Efecto Mössbauer

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El efecto Mössbauer o resonancia gamma nuclear  es la emisión o absorción de cuantos gamma por los núcleos atómicos en un cuerpo sólido, no acompañada de un cambio en la energía vibratoria del cuerpo, es decir, la emisión o absorción de fonones .

En otras palabras, el efecto Mössbauer es la emisión y absorción resonante de cuantos gamma por los núcleos sin retroceso del núcleo emisor y/o absorbente, si los núcleos están en la red cristalina. En este caso, todo el impulso de retroceso se transfiere a todo el cristal, cuya masa es muchos órdenes de magnitud mayor que la masa de un núcleo y, por lo tanto, el cambio en la frecuencia del cuanto gamma en los actos de emisión y absorción. es despreciable.

El efecto es esencialmente de naturaleza mecánica cuántica y se observa en sustancias cristalinas , amorfas y en polvo.

A partir de 2019, el efecto Mössbauer se observó en 87 isótopos de 46 elementos  , los llamados isótopos Mössbauer .

Por el descubrimiento del efecto , Rudolf Mössbauer recibió el Premio Nobel de Física en 1961 .

Historial de descubrimientos

La absorción resonante de fotones en el rango óptico , por ejemplo, la absorción resonante de un doblete de sodio , se ha observado anteriormente. Podría suponerse que se encontraría la misma absorción resonante para los rayos gamma, que surgen de las transiciones entre niveles discretos de energía en los núcleos, en contraste con los rayos X, que generalmente se producen por transiciones electrónicas en las capas internas de electrones de los átomos.

Pero los intentos de observar la resonancia nuclear durante la absorción de la radiación gamma en los gases fracasaron debido a la pérdida de energía por el retroceso del núcleo radiante que, debido al efecto Doppler , desplaza la frecuencia de los rayos gamma más allá de la frecuencia de un espectro muy estrecho. línea de absorción espectral de los núcleos y previene la absorción resonante (el efecto Doppler también expande la línea estrecha de radiación gamma debido al movimiento térmico de los núcleos).

El efecto fue descubierto en 1957. , según otras fuentes en 1958 por Rudolf Mössbauer en el Instituto de Investigación Médica de la Sociedad Max Planck en Heidelberg (Alemania).

Mössbauer logró detectar la absorción resonante de radiación gamma por núcleos de iridio en un sólido, lo que planteó la cuestión de por qué la absorción de resonancia gamma es posible en los sólidos, pero no en los gases.

Mössbauer sugirió que en el caso de los átomos en la red cristalina de un sólido, bajo ciertas condiciones, parte de la absorción de radiación de los rayos gamma puede ocurrir prácticamente sin retroceso de los núcleos. Explicó la absorción resonante observada por la transferencia del momento de los rayos gamma a todo el cristal.

Por este descubrimiento, Mössbauer fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1961 junto con Robert Hofstadter , quien estudió la dispersión de electrones por los núcleos atómicos.

La naturaleza del efecto

Al emitir o absorber un gamma-cuántico, según la ley de conservación del momento , un núcleo libre de masa M recibe un momento de retroceso p = E 0 / c y la energía de retroceso correspondiente a este momento R = p 2 /(2 M ) . La energía del gamma-cuántico emitido resulta ser menor por el mismo valor en comparación con la diferencia de energía entre los niveles nucleares E 0 , y se observa absorción resonante para fotones con una energía igual a E 0 + R . Como resultado, para núcleos idénticos, las líneas de emisión y absorción están separadas por 2 R , y la condición de resonancia solo puede satisfacerse si estas líneas coinciden o se superponen parcialmente. En los gases , la energía de retroceso es recibida por un núcleo radiante de masa M , mientras que en los sólidos, además de los procesos en los que los fonones se excitan debido a la energía de retroceso , bajo ciertas condiciones el desplazamiento de un solo átomo o un pequeño grupo de átomos se vuelve poco probable, y el impulso de retroceso puede experimentar todo el cristal . La masa de un cristal que contiene una gran cantidad de átomos es muchos órdenes de magnitud mayor que la masa del núcleo y, por lo tanto, el valor de R se vuelve insignificante. En los procesos de emisión y absorción de cuantos gamma sin retroceso, las energías de los fotones son iguales hasta el ancho natural de la línea espectral .

Interpretación del efecto

En 2000, en la revista Hyperfine Interactions [1] , Mössbauer dio una interpretación figurativa del efecto:

La situación... se parece a un hombre que lanza una piedra desde un bote. La mayor parte de la energía, de acuerdo con la ley de conservación del momento , es recibida por una piedra ligera, pero una pequeña parte de la energía del lanzamiento pasa a la energía cinética del bote que recibe el retorno . En verano, el barco simplemente adquirirá una cierta cantidad de movimiento correspondiente al retroceso y navegará en dirección opuesta a la dirección del lanzamiento. Sin embargo, en invierno, cuando el lago se congela, el hielo sujetará el bote , y casi toda la energía del lanzamiento se transferirá a la piedra, el bote (junto con el lago congelado y sus orillas) obtendrá una parte insignificante del agua. tirar energía. Así, el retroceso se transmitirá no solo al barco, sino a todo el lago, y el lanzamiento se realizará "sin retroceso".

Si una persona está entrenada de tal manera que siempre gasta la misma energía en un lanzamiento, y puede golpear un objetivo ubicado a distancia, parado a la misma distancia de él en suelo duro, entonces, al lanzar una piedra desde un bote , el retroceso conducirá a un "mal lanzamiento". El ensanchamiento térmico en esta representación corresponde a una ola en el lago, lo que aumenta la dispersión de las piedras lanzadas dirigidas, y los inevitables errores no forzados propios del atleta se caracterizan por una dispersión natural o agrupación de lanzamientos, similar a la amplitud natural de la emisión. /línea espectral de absorción y el tiempo de vida del correspondiente estado excitado del núcleo.

Isótopos de Mössbauer

Isótopos de Mössbauer en la Tabla periódica de los elementos
(resaltados en color de fondo)
H Él
li Ser B C norte O F Nordeste
N / A miligramos Alabama Si PAGS S cl Arkansas
40K _ California Carolina del Sur ti V cr Minnesota 57Fe _ co 61Ni 63Ni _ _ cobre 67 Zn Georgia 73 Ge Como Se hermano 80 coronas
Rb señor Y Zr Nótese bien Mes 99Tc_ _ 99 Ru 101 Ru Rh PD 107 Ag 109 Ag CD En 117 Sn 119 Sn 121 Sb 125 Te 127 yo 129 yo 129 Xe 131 Xe
133Cs_ _ 133 Ba * 176 Hf 177 Hf 178 Hf 180 Hf 181 Ta 180W 181W 182W 183W 184W 186W _ _ _ _ _ _ 187 Re 186 Os 188 Os 189 Os 190 Os 191 Ir 193 Ir 195 puntos 196 puntos _ _ 197 de agosto 199 Hg 201 Hg Tl Pb Bi Correos A Rn
fr Real academia de bellas artes ** RF DB sg bh hora Monte Ds Rg cn Nueva Hampshire Florida Mc Lv ts og
* 139la_ _ Ce 141 _ 145nd _ 145 horas 147 horas 147 Sm 149 Sm 151 Sm 152 Sm 153 Sm 154 Sm 151 euros 153 euros 154 Dios 155 Dios 156 Dios 157 Dios 158 Dios 160 Dios 159Tb _ 160 Dy 161 Dy 162 Dy 164 Dy 165 horas 164 Er 166 Er 167 Er 168 Er 170 Er 169 toneladas 170 Yb 171 Yb 172 Yb 173 Yb 174 Yb 176 Yb 175 Lu
** C.A. 232th _ 231Pa _ 234 U 236 U 238 U 237Np _ 239 PU 240 PU 243 a.m. cm bk cf ES FM Maryland no yo

El descubrimiento del efecto y su significado

Antecedentes

Alrededor de 1852, J. G. Stokes observó por primera vez la fluorescencia  : la absorción de la luz incidente por la fluorita , seguida de la emisión de luz por un absorbente. Posteriormente, se realizaron estudios similares con diferentes materiales.

En 1900, P. Villard descubrió los rayos gamma, radiación electromagnética monocromática emitida por radio con alta energía fotónica .

En 1904, R. Wood demostró la fluorescencia óptica resonante , que se caracteriza por la emisión de energía luminosa absorbida en forma de radiación de la misma frecuencia . La fluorescencia resonante del doblete de sodio amarillo estudiado por él es especialmente conocida .

Esperando

En 1929, W. Kuhn sugirió la posibilidad e intentó observar la absorción resonante de los rayos gamma como un análogo de la fluorescencia óptica en la física nuclear. Los intentos de detectar la absorción resonante de rayos gamma en experimentos con una fuente estacionaria y un absorbedor no tuvieron éxito. Sin embargo, el trabajo de Kuhn es valioso porque en él este químico físico suizo trató de analizar las razones de su falla, identificando tres fuentes principales de debilitamiento por absorción:

… La tercera contribución, que reduce la absorción, surge en relación con el proceso de emisión de rayos gamma. El átomo emisor experimentará un retroceso debido a la emisión de un rayo gamma. La longitud de onda de la radiación se desplaza así hacia el rojo ; la línea de emisión se desplaza con respecto a la línea de absorción... Por lo tanto, es posible que debido a un cambio gamma significativo, toda la línea de emisión abandone la región de la línea de absorción...

Kuhn aquí, sin embargo, consideró solo el cambio y la ampliación de la línea de emisión , sin prestar atención al efecto Doppler y al retroceso del núcleo durante la absorción de un fotón gamma.

Descubrimiento

En 1950-1951, el físico británico F. B. Moon publicó un artículo en el que describía por primera vez la observación experimental del efecto. La idea del experimento era colocar la fuente de radiación gamma de 198 Au en una ultracentrífuga , compensando así la energía de retroceso por el desplazamiento Doppler de la línea espectral. Considerando el efecto observado como dispersión nuclear resonante de rayos gamma, describió la fluorescencia nuclear resonante.

Casi al mismo tiempo, el científico sueco K. Malmfurs estudió la absorción de rayos gamma en la misma combinación de 198 Au y 198 Hg, tratando de aumentar la absorción debido al ensanchamiento de la línea térmica calentando oro en una llama de soplete. De hecho, el número de lecturas aumentó ligeramente, y Malmfurs informó en su artículo[ ¿dónde? ] que

... La condición del efecto de resonancia se cumple en aquellos casos en que la componente de la velocidad térmica [fuente] dirigida hacia el absorbedor, dirigida hacia la sustancia dispersante (mercurio), compensa el retroceso del núcleo...

Justificación

En 1953, G. Maier-Leibniz , profesor de la Universidad Técnica de Munich, asignó a su estudiante graduado Rudolf Mössbauer el tema de su tesis de maestría: una continuación de los estudios de absorción de rayos gamma dependientes de la temperatura iniciados por Malmfurs utilizando 191 Os y, como tarea adicional, la determinación del tiempo del valor desconocido de la energía de la desintegración beta del osmio-191. Después de defender la tesis de maestría de Mössbauer, Mayer-Leibniz lo invitó a continuar su trabajo sobre este tema preparando una tesis de Doctorado en Filosofía ( PhD ) en el Instituto de Investigación Médica de Heidelberg de la Sociedad Max Planck . A pesar de las insistentes instrucciones del supervisor de seguir el método de Malmfurs y buscar líneas de emisión y absorción superpuestas a altas temperaturas, Mössbauer se mostró independiente, calculando que sería más conveniente, por el contrario, diseñar un criostato para enfriar muestras a nitrógeno líquido. temperatura Al mismo tiempo, esperaba observar tal dependencia de temperatura de la absorción, en la cual la superposición de líneas se vuelve más débil, y la tasa de conteo de rayos gamma de radiación transmitidos a través del absorbedor debería aumentar. Habiendo obtenido el resultado opuesto, es decir, un aumento en la fluorescencia gamma nuclear resonante, superó el escepticismo excesivo y consideró cuidadosamente el resultado. Como resultado, Mössbauer se dio cuenta de que el concepto semiclásico utilizado de núcleos radiantes y absorbentes como partículas libres no es adecuado para los sólidos : en los cristales , los átomos están fuertemente unidos entre sí y se caracterizan por un comportamiento esencialmente cuántico [2] [3] [4 ] .

Reconocimiento

En 1961, por el descubrimiento y justificación teórica del fenómeno de la resonancia gamma nuclear , R. L. Mössbauer fue galardonado con el Premio Nobel de Física (junto con R. Hofstadter , quien recibió el premio por sus investigaciones sobre la dispersión de electrones por núcleos) con el redacción: Por sus investigaciones sobre la absorción de resonancia de la radiación gamma y su descubrimiento en este sentido del efecto que lleva su nombre .

Aplicaciones del efecto Mössbauer

La propiedad que provocó el uso del efecto Mössbauer como método de investigación es el pequeño ancho de la línea de emisión, que es menor que los valores característicos de las energías del dipolo magnético y las interacciones del cuadripolo eléctrico del núcleo con los electrones de la capa . 6] [7] . Entonces, por ejemplo, la influencia del campo magnético de los electrones de la capa de electrones en el núcleo provoca una división del espectro gamma de absorción resonante por los núcleos de hierro-57 en 6 líneas espectrales, las posiciones de estas líneas y su perfil dependen en el entorno químico del núcleo de hierro-57 debido a la influencia de los átomos vecinos de las capas de electrones, lo que le permite establecer los detalles de la estructura de las moléculas y las redes cristalinas.

El método de resonancia gamma nuclear ( análisis estructural resonante ) se utiliza en la ciencia de los materiales físicos , la química , la mineralogía y la biología (por ejemplo, en el análisis de las propiedades de los grupos que contienen Fe en las proteínas ). El efecto de absorción de radiación se potencia enriqueciendo la muestra con isótopos de Mössbauer , aumentando, por ejemplo, el contenido de 57 Fe en la alimentación de los animales de experimentación. En mineralogía, el efecto Mössbauer se utiliza principalmente para determinar la posición estructural de los iones Fe y para determinar el estado de oxidación del hierro.

Experimentos basados ​​en el efecto Mössbauer

Una aplicación impresionante del efecto Mössbauer fue el famoso experimento de Pound y Rebka , quienes en 1960 midieron en el laboratorio el corrimiento al rojo gravitacional de los rayos gamma predicho por la relatividad general .

Notas

  1. ↑ Rudolf L. Mössbauer . El descubrimiento del efecto Mössbauer  (inglés)  // Interacciones hiperfinas . - 2010. - Vol. 126. - Pág. 1-12. -doi : 10.1023/A : 1012620106837 .
  2. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung en Ir 191  (alemán)  // Zeitschrift für Physik. - 1958. - Bd. 151 , núm. 2 . - S. 124-143 . — ISSN 1434-6001 . -doi : 10.1007/ BF01344210 .
  3. ↑ Mössbauer RL Kernresonanzabsorption von γ -strahlung en Ir 191  (alemán)  // Zeitschrift für Naturforschung A. - 1959. - Bd. 14a . - S. 211-216 . .
  4. ↑ Kagan, 1962 , pág. 48-84.
  5. ↑ El Premio Nobel de Física 1961
  6. ↑ Wertheim, 1966 , pág. 19
  7. ↑ Shirokov, 1972 , pág. 257.

Literatura

Enlaces

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