эффект Мёссбауэра

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Ответить
Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34610
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

эффект Мёссбауэра

Номер сообщения:#1   morozov »

Введение во вторую главу

Передача импульса связанной системе и эффект Мессбауэра

Введение
Этот раздел, включающий гл. 2?4, знакомит читателя с интересными проблемами ?формфакторной физики? на переднем крае самых современных исследований, а также со многими важными физическими понятиями и математическими методами. Изложение материала начинается с очень элементарного уровня, а именно с описания поведения свободной частицы и гармонического осциллятора и разъяснений, как переходить от одного базиса к другому. С понятием ?формфактора? мы встречаемся при любых исследованиях структуры сложных микроскопических систем, например в теории рассеяния рентгеновских лучей на кристалле, при изучении рассеяния света атомами, рассеяния электронов на нуклонах и ядрах и в (5-распаде. Каждый такой процесс описывается своей амплитудой перехода, обязательно содержащей формфактор, который зависит только от свойств связанной системы (например, кристалла) и кинематических величин, характеризующих процесс перехода (величин передаваемых импульсов и энергий или длин волн и частот). Формфактор не зависит ни от каких других характеристик элементарного акта излучения, рассеяния или поглощения. Такая ?самостоятельность? и независимость формфактора от характера элементарного процесса позволяет вычислить его с помощью самых элементарных соображений и получить единое, унифицированное описание многих явлений в разных областях
физики.
Формфакторная физика служит прекрасной отправной точкой для понимания корпускулярно-волнового дуализма, принципа дополнительности и принципа неопределенности, так как изучаемые в ней (испускаемое, поглощаемое и рассеиваемое) излучения
можно описывать как классические волны или как пучки классических частиц. В результате и сами формфакторы можно вычислять двумя (дополняющими друг друга) способами: используя величины длин волн и частот (при волновом описании) или величины импульсов и энергий (при корпускулярном описании). При волновом подходе формфактор характеризует пространственные размеры и физическую структуру системы в обычном пространстве, которые определяются им потому, что волны, приходящие от разных точек или частей системы, имеют различные фазы. При корпускулярном подходе формфактор характеризует структуру системы в импульсном пространстве, которая определяется им потому, что процессы передачи энергии и импульса от излучения к системе зависят от распределения импульсов в изучаемом состоянии системы. Особенно простым примером теории формфактора служит эффект Мессбауэра. Его многие основные черты можно проследить даже на чрезвычайно упрощенной модели, в которой предполагается, что ядро, испускающее -у-квант, связано некоторым внешним гармоническим осцилляторным потенциалом (а не полем кристалла) и процесс излучения не описывается детально, а просто считается неким ?внезапным? переходом с изменением импульса, излучающего ядра.
Гл. 2 мы начинаем с обсуждения на элементарном уровне кинематических законов сохранения импульса и энергии при резонансном ядерном поглощении в случае свободного ядра, которое сначала рассматривается классически, а затем квантовомехани-чески с использованием плоских волн. Далее, полученные результаты мы применяем к ядру, описываемому в приближении гармонического осциллятора, выводим дебай-валлеровский формфактор и останавливаемся подробно на различных его интерпретациях, прекрасно иллюстрирующих принцип неопределенности, принцип дополнительности и корпускулярно-волновой дуализм квантовой механики. Чтобы вычислить моменты спектра энергий излученных или поглощенных 7~квантов' мы приводим несколько элементарных примеров, позволяющих научиться работать с операторами и унитарными преобразованиями. Температурный сдвиг мессбауэровской линии сначала мы объясняем как эффект, возникающий из-за различия массы ядра в начальном (возбужденном) и конечном (основном) состояниях. После этого мы показываем, что температурный сдвиг можно считать доплеровским сдвигом второго порядка, возникающим в случае движения источника электромагнитного излучения, и 'рассматривать его Как прекрасный пример знаменитого ?парадокса близнецов? из теории относительности, в согласии с которым ядро, колеблющееся в потенциальной яме, оказывается ?моложе? другого ядра, находящегося в покое все это время. Все эти рассуждения должны быть совершенно ясны любому читателю, разобравшемуся в основных математических приемах квантовой механики и познакомившемуся с теорией гармонического осциллятора.
Гл. 3 мы начинаем с обобщения рассуждения, данного в гл. 2, на случай эффекта Мессбауэра для ядра в твердом теле. Мы проводим подробные вычисления для гармонического кристалла, используя разложение по нормальным колебаниям для сведения задачи к задачам об отдельных гармонических осцилляторах, для каждого из которых справедливы формулы гл. 2. Эффект Мессбауэра в случае ядра, находящегося в тепловом равновесии с твердым телом, дает прекрасный повод для обсуждения различия между ?статистически смешанными? и ?чистыми? квантовыми состояниями и для разъяснения некоторых правил работы с операторами, сформулированными в гл. 2. В результате мы получаем важные формулы, содержащие экспоненциальные функции, в показатели которых входят гейзенберговские операторы, и пространственно-временные корреляционные функции. Мы показываем, что окончательная формула соответствует классическому выражению для ?частотно-модулированного? излучения, испускаемого движущимся осциллятором. Затем, используя решения гейзенберговских уравнений движения для гармонического осциллятора и правила работы с экспоненциальными функциями от некоммутирующих операторов, мы получаем точную форму у-спектра, излучаемого ядром в гармоническом кристалле, находящимся в тепловом равновесии с ним. Рассмотренные далее релаксационные эффекты хорошо иллюстрируют эквивалентность ?энергетического? и ?временного? описаний, дополняющих друг друга.
В гл. 2 и 3 детали акта излучения ни разу подробно не рассматриваются, а все изменения состояния излучающего ядра описываются исключительно с помощью законов сохранения энергии и импульса. В гл. 4 разобраны процессы излучения, протекающие с передачей импульса связанной системе, причем при расчетах используется формализм вторичного квантования, описанный в гл. 5, метод феноменологического гамильтониана, а также ?золотое правило? из временной теории возмущений, развитой в гл. 7. Читатели, не знакомые с этими вопросами, должны сначала прочитать гл. 5 и 7, а потом уже гл. 4.
Феноменологический гамильтониан для свободного ядра, излучающего фотон, мы записываем с помощью вторично квантованных операторов рождения и уничтожения фотонов и ядер в основном и возбужденном состояниях. Использование законов сохранения и принципов инвариантности позволяет получить важные ограничения на вид феноменологического гамильтониана. Путем добавки некоторого потенциала к гамильтониану для свободного ядра легко построить феноменологический гамильтониан для свя-1 занного ядра. Используя формулу ?золотого правила?, можно| вообще показать, что вероятность перехода в случае связанного!
ядра распадается на произведение вероятности соответствующего перехода для свободного ядра и формфактора, зависящего только от величины переданного импульса и свойств связанной системы, но не зависящего от того, как детально проходил процесс излучения. Практически такие же методы мы используем затем при рассмотрении рассеяния фотонов на связанных атомах, при изложении теории р-распада и теории рассеяния электронов на сложных ядрах. Легко показать, что в каждом из этих случаев выражение для вероятности перехода простым образом факторизуется на указанные выше множители и непосредственно получается выражение для соответствующего формфактора.
Последний раз редактировалось morozov Пт фев 06, 2009 15:37, всего редактировалось 1 раз.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34610
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#2   morozov »

МЁССБАУЭР (Mossbauer), Рудольф Л.

род. 31 января 1929 г.

Нобелевская премия по физике, 1961 г.
совместно с Робертом Хофстедтером



Немецкий физик Рудольф Людвиг Мёссбауэр родился в Мюнхене и был одним из двух детей и единственным сыном Людвига Мёссбауэра, фототехника, и Эрны (в девичестве Эрнст) Мёссбауэр. Получив начальное образование в местных школах, он поступил затем в неклассическую среднюю школу Мюнхена, которую закончил в 1948 г. Некоторое время он работал в оптической фирме, после чего поступил в Мюнхенский технический университет; в 1952 г. стал бакалавром, в 1955 г. ? магистром, а в 1958 г. ? доктором. В течение академического 1953/54 г. работал преподавателем математики в том же университете. С 1955 по 1957 г. он был ассистентом в Институте медицинских исследований в Гейдельберге, входившем в Институт Макса Планка, а в 1958 г. стал стипендиатом-исследователем в Мюнхенском техническом университете.

Докторские исследования М., хотя и велись главным образом в Институте Макса Планка, были выполнены под руководством его научного руководителя, физика из Мюнхена Хейнца Майер-Лейбница. Эти исследования касались излучения и поглощения гамма-лучей атомными ядрами. Гамма-лучи ? это разновидность электромагнитного излучения, энергия которого превосходит энергию рентгеновских лучей; они испускаются нестабильными (радиоактивными) атомными ядрами.

С 1850-х гг. было известно, что некоторые газы, жидкости и твердые тела (например, фтористые соединения) поглощают электромагнитное излучение (обычно видимый свет) и немедленно вновь его излучают (это явление получило название флуоресценции). В специальном случае, известном как резонансная флуоресценция, и поглощаемое, и испускаемое излучения обладают одинаковыми энергией, длиной волны и частотой. Важную информацию о строении атомов удалось получить, используя аналогичное явление флуоресценции рентгеновских лучей, в котором материал, возбужденный поглощением рентгеновских лучей, испускает рентгеновские лучи той же длины волны и частоты. Флуоресценция рентгеновских лучей была обнаружена и измерена между 1915 и 1925 гг. Чарлзом Баркла и Каем Сигбаном.

Флуоресцентное поглощение происходит только в том случае, если энергия возбуждающего фотона (частицы электромагнитного излучения) равна энергии, необходимой для возбуждения атома или его ядра. Однако энергия фотона зависит от движения атома, который его поглощает или испускает: атом и фотон приближаются друг к другу ? энергия возрастает; если же они удаляются друг от друга ? энергия уменьшается. Это усложняет картину, поскольку само явление излучения или поглощения фотона определяется его движением относительно атома.

Процесс испускания или поглощения фотона протекает с сохранением как энергии, так и импульса; другими словами, суммарная энергия и суммарный импульс фотона и атома должны оставаться теми же самыми и до, и после данного события. Отсюда следует, что, излучая фотон, атом должен испытывать отдачу. Энергия такой отдачи вычитается из энергии фотона, которая, следовательно, становится несколько меньше той энергии, которой обладал бы фотон, если бы такой отдачи не было.

Для фотонов видимого света, которые обладают сравнительно малой энергией и импульсом, эффектом атомной отдачи можно пренебречь. В то же время фотоны гамма-лучей обладают энергией, превышающей от 10 тыс. до миллиона раз энергию видимого света, и отдача становится существенной. Когда атомное ядро испускает фотон, появляющееся в результате отдачи движение ядра вызывает заметное уменьшение энергии фотона. В итоге излучаемый фотон обладает не совсем той же самой энергией (или длиной волны, или частотой), что и фотон, который может быть поглощен данной разновидностью ядра. По этой причине резонансная флуоресценция ? при которой испускаемый и поглощаемый фотоны должны обладать равными энергиями ? обычно у гамма-лучей не наблюдается.

М. нашел способ добиться резонансной флуоресценции гамма-лучей. В качестве их источника он использовал атомы радиоактивного изотопа металла иридия. Иридий имеет форму кристаллического твердого тела, так что как излучающие, так и поглощающие атомы занимают фиксированное положение в кристаллах. Охладив кристаллы жидким азотом, он с удивлением обнаружил, что флуоресценция заметно увеличилась. Изучая это явление, он установил, что отдельные ядра, испускающие или поглощающие гамма-лучи, передают импульс взаимодействия непосредственно всему кристаллу. Поскольку кристалл гораздо более массивен, чем ядро, у излучаемых и поглощаемых фотонов частотный сдвиг не наблюдается. Это явление, которое М. назвал ?упругим ядерным резонансным поглощением гамма-излучения?, ныне носит название эффекта Мёссбауэра. Как и всякий эффект, возникающий в твердом теле, он зависит от кристаллической структуры вещества, от температуры и даже от присутствия мельчайших примесей. М. показал, что подавление ядерной отдачи с помощью эффекта Мёссбауэра позволяет генерировать гамма-лучи, длина волны которых постоянна с точностью до одной миллиардной (109); другие исследователи улучшили этот результат, добившись стабильности с точностью до одной сто триллионной (1014).

Вначале результаты М., опубликованные в 1958 г., либо игнорировались учеными, либо подвергались сомнению. Однако через год, признав потенциальную важность эффекта Мёссбауэра, некоторые из них повторили его эксперименты, и результаты подтвердились. Тот факт, что упругое ядерное резонансное поглощение делает возможным измерение крайне малого различия в энергии двух систем (лишь бы оно было достаточно велико, чтобы воспрепятствовать резонансной флуоресценции), приводит к методу, имеющему целый ряд важных приложений. Обладая исключительно стабильной длиной волны и частотой, флуоресцентные гамма-лучи используются в качестве исключительно точного инструмента при измерениях гравитационного, электрического и магнитного полей малых частиц.

Одним из первых приложений эффекта Мёссбауэра стала в 1959 г. работа Р.В. Паунда и Г.А. Ребки из Гарвардского университета, которые воспользовались этим эффектом для подтверждения предсказания Альберта Эйнштейна о том, что гравитационное поле способно изменять частоту электромагнитного излучения. Измерение изменения частоты гамма-лучей, вызванного различием гравитационного поля у подножия и наверху 70-футовой башни, полностью подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна. Эффект Мёссбауэра позволяет также получить информацию о магнитных и электрических свойствах ядер и окружающих их электронов. Этот эффект находит применение и в таких разнообразных областях, как археология, химический катализ, строение молекул, валентность, физика твердого тела, атомная физика и биологические полимеры.

В 1961 г. М. получил половину Нобелевской премии по физике ?за исследование резонансного поглощения гамма-излучения и открытие в этой связи эффекта, носящего его имя?. С помощью эффекта Мёссбауэра, сказал Айвар Валлер, член Шведской королевской академии наук, при презентации лауреата, ?стало возможно исследовать такие важные явления, которые прежде находились вне досягаемости даже для наиболее точных измерений?.

М. должен был стать полным профессором Мюнхенского технического университета, но, разочаровавшись в бюрократических и авторитарных принципах организационных структур германских университетов, взял в 1960 г. творческий отпуск в Гейдельберге и стал стипендиатом-исследователем в Калифорнийском технологическом институте, а в следующем году стал там профессором. Однако в 1964 г. он вернулся в Германию, где занял пост профессора физического факультета Мюнхенского технического университета, преобразовав его по образцу организационных структур американских университетов. Некоторые ученые в шутку называли это изменение в структуре германского академического образования ?вторым эффектом Мёссбауэра?. С 1972 по 1977 г. М. возглавлял Институт Лауэ ? Ланжевена в Гренобле (Франция).

В 1957 г. М. женился на Элизабет Притц, специалистке по дизайну, у них ? сын и две дочери. На досуге он играет на пианино, катается на велосипеде и занимается фотографией.

М. является членом Американского, Европейского и Германского физических обществ, Индийской академии наук и Американской академии наук и искусств. Он удостоен почетных докторских степеней Оксфордского, Лейчестерского и Гренобльского университетов. Кроме Нобелевской премии, он получил награду за научные достижения Американской исследовательской корпорации (1960), премию Рентгена Гессенского университета (1961) и медаль Эллиота Крессона Франклиновского института (1961).



Ранее опубликовано:

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.? М.: Прогресс, 1992.
© The H.W. Wilson Company, 1987.
© Перевод на русский язык с дополнениями, издательство ?Прогресс?, 1992.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Антонов

Номер сообщения:#3   Антонов »

В Русской теории эффект Мёссбауэра выглядит более прозаично

http://www.scientific.ru/dforum/altern/1196256037

Радиоактивный источник испускает обрывки атомов (нейтроны или альфа-частицы) в сторону гамма-счётчика; между источником и счётчиком установлен поглотитель. Обрывки атомов, натыкаясь на атомы поглотителя, распадаются и порождают гамма-излучение.
Когда скорость обрывков равна скорости поглотителя, обрывки не распадаются и гамма-излучение не возникает.
При охлаждении радиоактивного источника, во-первых, уменьшаются скорости испускаемых обрывков атомов, а во-вторых, сужается разброс этих скоростей.

Аватара пользователя
Миныч
Сообщения: 404
Зарегистрирован: Сб фев 07, 2009 21:50
Откуда: Ногинск
Контактная информация:

Номер сообщения:#4   Миныч »

В русской теории, прошу прощение за термин, так как скорее сказать еврейско-литовской теории, эффект можно назвать эффектом Шпольского-Ребане фононно-полосатых спектров.

Ярчайший пример, в условиях того, что фактор Дебая Валлера известен, элементарная квантовая механика известна, а все гуляют мимо, кроме настырного аспиранта, который получает Нобелевскую.

Кстати, фактор Дебая Валлера, как и Мессбауэра, как и Шпольского-Ребане, никто не отменял и для сверхтекучепроводящих образцов :)))
1. Физики большие мастаки в подгонке теорий к фактам и фактов к теориям (Миныч).
2. Убеждения - более опасные враги истины, чем ложь (Ф. Ницше).
3. ВТСП: "здесь должен быть подземный ход" (Абдулла).
### Миныч: мой журнал ###

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»