 동안 추가적인 반동 에너지도 손실되기 때문에 공명이 발생하려면 실제로 반동 에너지가 해당 핵 전이에 대한 선폭의 절반 이하가 되어야 합니다.

반동체( $E R$ )의 에너지 양은 운동량 보존을 통해 알 수 있습니다.

P_{\mathrm {R} = P_{\mathrm {\gamma } \,

여기서 $P$ 는_R 반동 물질의 운동량이고, $P$ 는_γ 감마선의 운동량입니다. 에너지를 방정식에 대입하면 다음과 같습니다.

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

여기서 $E R$ (Fe의
경우 0.002 eV)는 반동으로 손실된 에너지, $E$ 는_γ 감마선의 에너지(Fe의
경우 14.4 keV), $M$ (Fe의
경우 56.9354 u)은 방출 또는 흡수체의 질량, c는 빛의 속도입니다.^[3] 기체의 경우 방출체와 흡수체가 원자이기 때문에 질량이 상대적으로 작아 반동 에너지가 커 공명을 방지합니다. (X선의 반동 에너지 손실에도 동일한 방정식이 적용되지만 광자 에너지는 훨씬 적어 에너지 손실이 낮으므로 X선으로 기상 공명을 관찰할 수 있습니다.)

고체에서 핵은 격자에 묶여 기체에서와 같은 방식으로 반동하지 않습니다. 전체 격자는 반동하지만 위 식의 $M$ 은 전체 격자의 질량이기 때문에 반동 에너지는 무시할 수 있습니다. 그러나 붕괴 속의 에너지는 격자 진동에 의해 흡수되거나 공급될 수 있습니다. 이러한 진동의 에너지는 포논(phonon)이라고 하는 단위로 양자화됩니다. 뫼스바우어 효과는 포논이 없는 붕괴가 일어날 확률이 유한하기 때문에 발생합니다. 따라서 핵 사건의 일부(반동이 없는 분율, Lamb-Mössbauer factor에 의해 제공됨)에서 전체 결정이 반동체로 작용하고 이러한 사건은 본질적으로 반동이 없습니다. 이러한 경우, 반동 에너지는 무시할 수 있기 때문에 방출되는 감마선은 적절한 에너지를 가지며 공진이 일어날 수 있습니다.

일반적으로 (붕괴의 반감기에 따라) 감마선은 매우 좁은 선폭을 가지고 있습니다. 이것은 그들이 핵 전이 에너지의 작은 변화에 매우 민감하다는 것을 의미합니다. 사실, 감마선은 핵과 핵의 전자 그리고 이웃의 전자들 사이의 상호작용의 영향을 관찰하기 위한 탐침으로 사용될 수 있습니다. 이는 이러한 상호작용을 모니터링하기 위해 뫼스바우어 효과와 도플러 효과를 결합한 뫼스바우어 분광법의 기초입니다.

뫼스바우어 효과와 매우 유사한 과정인 제로 포논 광학 전이는 낮은 온도에서 격자 결합 발색단에서 관찰될 수 있습니다.

참고 항목

참고문헌

^ Craig, P.; Dash, J.; McGuire, A.; Nagle, D.; Reiswig, R. (1959). "Nuclear Resonance Absorption of Gamma Rays in Ir¹⁹¹". Physical Review Letters. 3 (5): 221. Bibcode:1959PhRvL...3..221C. doi:10.1103/PhysRevLett.3.221.
^ Lee Jr., L. L.; Meyer-Schutzmeister, L.; Schiffer, J. P.; Vincent, D. (1959). "Nuclear Resonance Absorption of Gamma Rays at Low Temperatures". Physical Review Letters. 3 (5): 223. Bibcode:1959PhRvL...3..223L. doi:10.1103/PhysRevLett.3.223.
^ Nave, C.R. (2005). "Mössbauer Effect in Iron-57". HyperPhysics. Georgia State University. Retrieved 7 June 2010.

외부 링크

Wikimedia Commons의 Mössbauer effect 관련 미디어

[1] Craig, P.; Dash, J.; McGuire, A.; Nagle, D.; Reiswig, R. (1959). "Nuclear Resonance Absorption of Gamma Rays in Ir¹⁹¹". Physical Review Letters. 3 (5): 221. Bibcode:1959PhRvL...3..221C. doi:10.1103/PhysRevLett.3.221.

[2] Lee Jr., L. L.; Meyer-Schutzmeister, L.; Schiffer, J. P.; Vincent, D. (1959). "Nuclear Resonance Absorption of Gamma Rays at Low Temperatures". Physical Review Letters. 3 (5): 223. Bibcode:1959PhRvL...3..223L. doi:10.1103/PhysRevLett.3.223.

[3] Nave, C.R. (2005). "Mössbauer Effect in Iron-57". HyperPhysics. Georgia State University. Retrieved 7 June 2010.

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